一种自平衡手术室及船舶

技术领域

本申请涉及船舶医疗设备的技术领域，具体而言，涉及一种自平衡手术室及船舶。

背景技术

随着技术的进步，船舶的功能越来越多样化，可以满足乘客和船员的各种需求，但是如何有效保障乘客和船员的生命安全依旧是船舶营运关注的重点。

当船舶在海上航行时遇到波浪会发生摇摆，即便装备了减摇设备来改善船舶的耐波性，这种摇摆还是存在的，尤其是当海况恶劣时会更加剧烈。在船上的日常工作和生活中，船舶的摇摆不会造成明显影响。但如果需要在船舶上进行医疗外科手术时，剧烈的摇摆都会使得要求操作精准的手术无法安全开展，只能借助于岸上医疗进行救助，但这个过程是需要时间的，会造成乘客错过宝贵的救助时间，进而威胁到人的生命安全。

因此设计出一种在船舶上能够防摇、自平衡的手术室，对于保证船舶上医疗手术的安全开展和保障海上乘客和船员的生命安全非常重要。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种自平衡手术室，其能够有效减弱和控制在海上航行产生的垂荡、纵荡、横荡和摇摆问题，使倾斜的手术室本体快速地恢复初始的平衡受力状态，将晃动和摇摆控制在可控范围内，以便于进行海上手术。

本申请实施例的第二目的还在于提供一种使用上述自平衡手术室的船舶。

第一方面，提供了一种自平衡手术室，用于船舶，船舶包括相互靠近的上船体板和下船体板，自平衡手术室包括手术室本体、第一阻尼单元和第二阻尼单元。手术室本体设置在上船体板和下船体板之间。第一阻尼单元包括至少三个第一阻尼器，至少三个第一阻尼器围绕手术室本体的外侧上表面的中心均匀分布，且每个第一阻尼器的两端分别连接手术室本体的外侧上表面和上船体板。第二阻尼单元包括至少三个第二阻尼器，至少三个第二阻尼器围绕手术室本体的外侧下表面的中心均匀分布，每个第二阻尼器的两端分别连接手术室本体的外侧下表面和下船体板。

在一种可实施的方案中，还包括第一惯性轮、第一驱动装置、第二惯性轮、第二驱动装置、第三惯性轮、第三驱动装置和晃动测量装置；

在手术室本体上设置xyz三维立体坐标系；

第一惯性轮安装在手术室本体上且其旋转平面与手术室本体的xz坐标平面平行，第一驱动装置用于驱动第一惯性轮转动；第二惯性轮安装在手术室本体上且其旋转平面与手术室本体的yz坐标平面平行，第二驱动装置用于驱动第二惯性轮转动；第三惯性轮安装在手术室本体上且其旋转平面与手术室本体的xy坐标平面平行，第三驱动装置用于驱动第三惯性轮转动；

晃动测量装置安装在手术室本体上，用于检测手术室本体在xyz三维立体坐标内的晃动程度并发出晃动信号，第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置根据晃动信号调整第一惯性轮、第二惯性轮和第三惯性轮的角速度和方向，以使手术室本体保持水平状态。

在一种可实施的方案中，还包括控制器，且晃动测量装置包括加速度传感器，在手术室本体上能够构成四方体结构的八个方位角上分别布置加速度传感器，控制器用于根据加速度传感器的数据计算出晃动信号，再根据晃动信号计算出第一惯性轮、第二惯性轮和第三惯性轮所需的角速度和方向。

在一种可实施的方案中，还包括安装在手术室本体上的第一制动器、第二制动器和第三制动器；在第一惯性轮的角速度达到控制器的计算值时，第一制动器用于抱紧第一惯性轮的圆周边缘以实现盘式制动；在第二惯性轮的角速度达到控制器的计算值时，第二制动器用于抱紧第二惯性轮的圆周边缘以实现盘式制动；在第三惯性轮的角速度达到控制器的计算值时，第三制动器用于抱紧第三惯性轮的圆周边缘以实现盘式制动。

在一种可实施的方案中，在第一惯性轮、第二惯性轮和第三惯性轮的旁边分别设置有角速度检测传感器，角速度检测传感器用于检测第一惯性轮、第二惯性轮和第三惯性轮的角速度是否达到控制器的计算值。

在一种可实施的方案中，还包括连接装置，其包括第一端和第二端，连接装置的第一端与手术室本体的外侧上表面的中心通过第一万向关节可断开的连接，连接装置的第二端与上船体板相连。

在一种可实施的方案中，连接装置包括电磁装置和衔铁，衔铁与手术室本体外侧上表面中心的第一万向关节相连，电磁装置的一端安装在上船体板上，且电磁装置的另一端用于吸附衔铁。

在一种可实施的方案中，在手术室本体的顶壁、左侧壁和后侧壁的本体结构中分别设置有密闭腔体，第一惯性轮安装在左侧壁的密闭腔体中，第二惯性轮安装在后侧壁的密闭腔体中，第三惯性轮安装在顶壁的密闭腔体中。

在一种可实施的方案中，还包括第二万向关节，其设置在手术室本体的外侧下表面的中心处，并用于连接手术室本体的外侧下表面与下船体板。

根据本申请的第二方面，还提供了一种船舶，包括上述方案中的自平衡手术室。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请中的自平衡手术室，手术室本体由于船体晃动会随之产生一定程度的晃动和摇摆，导致手术室本体会产生旋转或者位移，进而会对第一阻尼单元和第二阻尼单元产生拉、压或扭曲的作用力，改变了第一阻尼单元和第二阻尼单元原有平衡位置的受力状态，第一阻尼单元和第二阻尼单元中为了恢复原有的受力状态，会产生抵抗手术室本体晃动的作用力，从而有效减弱和控制在海上航行产生的垂荡、纵荡、横荡和摇摆问题，使倾斜的手术室本体快速地恢复初始的平衡受力状态，将晃动和摇摆控制在可控范围内，以便于进行海上手术。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种自平衡手术室的立体结构示意图；

图2为根据本申请实施例示出的一种自平衡手术室的后视结构示意图；

图3为根据本申请实施例示出的一种自平衡手术室的摇摆状态示意图；

图4为根据本申请实施例示出的一种自平衡手术室的右视结构示意图；

图5为根据本申请实施例示出的一种自平衡手术室的后视结构示意图；

图6为根据本申请实施例示出的一种自平衡手术室的俯视结构示意图；

图7为图5中A处的结构放大示意图；

图8为本申请自平衡手术室在不同海况下的调节原理示意框图。

图中：10、手术室本体；20、第一阻尼单元；21、第一阻尼器；30、第二阻尼单元；31、第二阻尼器；41、第一惯性轮；42、第一驱动装置；43、第一制动器；51、第二惯性轮；52、第二驱动装置；53、第二制动器；61、第三惯性轮；62、第三驱动装置；63、第三制动器；70、加速度传感器；80、角速度检测传感器；90、连接装置；91、电磁装置；92、衔铁；101、上船体板；102、下船体板；200、第一万向关节；300、第二万向关节。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

根据本申请的第一方面，如图1-3所示，首先提供一种自平衡手术室，用于船舶，船舶包括相互靠近的上船体板101和下船体板102，自平衡手术室包括手术室本体10、第一阻尼单元20和第二阻尼单元30。手术室本体10设置在上船体板101和下船体板102之间。第一阻尼单元20包括至少三个第一阻尼器21，至少三个第一阻尼器21围绕手术室本体10的外侧上表面的中心均匀分布，且每个第一阻尼器21的两端分别连接手术室本体10的外侧上表面和上船体板101。第二阻尼单元30包括至少三个第二阻尼器31，至少三个第二阻尼器31围绕手术室本体10的外侧下表面的中心均匀分布，每个第二阻尼器31的两端分别连接手术室本体10的外侧下表面和下船体板102。

当船舶航行在不平稳海况甚至是极端恶劣海况中时，船舶晃动剧烈且晃动幅度大，难以对伤员进行手术治疗。而对于上述实施例中的自平衡手术室，手术室本体10由于船体晃动会随之产生一定程度的晃动和摇摆，导致手术室本体10会产生旋转或者位移，进而会对第一阻尼单元20和第二阻尼单元30产生拉、压或扭曲的作用力，改变了第一阻尼单元20和第二阻尼单元30原有平衡位置的受力状态，第一阻尼单元20和第二阻尼单元30中为了恢复原有的受力状态，会产生抵抗手术室本体10晃动的作用力，有效减弱和控制在海上航行产生的垂荡、纵荡、横荡和摇摆问题，从而使倾斜的手术室本体10快速地恢复初始的平衡受力状态，以便于进行海上手术。

在一种实施方案中，在手术室本体10平衡时，第一阻尼单元20和第二阻尼单元30可设定为处于原长状态，也可以都设定为压缩状态。也可以设定第一阻尼单元20为拉伸状态，第二阻尼单元30为压缩或原长状态，由于第一阻尼单元20拉伸状态在手术室本体10向上运动时并不发挥特别明显的作用。因此本实施例中第一阻尼单元20和第二阻尼单元30在使用时的状态，优选都设置为处于原长状态或者都处于压缩状态，或者其中一个为原长状态，另一个为压缩的状态。

具体地，基于上述实施例中的方案，当手术室本体10的运动是上下方向的垂荡时(沿z方向的位移)，手术室本体10向上运动会挤压上部的第一阻尼单元20，第一阻尼单元20阻尼力减缓向上的垂荡，并且快速的产生回弹的力量，以使手术室本体10向下方原有位置运动；手术室本体10向下运动会挤压上部的第二阻尼单元30，第二阻尼单元30阻尼力减缓向下的垂荡，并且快速的产生回弹的力量，以使手术室本体10向上方原有位置运动。第一阻尼单元20和第二阻尼单元30相互配合，从而有效控制和减弱手术室本体10上下方向的垂荡。

需要说明的是，对平衡时处于原长的第二阻尼单元30，手术室本体10向上运动一般会拉伸第二阻尼单元30，第二阻尼单元30会产生向下的拉力以更好地使手术室本体10向下复位。对平衡时处于原长的第一阻尼单元20，手术室本体10向下运动可能会拉伸第一阻尼单元20，第一阻尼单元20会产生向上的拉力以更好地使手术室本体10向上复位。

进一步地，当手术室本体10产生前后方向的纵荡(沿x方向的位移)和左右方向的横荡(沿y方向的位移)时，由于至少三个第一阻尼器21围绕手术室本体10的外侧上表面的中心均匀分布和至少三个第二阻尼器31围绕手术室本体10的外侧下表面的中心均匀分布，形成水平面内全方位的限位。具体地，手术室本体10在产生前后方向的纵荡和左右方向的横荡，出现水平面内的位移时，第一阻尼单元20和第二阻尼单元30的各位置的阻尼器受到水平方向的力量会产生倾斜扭曲，所有阻尼器为了恢复原有竖直位置，会抵抗纵荡和横荡以恢复原有位置，从而有效减弱和控制纵荡和横荡。

进一步地，当手术室本体10的摇摆包括绕z轴方向的旋转、绕x轴方向的旋转和绕y轴方向的旋转。

绕z轴方向的旋转可理解为在水平面内的旋转，其会对第一阻尼单元20和第二阻尼单元30产生水平面内的扭曲变形作用力，第一阻尼单元20和第二阻尼单元30的各位置的阻尼器受到水平方向的力量会产生倾斜扭曲，所有阻尼器为了恢复原有竖直位置，会抵抗绕z轴方向的旋转以恢复原有位置，从而有效减弱和控制绕z轴方向的摇摆。

绕x轴方向的旋转参见图3所示，绕y轴方向的旋转与绕x轴方向的旋转原理相同，仅方向不同，因此此处结合图3对绕x轴方向的旋转控制原理进行解释说明。假设，第一阻尼单元20和第二阻尼单元30在平衡时都处于原长，当产生图3所示的绕x轴方向的旋转摇摆时，第一阻尼单元20右边布置的阻尼器受压，第二阻尼单元30左边布置的阻尼器受压，第一阻尼单元20左边布置的阻尼器受拉，第二阻尼单元30右边布置的阻尼器受拉，受压的阻尼器进而产生回弹抵抗，受拉的阻尼器进而产生收缩抵抗，第一阻尼单元20和第二阻尼单元30协同配合，从而快速地减弱和控制绕x轴方向的旋转摇摆。

假使第一阻尼单元20和第二阻尼单元30在平衡时都处于压缩状态，则上述受拉侧的阻尼器，先从压缩恢复原长，如果摇摆较剧烈才会转为受拉。

需要说明的是，上述对垂荡、纵荡、横荡和摇摆(绕x、y和z的旋转)的控制调节并不是独立进行，第一阻尼单元20和第二阻尼单元30同时对上述的晃动和摇摆就行调节控制，以实现手术室本体10的自平衡。

在一种实施方案中，第一阻尼器21和第二阻尼器31可采用弹簧阻尼器、液压阻尼器、空气阻尼器等。为了综合成本和阻尼效果，本申请使用弹簧阻尼器。

在一种实施方案中，为了对摇摆(绕x、y和z的旋转)进行更为有效的控制，如图4-6所示，自平衡手术室还包括第一惯性轮41、第一驱动装置42、第二惯性轮51、第二驱动装置52、第三惯性轮61、第三驱动装置62和晃动测量装置。如图1所示，在手术室本体10上设置xyz三维立体坐标系。

如图4所示，第一惯性轮41安装在手术室本体10上且其旋转平面与手术室本体10的xz坐标平面平行，第一驱动装置42用于驱动第一惯性轮41转动。

如图5所示，第二惯性轮51安装在手术室本体10上且其旋转平面与手术室本体10的yz坐标平面平行，第二驱动装置52用于驱动第二惯性轮51转动。

如图6所示，第三惯性轮61安装在手术室本体10上且其旋转平面与手术室本体10的xy坐标平面平行，第三驱动装置62用于驱动第三惯性轮61转动。

其中，晃动测量装置安装在手术室本体上，用于检测手术室本体10在xyz三维立体坐标内的晃动程度并发出晃动信号，第一驱动装置42、第二驱动装置52和第三驱动装置62根据晃动信号调整第一惯性轮41、第二惯性轮51和第三惯性轮61的角速度和方向，以使手术室本体10保持水平状态。

上述实施例中的惯性轮利用角动量守恒原理来实现平衡调节，具体原理如下。晃动测量装置首先测量出手术室本体10的倾角、加速度信号等，分别分配至相应的xyz坐标中，然后计算出每个坐标平面中的惯性轮所需的角速度和旋转方向，然后驱动装置控制xy、xz和yz三个坐标平面内的惯性轮按照各自的角速度和方向转动，在达到所需的角速度并获得所需的角动量时，惯性轮快速制动或者快速减速，根据角动量守恒定律，惯性轮的角动量会转换成手术室本体10的角动量，该角动量正好与船舶摇摆的角动量相反从而相互抵消保持手术室本体10自平衡，为操作精准要求高、不能受到干扰的医疗手术提供可靠的平稳的舱室环境，从而给海上人命安全提供了强有力的保障。

第一阻尼器21和第二阻尼器31的减摇减晃属于被动调节，更偏向于平稳海况或简单恶劣海况，惯性轮的调节属于主动调节，更适用与恶劣海况，两者同时使用，主实现动和被动结合，从而使本申请的手术室本体10能够适应平稳海况至恶劣海况等多种情况，基本实现了在大部分海况下的手术作业能力，有效提高了普通船舶的海上生命保障。

在一种实施方案中，还包括控制器(图中未示出)，且晃动测量装置包括加速度传感器70(参见图2和4-6所示)，在手术室本体10上能够构成四方体结构的八个方位角上分别布置加速度传感器70，八个方位形成四方体的布局，控制器用于根据加速度传感器70的数据计算出晃动信号，再根据晃动信号计算出第一惯性轮41、第二惯性轮51和第三惯性轮61所需的角速度和方向。晃动信号包括但不限于加速度、倾斜角度、倾斜方向等。加速度传感器70可以两两为一组测量手术室的倾斜角，如此实现对摇摆角度(绕x、y和z的旋转摇摆)的测量，同时借助对角上的加速度传感器70还能测量手术室对角线方向的摇晃角度。同时八个方位角上的布置方式，形成加速度传感器70的冗余布置，从而使一个方向上的倾角可以有多个测量值，通过最小二乘法的方式确定最后的倾角新型，从而提高了晃动和摇摆的倾斜角度的测量准确性。

在一种实施方案中，如图4-6所示，还包括安装在手术室本体10上的第一制动器43、第二制动器53和第三制动器63。在第一惯性轮41的角速度达到控制器的计算值时，第一制动器43用于抱紧第一惯性轮的圆周边缘以实现盘式制动；在第二惯性轮51的角速度达到控制器的计算值时，第二制动器53用于抱紧第二惯性轮51的圆周边缘以实现盘式制动；在第三惯性轮61的角速度达到控制器的计算值时，第三制动器63用于抱紧第三惯性轮61的圆周边缘以实现盘式制动。采用盘式制动结构可以快速的对惯性轮进行制动，从而利于角动量及时传递个手术室本体10，以更为敏捷反应去抵消船舶摇摆，实现手术室本体10的平衡。

在一种实施方案中，如图4-6所示，在第一惯性轮41、第二惯性轮51和第三惯性轮61的旁边分别设置有角速度检测传感器80，角速度检测传感器80用于检测第一惯性轮41、第二惯性轮51和第三惯性轮61的角速度是否达到控制器的计算值。角速度检测传感器80可采用霍尔传感器、红外传感器等。

在一种实施方案中，如图1-5所示，对于上述任何所有的技术方案，还可以包括连接装置90，其包括第一端和第二端，连接装置90的第一端与手术室本体10的外侧上表面的中心通过第一万向关节200可断开的连接，连接装置90的第二端与上船体板101相连。连接装置90的第一端与手术室本体10的外侧上表面的中心通过第一万向关节200相连接，连接装置90将手术室本体10吊起，从而对手术室本体10的上表面的中心位置的上下方向的位移进行了限制，可以有效控制手术室本体10随船体的垂荡。此处地的方案可以在恶劣海况中应用，优选的应用于相对平稳的海况。第一万向关节200形成柔性连接，有助于缓冲突然地摇摆。

在一种实施方案中，如图7所示，连接装置90包括电磁装置91和衔铁92，衔铁92与手术室本体10外侧上表面中心的第一万向关节200相连，电磁装置91的一端安装在上船体板101上，且电磁装置91的另一端用于吸附衔铁92，由此实现连接装置90与手术室本体10外侧上表面中心的方便快捷的连通和断开。

在一种实施方案中，如图1-6所示，在手术室本体10的顶壁、左侧壁和后侧壁的本体结构中分别设置有密闭腔体，第一惯性轮41安装在左侧壁的密闭腔体中，第二惯性轮51安装在后侧壁的密闭腔体中，第三惯性轮61安装在顶壁的密闭腔体中。密闭腔体有助于保护惯性轮，防止灰尘或者外物对惯性轮的转动带来影响，从而提高安全性，同时密封腔体也有助于降低惯性轮转动时传递至手术室本体10内部的噪音。

在一种实施方案中，如图1-6所示，基于上述所有的技术方案，自平衡手术室还可以包括第二万向关节300，其设置在手术室本体10的外侧下表面的中心处，并用于连接手术室本体10的外侧下表面与下船体板102。第二万向关节300对手术室本体10的下表面的中心位置的上下方向的位移进行了限制，也可以有效控制手术室本体10随船体的垂荡。

如图8所示，在恶劣海况中，但是垂荡运动并不明显的海况中，可以利用第二万向关节300连接手术室本体10的外侧下表面的中心与下船体板102，首先形成对手术室本体10的下部中心限制，减弱垂荡，使手术室本体10的最大不稳定来源为摇摆，此时主要使用惯性轮来实现自平衡。

如图8所示，如果是非常恶劣的海况(晃动和摇摆都剧烈)，可以不使用第二万向关节300以获得更大范围内的动作调节。第一阻尼单元20和第二阻尼单元30发挥被动的自平衡功能。同时，加速度传感器70实时采集晃动信号，由控制器(控制装置)计算所需角速度和方向，然后驱动装置驱动惯性轮转动，并在角速度检测传感器80检测达到所述角速度时，及时制动，以将惯性轮的角动量传递给手术室本体10，快速实现主动的自平衡。

如图8所示，如果是平稳海况(垂荡较小)，可以使用连接装置90吊起手术室本体10，对垂荡运动进行大幅度的限制。或者在更平稳的海况中(垂荡几乎没有)，可以使用连接装置90和第二万向关节300，从而对手术室本体10的上下中心都进行限制，基本完全限制手术室本体10的垂荡，使其上下方向的垂荡与船舶保持一致即可。

根据本申请的第二方面，还提供了一种船舶，包括上述方案中的自平衡手手术室。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。