辅助穿脱医用防护装置方舱的设计与有限元分析

宋泓炎，白金友，李鑫宇，杨雪东，刘阳海，张宇航，崔有正*，侯昊良

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

引言

医用防护服是医护人员工作着装，隔离病菌、有害超细粉尘、酸性溶液、盐溶液，保持环境清洁。采用PP（聚丙烯，占总数的62%）无纺布材料，外覆防护服专用透气膜，透气性强，防静电；较佳的防渗透性，在抗多种有机溶剂、酸碱腐蚀的同时，具有较高的耐冲击性[3]。

在医疗护理中，要使医生不被病菌感染，防护服非常重要。分秒必争的工作环境决定了医护人员必须要在很短的时间内完成自身的防护工作全身心的投入到疫情防控中，所以能够快速的穿脱防护服就是一个亟待解决的问题[3]。

基于上述问题，我们进行了深入的讨论和调研并设计了一款能帮助医护人员快速穿脱防护服的辅助装置。它既可以提高医护人员的工作效率，又能使医护人员避免在穿脱过程中的意外感染。可以根据不同身高，体型的医护人员，自动识别，选择准确的尺码，并且在脱下防护服时，可以找到准确的位置，精准的帮助医护人员进行穿脱防护装置。并且，使用过的防护装置，经过消毒后会自动回收到衣柜附带的垃圾箱内，避免给环境带来危害。

1 设计理念概述

我们设计的是一种辅助穿脱医用防护装置的方舱，设计理念是将辅助穿脱防护装置的平台与可移动的方舱相结合，可以实现医用防护装置的自动穿脱和方舱的自由移动，极大的减少了医护人员穿脱防护装置所浪费的时间，并且减少了病毒传播的可能性。设计辅助穿脱防护装平台，实现更安全的更快捷的穿脱防护装置。

利用自动鞋套机，自动手套机，全自动穿脱防护服平台结合，提高自动化程度；设计悬挂底盘，合理分布各个机构构件，保证整体装置的平衡和受力均匀。这种设计有效的减轻医护人员的负担，让医护人员的工作更加舒适方便，可以普遍生产使用[4]。

2 系统结构示意图及工作流程设计

辅助穿脱医用防护装置的方舱设计结构图见图1、图2，万向轮图见图3，此可辅助穿脱防护装置的移动方舱装置的主要由机械臂、机械手、全自动手套机、全自动鞋机、头套机、万向轮、扣领装置、传送带、自动消毒垃圾箱、全方位消毒装置，自动感应门等组成。

图1 一种辅助穿脱医用防护装置的可移动方舱结构图

图2 一种辅助穿脱医用防护装置的可移动方舱

图3 万向轮结构图

图4 多功能护理型轮椅组合床工作流程

辅助穿脱医用防护装置的方舱可以实现辅助医护人员自动的穿脱医用防护装置，节约医护人员穿脱防护服的时间，减少病毒在防护服穿脱过程中传播的可能性，并且这种辅助穿脱医用防护装置的可移动方舱还可以自由的移动，可以使医护人员在完成工作后及时的更换防护服，同时可以实现在方舱内全方位的消毒，避免病毒在方舱内二次传播。这种辅助穿脱医用防护装置的可移动方舱有完善的垃圾处理系统，脱下废弃的防护服可以自动的送入消毒垃圾箱，避免出现污染问题。

当医护人员进入方舱内，首先在第一层消毒室实现一次全方位消毒。消毒后医护人员进入到防护装置穿脱室，站在全自动鞋套机上，穿上消毒的鞋套，医护人员站在自动的穿脱的装置上，将医护人员的胳膊放在指定位置，机械手辅助人将袖子穿上，自动的穿脱将防护服撑开，医护人员的头部放入头套机中，辅助医护人员将防护服的头套穿上，自动穿脱的装置下面的机械手开始工作，辅助医护人员将裤子套上，自动穿脱装置的扣紧装置开始工作，压紧防护服，避免防护服出现下滑松动的现象，医护人员将手放入自动手套机中，戴上防护手套，医护人员从后面的无菌门中出去，避免原入口中病毒的感染，医护人员工作完成后在从消毒门进入，消毒后进入防护装置穿脱室，自动装置重复前面的过程，将防护装置从医护人员的身上脱下，医护人员从后面的无菌室出去，无菌室中的紫外线消毒装置对医护人员进行二次消毒。

2.1 等效应力分析

在solidworks 软件中进行三维建模，见图5，在solidworks 进行接下来的等效应力分析。

图5 机械手的三维模型

经过等效应力分析，应力分布云图见图6，此机械手应力最大值2.355 MPa 主要集中在机械手的根部。机械手的根部的等效应力最大值小于普通碳钢的屈服极限220 MPa，满足行星齿轮符合强度要求。

图6 应力分布云图

2.2 等效应变分析

经过等效应变分析，应变分布云图见图7，此机械手应变最大值7.313e-11 mm/mm，主要集中在机械手的根部。机械手的根部等效应变数值很小，机械手材料能够满足机械手在夹取防护服时对应变的要求。

图7 应变分布云图

2.3 总形变分析

经过总形变分析，总形变分布云图见图8。此轮系最大整体变形量为1.906e-8 mm，变形主要发生在机械手顶部处，变形量较小，基本符合齿轮啮合的理论变形趋势，满足机械手的强度和刚度需求。

图8 总形变分布云图

3 创新理念

在国内还并未出现与防护服辅助脱穿产品，与我们产品相关的装置，并没有我们的防护服辅助脱穿方舱智能与环保，它对环境的适应能力也不如我们的防护服辅助脱穿方舱，而且其也不能达到较为真正意义上的全智能，需要较多的人为操作，现有的装置，大都属于开放式的形式，有较大的安全隐患，容易在更换防护服时造成病毒感染，其也没有较为完备的回收装置，容易造成病毒外流和环境污染，从而会造成更严重的病毒传播。因此就目前为止出现的防护服脱穿辅助装置都已经不能适应现在的工作环境。

4 结论

综上所述，辅助穿脱医用防护装置的可移动方舱可以实现辅助医护人员自动的穿脱医用防护装置，节约医护人员穿脱防护服的时间，尽可能地减少病毒在防护服穿脱过程中传播的可能性，解决了防护服的无菌及自动化穿戴，为医疗器械的发展和研发开辟了一条新途径，此装置可以让医护人员不用自己进行如此繁琐的流程，甚至在其中得到一段时间的休息，从而更好的提高医护人员的工作效率。并且可以很大程度上减少穿脱防护服过程中造成的病毒感染情况，使医护人员可以更加全身心的投入到患者身上。本装置实用性强，能够适应一般恶劣环境下的防护服无菌半自动化穿戴，具有广阔的市场前景与应用价值[5]。