廖先旭，孫亮波，涂松林，彭文凱，秦鴻程，劉文朝

一種移動式雙子安檢站的創(chuàng)新設(shè)計

廖先旭，孫亮波*，涂松林，彭文凱，秦鴻程，劉文朝

（武漢輕工大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

針對現(xiàn)有安檢設(shè)備半自動化、功能相對單一、不便移動等缺點，設(shè)計了一款移動式雙子安檢站，其是一款用于大型集會活動安檢、隔離醫(yī)治一體化的安檢設(shè)備。移動式雙子安檢站分為子裝備和母裝備兩個部分。子裝備通過撐起機構(gòu)形成安檢門供行人通過，旋轉(zhuǎn)圓盤機構(gòu)配合金屬探測儀和空間消毒機構(gòu)對使用者進(jìn)行自動化金屬探測和消毒，最后由紅外測溫儀進(jìn)行測溫。使用者體溫正常則可進(jìn)入公共場所，若溫度過高則需進(jìn)入母裝備，由醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行醫(yī)治。

安檢站；旋轉(zhuǎn)圓盤機構(gòu)；撐起機構(gòu)；空間消毒機構(gòu)

對于事業(yè)單位、學(xué)校、體育運動場、商場等流動人員較大的場所，人員出入管理及防疫檢測[1]十分重要。目前國內(nèi)市場上的部分安檢設(shè)備及其性能分析如表1、圖1所示[2-8]，盡管具備體溫監(jiān)測以及殺菌消毒等功能，但在實際人員出入管理中，仍存在效率低、體溫檢測精度不高、檢疫過程勞動強度大等問題。

針對以上問題，設(shè)計了一款集安檢與醫(yī)治于一身的移動式雙子安檢站，其包括母裝備和子裝備。子裝備便于運輸，具有體溫測量、噴灑消毒、金屬探測等功能，母裝備具有噴灑消毒功能，并可對體溫異常人員進(jìn)行隔離醫(yī)治。

1 移動式雙子安檢站設(shè)計思路

該移動式雙子安檢站的三維模型如圖2所示，設(shè)計思路如圖3所示，子裝備展開后即可進(jìn)行防疫工作。

該設(shè)計主體由母裝備醫(yī)療站、子裝備便攜式自動安檢門、旋轉(zhuǎn)平臺裝置、空間消毒裝置組成。子裝備對公共場所的入內(nèi)人員進(jìn)行快速消毒、體溫檢測和金屬探測，實現(xiàn)了安檢過程的無人化，減輕安檢人員的勞動強度。母裝備對體溫異常人員進(jìn)行消毒，并由其內(nèi)部配備的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行醫(yī)治，起到隔離作用，以防對其他人員造成感染。母裝備還可進(jìn)行擴展，以增加安檢站的容量。子、母裝備的配合實現(xiàn)了對公共場所入內(nèi)人員的無人化快速安檢和對體溫異常人員的隔離與醫(yī)治，集安檢與醫(yī)治于一體。

表1 現(xiàn)有的安檢站性能分析

圖1 現(xiàn)有的安檢站

圖2 移動式雙子安檢站三維模型渲染圖

一套移動式雙子安檢站體積僅為貨運車廂的三分之一，能為應(yīng)對疫情突發(fā)時的快速反應(yīng)及前期的防疫工作提供有效幫助。其整體設(shè)計具有功能多樣、操作方便、執(zhí)行可靠等特點。

圖3 移動式雙子安檢站設(shè)計思路圖

2 功能分析與實現(xiàn)

2.1 子裝備

子裝備整體尺寸為1200 mm×850 mm×370 mm（長×寬×高），可存儲于母裝備內(nèi)部，隨母裝備運輸或單獨運輸。運輸過程中，子裝備為折疊狀態(tài)。使用時展開以實現(xiàn)安檢站的各種功能。子裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.上方空間消毒裝置；2.底部旋轉(zhuǎn)圓盤裝置；3.側(cè)面撐起裝置。

子裝備使用過程：將子裝備取出放置于公共場所入口處，通過撐起機構(gòu)展開形成一個安檢門供行人通過。使用者站上旋轉(zhuǎn)圓盤后握緊兩旁的扶手，旋轉(zhuǎn)圓盤會自動旋轉(zhuǎn)并帶動人一起旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，上方的紅外攝像頭對使用者進(jìn)行體溫檢測以及人臉識別登記，空間消毒機構(gòu)對使用者進(jìn)行快速消毒，金屬探測儀器對使用者進(jìn)行金屬探測。使用者體溫檢測正常后即可進(jìn)入公共場所內(nèi)部。

2.1.1 撐起機構(gòu)

撐起機構(gòu)位于子裝備的兩側(cè)，其作用一方面是保證折疊時撐起機構(gòu)體積盡可能小，另一方面保證安檢門完全展開時有充足的高度和寬度。撐起機構(gòu)模型圖和示意圖如圖5、圖6所示。由圖6可知：

1＝31－(2p1＋p1) （1）

式中：1為撐起機構(gòu)的自由度；1為構(gòu)件數(shù)；p1為機構(gòu)中低副的個數(shù)；p1為機構(gòu)中高副的個數(shù)。

由圖可知：1＝6，p1＝8，p1＝1。

計算得：1＝1。

1.電機；2.電機架；3.錐齒輪；4.齒輪；5.導(dǎo)桿。

圖6 撐起機構(gòu)示意圖

撐起機構(gòu)的運動：由電機帶動連桿2轉(zhuǎn)動，連桿2在轉(zhuǎn)動的同時帶動下方的平行四桿機構(gòu)運動，直至達(dá)到豎直狀態(tài)。連桿1與2的夾角初始為30°，豎直狀態(tài)下將變?yōu)?20°。撐起機構(gòu)上方的平行四桿機構(gòu)與下方的平行四桿機構(gòu)通過齒輪3、4連接，下方平行四桿機構(gòu)運動至豎直狀態(tài)的同時，由齒輪傳動帶動上方的平行四桿機構(gòu)至豎直狀態(tài)。兩個四桿機構(gòu)都運動至豎直狀態(tài)后即形成一個通道供行人通過。

基于人機工程學(xué)原理驗證撐起機構(gòu)展開后形成的安檢門高度是否合理。由于移動式雙子安檢站的子裝備為男女通用的產(chǎn)品，設(shè)計選擇人體尺寸百分?jǐn)?shù)的一般原則，取大百分位數(shù)為男性的99，小百分位數(shù)選用女性的1，計算產(chǎn)品的最小功能尺寸和最大功能尺寸，為：

min＝(,1)＋f（2）

max＝(,99)＋f（3）

式中：min為產(chǎn)品的最小功能尺寸，mm；max為產(chǎn)品的最大功能尺寸，mm；(,1)表示1%的女性身高等于或小于此值，mm；(,99)表示99%的男性身高等于或小于此值，mm；f為穿鞋修正量，mm。

根據(jù)人體尺寸表，有：(,1)＝1449 mm，(,99)＝1814 mm，f＝25 mm。

計算得：min＝1474 mm，max＝1839 mm。

對計算結(jié)果進(jìn)行圓整，得到調(diào)整范圍為1470～1840 mm[9-11]。

撐起機構(gòu)平行四桿部分短桿1＝0.2 m，長桿2＝0.9 m，兩桿夾角為30°，中間部分為直徑0.1 m的標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪。撐起機構(gòu)電機額定功率1 kW、額定轉(zhuǎn)速2500 r/min，電機接通正反轉(zhuǎn)，螺旋型夾持式聯(lián)軸器連接電機與嚙合齒輪本體。

撐起機構(gòu)展開形成的安檢門高度為2.1 m，大于計算所得的產(chǎn)品的最大功能尺寸1.84 m，故子裝備產(chǎn)品至少可適用于99%的人。

2.1.2 旋轉(zhuǎn)圓盤機構(gòu)

為實現(xiàn)安檢的無人化，進(jìn)而提高安檢效率，子裝備的上方安裝有金屬探測裝置，下方有旋轉(zhuǎn)圓盤。人站上旋轉(zhuǎn)圓盤時，圓盤會帶動人進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時，金屬探測裝置對人的全身進(jìn)行金屬探測。設(shè)計了圓盤與扶手的聯(lián)動機構(gòu)，使兩旁扶手跟隨圓盤的旋轉(zhuǎn)而移動，使用者可抓緊扶手避免摔倒。旋轉(zhuǎn)圓盤機構(gòu)模型圖如圖7所示，利用螺紋桿、滑桿、連桿組合傳遞動力。

1.弧形滑槽；2.螺紋桿；3.軸承座；4.支撐柱；5.回轉(zhuǎn)支承連接座；6.圓盤；7.連桿；8.聯(lián)軸器；9.電機架；10.滑桿扶手；11.電機。

旋轉(zhuǎn)圓盤機構(gòu)示意圖如圖8所示，可知：

2＝32－(2p2＋p2) （4）

式中：2為旋轉(zhuǎn)圓盤機構(gòu)的自由度；2為桿件個數(shù)；p2為機構(gòu)中低副的個數(shù)；p2為機構(gòu)中高副的個數(shù)。

由圖可知：2＝9，p2＝12，p2＝2。

計算得：2＝1。

1/9.扶手滑塊；2/5/6/8.桿；3.螺紋桿；4/7.滑塊。

機構(gòu)運動方式：電機帶動螺紋桿轉(zhuǎn)動，螺紋桿帶動滑塊移動，滑塊驅(qū)動桿5、6運動，從而使圓盤旋轉(zhuǎn)，帶動人體旋轉(zhuǎn)。圓盤的旋轉(zhuǎn)帶動桿2、8的移動，使扶手滑塊沿著弧形滑槽移動，進(jìn)而實現(xiàn)圓盤和扶手的聯(lián)動。此機構(gòu)利用一個電機實現(xiàn)了圓盤的旋轉(zhuǎn)與扶手的移動，實現(xiàn)了自動化安檢，并提高了設(shè)備的安全性。

基于人機工程學(xué)原理對圓盤尺寸的適用性進(jìn)行檢驗。人體尺寸百分?jǐn)?shù)的選取原則與上述撐起機構(gòu)相同，大百分位數(shù)為男性的99，小百分位數(shù)選用女性的1。計算產(chǎn)品的最小功能尺寸和最大功能尺寸，為：

min＝(,1)＋f（5）

max＝(,99)＋f（6）

式中：min為產(chǎn)品的最小功能尺寸，mm；max為產(chǎn)品的最大功能尺寸，mm；(,1)表示1%的女性肩寬等于或小于此值，mm；(,99)表示99%的男性肩寬等于或小于此值，mm；f為肩寬修正量，mm。

根據(jù)人體尺寸表，有：(,1)＝304 mm；(,99)＝415 mm；f＝13 mm。

計算得：min＝317 mm，max＝428 mm。

對計算結(jié)果進(jìn)行圓整，得到調(diào)整范圍為310～430 mm。

旋轉(zhuǎn)圓盤直徑為500 mm，大于計算所得的產(chǎn)品的最大功能尺寸430 mm，故子裝備產(chǎn)品至少適用于99%的人。

旋轉(zhuǎn)圓盤底部配備有壓力傳感器對使用者進(jìn)行體重檢測，獲取使用者的體重數(shù)據(jù)，并存儲在后臺，方便后續(xù)進(jìn)行圓盤轉(zhuǎn)速以及消毒水噴灑量的計算。在使用結(jié)束后，會清理掉使用者的數(shù)據(jù)，以防數(shù)據(jù)外泄。旋轉(zhuǎn)圓盤會根據(jù)使用者的體重來調(diào)整圓盤的轉(zhuǎn)速，使用者還可利用圖9所示的APP調(diào)節(jié)圓盤轉(zhuǎn)速，讓使用者得到良好的體驗效果。

2.1.3 空間消毒機構(gòu)

子裝備的上方和母裝備的入口處均配備有空間消毒機構(gòu)對使用者進(jìn)行全方位的消毒?？臻g消毒機構(gòu)如圖10所示，其運動方式為：電機驅(qū)動錐齒輪轉(zhuǎn)動，錐齒輪帶動連桿轉(zhuǎn)動，通過傳動使消毒噴頭的行走軌跡為弧線，增大消毒面積，同時配合一個球面副讓消毒噴頭上下移動，實現(xiàn)對整體空間的全方位消毒?？臻g消毒機構(gòu)還可以根據(jù)使用者的身高調(diào)整上下移動的距離，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)消毒，提高消毒水的利用率。在子裝備中消毒完畢，即可進(jìn)入公共場所內(nèi)部；在母裝備入口消毒完畢，進(jìn)入母裝備內(nèi)部由醫(yī)護(hù)人員對體溫異常人員進(jìn)行醫(yī)治。

圖9 移動式雙子安檢站APP

1.導(dǎo)桿；2.消毒噴頭；3.球面副；4.連桿；5.電機；6.聯(lián)軸器；7.錐齒輪；8.軸承座。

為提高消毒裝置對使用者身體消毒的效率，需要消毒噴頭一邊旋轉(zhuǎn)一邊上下運動。為實現(xiàn)此功能，平臺上端部分設(shè)置有兩個消毒旋轉(zhuǎn)噴頭，電機通過兩個錐齒輪的變向傳動帶動兩個噴頭的主動桿件旋轉(zhuǎn)。通過球面副與主動桿件的結(jié)合，使得連接球副和主動桿的連接件在主動桿旋轉(zhuǎn)的同時，可以相對于從動桿上下移動，從而實現(xiàn)一個電機運動的同時消毒噴頭隨著主動桿一邊做旋轉(zhuǎn)運動一邊上下移動。噴頭上端設(shè)置有消毒水箱，通過軟管連接下端噴頭，從而使消毒噴頭可以長時間運作。

2.1.4 人體的智能化消毒

為了實現(xiàn)人體的智能化消毒，子裝備上安裝有壓力傳感器和距離傳感器，以控制消毒噴灑的區(qū)域范圍和消毒水的噴灑量。同時，考慮到部分人可能存在消毒水過敏，使用者還可以通過圖9所示的APP調(diào)整消毒水的噴灑量，或者不進(jìn)行消毒水的噴灑。

如圖11所示，子裝備兩側(cè)分別安裝有6個距離傳感器，用以大致測出使用者的身高區(qū)間。距離傳感器將使用者的身高分為0～0.3、0.3～0.6、0.6～0.9、0.9～1.2、1.2～1.5、1.5～1.8、1.8～2.1 m這7個區(qū)間段。當(dāng)人站上旋轉(zhuǎn)平臺后，身體會擋住傳感器發(fā)出的射線，從而觸發(fā)傳感器測出人體的身高區(qū)間段。例如，如圖11所示，一個身高為1.76 m的使用者在使用子裝備時，會觸發(fā)5個距離傳感器。傳感器被觸發(fā)后，后臺得到使用者的身高區(qū)間范圍，隨后空間消毒裝置會根據(jù)此區(qū)間調(diào)整消毒噴頭上下移動的距離，實現(xiàn)個體的差異化消毒，讓子裝備能夠給99%的使用者進(jìn)行消毒。

圖11 子裝備正視示意圖

當(dāng)使用者站上旋轉(zhuǎn)圓盤后，后臺會通過壓力傳感器自動獲取使用者的體重數(shù)據(jù)，并據(jù)此計算出使用時噴灑消毒水的噴灑量供使用者參考。計算過程為：

＝×（7）

式中：為消毒水噴灑量，kg；為使用者重量，kg；為消毒水噴灑量的估算系數(shù)，取0.3%。

例如，一個體重為60 kg的使用者站上旋轉(zhuǎn)圓盤后，后臺會計算出使用者的最佳消毒水噴灑量為0.18 kg。

計算出最佳消毒水噴灑量后，空間消毒裝置會開始進(jìn)行消毒水的噴灑。計算出的消毒水噴灑量僅為一個參考值，使用者可以根據(jù)自身需求選擇消毒水的實際噴灑量。

2.2 母裝備

母裝備的組成如圖12所示，其中，消毒區(qū)內(nèi)配備有空間消毒機構(gòu)，對進(jìn)入母裝備的使用者進(jìn)行消毒；伸長區(qū)可擴大母裝備容量，以容納更多人員；醫(yī)療區(qū)內(nèi)有醫(yī)護(hù)人員對體溫異常者進(jìn)行醫(yī)治。子裝備存儲于母裝備內(nèi)，一個母裝備可存儲6～9個子裝備。母裝備醫(yī)療站中部有伸縮機構(gòu)，拖運時僅為貨運車廂的三分之一，在工作場所展開后整個母裝備可由30 m3擴大至45 m3。母裝備用于收治子裝備安檢體溫異常人員，可進(jìn)行基本隔離及醫(yī)治。

雙子安檢站母裝備與子裝備配合，既能快速安檢，也能對體溫異常人員進(jìn)行醫(yī)治。

1.醫(yī)療區(qū)；2.伸長區(qū)；3.消毒區(qū)。

3 結(jié)論

移動式雙子安檢站，是集測溫消毒功能、快速安檢功能、疫情隔離功能、醫(yī)療救助功能于一體，用于大型集會活動的安檢防疫設(shè)備。其具有以下創(chuàng)新點：

（1）是一款集安檢與隔離醫(yī)治于一體的安檢設(shè)備。子裝備進(jìn)行快速安檢與消毒，母裝備對異常人員進(jìn)行隔離與醫(yī)治。

（2）子裝備方便運輸，實現(xiàn)了自動化安檢，無需安檢人員輔助，減輕了安檢人員的安檢壓力。旋轉(zhuǎn)圓盤機構(gòu)用一個電機實現(xiàn)了圓盤和扶手的聯(lián)動，增加設(shè)備安全性，便于對全身進(jìn)行安檢。多個傳感器和空間消毒裝置配合實現(xiàn)智能化消毒。

（3）母裝備充當(dāng)小型醫(yī)療站，對體溫異常人員進(jìn)行隔離與醫(yī)治。

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Innovative Design of a Mobile Twin Security Checkpoint

LIAO Xianxu，SUN Liangbo，TU Songlin，PENG Wenkai，QIN Hongcheng，LIU Wenzhao

(School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

In view of the shortcomings of the existing security inspection equipment, such as low degree of automation, simple function and restricted movement, an innovative design of a mobile twin security checkpoint was proposed. It is used for security inspection in scenarios such as isolation and medical treatment, and large gatherings. The mobile twin security checkpoint is divided into two parts: sub-equipment and parent equipment. Sub-equipment forms a security gate by supporting mechanism. Rotating disk mechanism cooperates with metal detector and space disinfection mechanism to automatically detect and disinfect people who pass through the device. Finally a infrared thermometer measures temperature. If the users’ temperature is normal, they can enter the public places. If high temperature is detected, people need to enter the parent equipment for medical treatment.

security checkpoint；rotating disk mechanism；supporting mechanism；space disinfection mechanism

TH11

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.008

1006-0316 (2022) 07-0047-07

2021-11-15

國家自然科學(xué)基金（51875418）

廖先旭（2000－），男，湖北隨州人，主要研究方向為機械創(chuàng)新設(shè)計，E-mail：1256729249@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，副教授，主要研究方向為機構(gòu)學(xué)、機械創(chuàng)新設(shè)計，E-mail：sunlb1979@163. com。