Zero-Gravity система разгрузки рентгенозащитного жилета для хирургических операций

Назарбаев Университет / Nazarbayev University
Школа Инженерии и Цифровых наук / School of Engineering and Digital Sciences (SEDS)
Робототехника / Robotics Engineering
Курсовой проект по дисциплине "Механический дизайн с CAD"
Тема: Zero-Gravity система разгрузки рентгенозащитного жилета для хирургических операций
Астана, 2025

Хирургический персонал при длительных процедурах под постоянной рентген-визуализацией вынужден носить защитные свинцовые жилеты массой 5-12 кг, что даёт постоянную нагрузку на плечи и позвоночник и приводит к усталости и долгосрочным травмам опорно-двигательного аппарата.
В проекте разработана механическая "zero-gravity" система, которая подвешивает жилет к потолочной конструкции, снижая физическую нагрузку, но сохраняя свободу движений хирурга/врача. Итоговое решение - двухзвенный шарнирный механизм (2R planar system) с тросовым механизмом, который может перемещаться вдоль второй балки и регулировать высоту подвеса жилета. Кинематически система имеет 3 степени свободы: вращение в двух шарнирах и вертикальное перемещение за счёт балансира.
Конструкция включает: потолочное крепление, два жёстких звена, тросовый балансир (constant-force cable), а также 360° шарнир на радиальном подшипнике, чтобы трос не перекручивался при поворотах пользователя. Несущие элементы выполнены из алюминиевого профиля 50×60 мм. Геометрия выбрана под ограничения операционной: Link1 = 0.70 м, Link2 = 0.60 м, суммарный вылет до 1.3 м (зона вокруг операционного стола без помех для оборудования).
Крепление к потолку рассчитано на распределение нагрузки: используется 8 болтов M14 с заглублением 100 мм. Основной вал: длина 400 мм, диаметр 40 мм.
Расчёт нагрузки выполнен по худшему случаю: масса жилета 12 кг (≈ 117.72 Н). Балансир даёт около 113 Н подъёмной силы, оставляя пользователю минимальную остаточную нагрузку для стабильности. По расчётам прочности при коэффициенте запаса ≥ 3 максимальные напряжения остаются в допустимых пределах: максимальное изгибное напряжение 50.7 МПа при допустимом 80 МПа.