梁文森

摘 ?要：這是一個(gè)智能驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)介紹。隨行軌道裝置是行走于樓道上空的智能動(dòng)力裝置。它可以作為一種輔助人上樓下樓的輔助工具，可望作成“手提電梯” 進(jìn)入我們的日常生活。該裝置利用陀螺儀和加速度計(jì)在重力場(chǎng)中作為姿態(tài)傳感器，通過(guò)微型計(jì)算機(jī)、開(kāi)關(guān)電路和輪穀電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軌道裝置沿軌道對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感介面的跟蹤。運(yùn)動(dòng)傳感介面就是人與機(jī)器互動(dòng)的連結(jié)點(diǎn)，連結(jié)點(diǎn)分擔(dān)人的體重，同時(shí)傳達(dá)人的移動(dòng)信息，如駐步、慢行、快行。這樣，人就可以在較清的體重狀態(tài)下輕步上樓，又在減輕體重的狀態(tài)下平穩(wěn)下樓。在這個(gè)過(guò)程中，人仍然是每步行動(dòng)的主體，有能力步行的人就可以使用。

關(guān)健詞：隨行軌道裝置;樓道交通;姿態(tài)控制;運(yùn)動(dòng)介面;人工智能

中圖分類(lèi)號(hào)：TM384 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨行軌道裝置是一款可沿軌道跟隨人的動(dòng)向即時(shí)移動(dòng)的動(dòng)力裝置 。下面首先介紹隨行軌道裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1 輪轂電機(jī)

圖1是輪轂電機(jī)，電機(jī)輪轂擱在道軌3的軌頭上方。 A表示輪轂電機(jī)的心軸，在心軸A的一端懸掛擺桿5，擺桿標(biāo)示為A-B。擺桿下端 B在軌道的垂直投影面內(nèi)可繞懸掛端A小幅擺動(dòng)。擺桿內(nèi)安裝著控制器和動(dòng)力電池組?？刂破魇怯勺藨B(tài)傳感器、微型計(jì)算機(jī)和執(zhí)行電路組成的。心軸A固定于隨行軌道裝置的機(jī)架上部，同一側(cè)面機(jī)架下部固定著兩根同向平衡的導(dǎo)向輪軸，上面各安裝導(dǎo)向輪4。這樣，3根軸連為一體，構(gòu)成隨行軌道裝置的機(jī)架2。擺桿上端點(diǎn) B是吊掛重物的連結(jié)點(diǎn)，又是移動(dòng)信號(hào)的接受點(diǎn)。B點(diǎn)上可以?huà)旖Y(jié)使用者選用的各種輔助工具，例如攀扶用的手環(huán)、把柄和腋下托把等。輪轂電機(jī)的輪轂是隨行軌道裝置的驅(qū)動(dòng)輪，起支承和驅(qū)動(dòng)作用。輪轂外層包裹橡膠或聚酯材料制造的槽型輪胎面。輪子表面與道軌表面的計(jì)算的摩擦角需要大于45°，這樣，即使軌道在35°斜度運(yùn)行時(shí)，也不會(huì)打滑。驅(qū)動(dòng)輪支承隨行軌道裝置的自重和通過(guò)掛結(jié)點(diǎn)B傳遞人體重量并提供移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力或穩(wěn)定的剎車(chē)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)輪只受控制器的控制。

道軌呈工字形，軌頭橫截面為圓形;軌底橫面也是圓形。軌腰中部一面有翹板，用來(lái)連接支架以支撐道軌懸空敷設(shè)。軌道跟隨樓梯走向，在縱向和橫向轉(zhuǎn)折段需要有足夠的彎曲半徑，保證使3個(gè)槽輪通過(guò)彎道時(shí)輪子與道軌有適當(dāng)?shù)拈g隙，使隨行軌道裝置平穩(wěn)運(yùn)行。道軌通過(guò)固定支架懸于樓道上方距離步級(jí)約2.4 m高度敷設(shè)。2個(gè)導(dǎo)向輪可以防止隨行軌道裝置向側(cè)面傾斜，并在移動(dòng)過(guò)程中起導(dǎo)向作用，同時(shí)承擔(dān)驅(qū)動(dòng)過(guò)程機(jī)架的反向扭矩。擺桿是一柄管子，里面安放控制器和動(dòng)力電池組。 擺桿下端有能與攀扶工具掛結(jié)的裝置。擺桿在自由狀態(tài)下是向地面下垂的，此時(shí)AB連線與重力線重合。

2 隨行軌道裝置的使用

前述擺桿內(nèi)裝置陀螺儀和加速度計(jì)組成的慣性測(cè)量單元，可以檢測(cè)擺桿擺動(dòng)方向、擺動(dòng)角度和加速度，并以此作為跟隨移動(dòng)的解算依據(jù)。在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下設(shè)定慣性陀螺儀慣性軸線與重力方向一致的情況作為電機(jī)的剎車(chē)狀態(tài)，即使用者攀扶著站立不動(dòng)的狀態(tài)：一旦使用者起步移動(dòng)，掛結(jié)點(diǎn) B被觸動(dòng)偏移時(shí)，偏移的運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理并由開(kāi)關(guān)電路控制電機(jī)作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，隨行裝置追蹤移動(dòng)以維持陀螺儀軸線與重力方向一至，直觀上擺桿A 點(diǎn)即時(shí)對(duì) B點(diǎn)保持跟蹤。使用者通過(guò)掛結(jié)點(diǎn) B將部份身體重量傳給了隨行軌道裝置，從而減輕腳步承擔(dān)的重量。隨行軌道裝置跟隨使用者上樓或下樓，不管坡度如何變化、行走速變化都能即時(shí)跟隨。隨行軌道裝置可以沿軌道的2個(gè)方向移動(dòng)即可以協(xié)助上樓或下樓。隨行軌道裝置能在0.1 s時(shí)間內(nèi)對(duì)擺桿在1°角之內(nèi)的擺動(dòng)進(jìn)行跟蹤，這樣的響應(yīng)速度和靈敏度在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中感覺(jué)配合是流暢的。

試驗(yàn)中的第一感受是：上樓時(shí)感受到被牽著上行的輕快，而下樓時(shí)感覺(jué)被扶著一級(jí)一級(jí)平穩(wěn)往下放。上樓時(shí)，隨行軌道裝置接受人的移動(dòng)信息，只是B點(diǎn)被觸動(dòng)往前偏移，隨行軌道裝置即沿傾斜軌道往上移，人在往前移時(shí)被往上牽。這個(gè)過(guò)程可以作圖來(lái)理解，如圖2所示，X-Y是軌道投影面上水平坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)，驅(qū)動(dòng)輪在斜度為30°的軌道向上移動(dòng)，即人使用隨行軌道裝置上樓時(shí)，B點(diǎn)受觸動(dòng)向前擺一角度α，當(dāng)傳感器擺動(dòng)角度靈敏度在1°以?xún)?nèi)。α為0°～1°。起始時(shí)的狀態(tài)是A-B在沿垂?fàn)顟B(tài)，這時(shí)，A點(diǎn)和B點(diǎn)的X坐標(biāo)XA和XB是一致的，當(dāng)B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)擺動(dòng)α角至B'位置，隨行裝置跟隨移動(dòng)，即A沿30°升角移動(dòng)到A1，所以B點(diǎn)的移動(dòng)是B點(diǎn)繞A擺動(dòng)和隨A點(diǎn)移動(dòng)的疊加，即圖示B1位置。在A到達(dá)A1瞬間，A1和B1的X坐標(biāo)XA1和XB1是一致的，體現(xiàn)為A點(diǎn)對(duì)B點(diǎn)的跟隨。根據(jù)B點(diǎn)至B1點(diǎn)Y坐標(biāo)的變化，就可以知道人被牽往上行的過(guò)程。

下樓是另一種感受。在徒步情況下，下樓的難處在于：當(dāng)提腿邁步下樓時(shí)，只有另一條腿著地，這腿關(guān)節(jié)除了要支持身體重量，還要控制膝關(guān)節(jié)屈曲速度，使邁出的腳步不至于沖擊落地，這對(duì)于中老年人來(lái)說(shuō)特別難受。而在使用隨行軌道裝置的情況下，除了減輕體重，一步一步的下落速度是由使用者自身向前移動(dòng)的速度控制的。 試驗(yàn)時(shí)的感覺(jué)只是人被攙扶著一級(jí)一級(jí)平穩(wěn)地被往下放。應(yīng)用隨行軌道裝置時(shí)選擇適合自己的掛結(jié)方式才會(huì)有更好的效果，這涉及各人的體能和喜好。最簡(jiǎn)單的是直接把持隨行軌道裝置的擺桿，因?yàn)閿[桿本身就是一根管棒，表面涂上強(qiáng)吸附涂層，也可以?huà)旖Y(jié)一雙手環(huán)，如果需要減重更多，可以?huà)旖Y(jié)一雙托把，將其夾在腋下使用。另外，隨身行李和菜籃子可以吊掛在由A軸引出的重物掛鉤下面（圖1未有顯示）。隨行軌道裝置用在不同功能需要時(shí)可有不同的使用模式，但是無(wú)論任何模式，道軌都作為建筑物樓道的一種配置供居住者共同使用。在具體應(yīng)用時(shí)，可以有2類(lèi)使用模式。1）隨行軌裝置常設(shè)在樓梯間的道軌上作為公共使用設(shè)施。在這種情況下，需要配套相應(yīng)的調(diào)度系統(tǒng)和充電設(shè)施;需要相應(yīng)的日常公共管理和維護(hù)措施。2）隨行軌道裝置作為私人用具由使用者自備。上樓或下樓時(shí)只要將隨行軌道裝置扣到道軌上隨掛隨用，用畢自行取下、自行保管。作為個(gè)人用具的使用模式顯然省去各種配套設(shè)備和公共管理、更靈活和更易形成生態(tài)。隨行軌道裝置的驅(qū)動(dòng)過(guò)程是間歇負(fù)荷，間斷使用，而且每次使用時(shí)間不長(zhǎng)。因此，可以用更高的質(zhì)能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，運(yùn)用起來(lái)方便穩(wěn)妥。裝置向軌道掛扣穩(wěn)定可靠、解扣取出容易操作等都是基本要求。通過(guò)減重隨行的方法解決多層住宅上樓下樓的問(wèn)題，采用隨行軌道裝置有實(shí)在的使用功能、又有明確的應(yīng)用人群，還有4個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。1）設(shè)備簡(jiǎn)單輕便、容易使用，只要具有正常行動(dòng)能力的人都可以使用。2）軌道僅占用樓道的上空，不妨礙梯間的通道。3）使用者和隨行軌道裝置是通過(guò)運(yùn)動(dòng)界面發(fā)生聯(lián)系，沒(méi)有“乘搭”，沒(méi)有“裝載”，人始終腳踏實(shí)地，因此由于誤操作或設(shè)備故障引起的受傷機(jī)會(huì)大大減少。4）與箱式電梯相比較，隨行軌道裝置占用地盤(pán)建設(shè)電梯井;無(wú)須作為特種設(shè)備要由有資質(zhì)的部門(mén)進(jìn)行建設(shè);無(wú)須定期檢驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)人員監(jiān)控維護(hù)而且費(fèi)用高昂。5）使用隨行軌道裝置輔助上樓下樓將會(huì)引發(fā)一種健康的生態(tài)。據(jù)中、外許多權(quán)威專(zhuān)家的總結(jié)，要求人們注意30歲以后的”健康節(jié)點(diǎn)”，這些節(jié)點(diǎn)是指30歲以后膝關(guān)節(jié)開(kāi)始磨損;40歲后肌肉群會(huì)逐漸減少;50歲后骨質(zhì)密度會(huì)降低：60歲后摔倒的概率明顯增大。所以，建議從30歲開(kāi)始膝關(guān)節(jié)要省著點(diǎn)用了?？梢?jiàn)，徒手甚至攜重物爬樓梯對(duì)于大多數(shù)人都會(huì)造成傷害。許多中老年人受困于樓上深感出行不便，就是這個(gè)原因。隨行軌道裝置的使用過(guò)程相當(dāng)于一次臂膀伸展運(yùn)動(dòng)，日常有機(jī)會(huì)伸張胳膊、攀扶隨行、在減重狀態(tài)下上樓下樓對(duì)不同年齡的人都一樣有好處。隨行軌道裝置應(yīng)用在康復(fù)中心作為下肢理療、步行訓(xùn)練，或者安裝在特別的徒坡過(guò)道方以便于行人也有其應(yīng)用場(chǎng)景[1]。

3 開(kāi)發(fā)隨行軌道裝置的展望

未來(lái)，樓房建筑越來(lái)越高， 電梯技術(shù)已經(jīng)很成熟，還需要權(quán)衡其經(jīng)濟(jì)性與可行性。對(duì)于已建在用的樓房（據(jù)報(bào)導(dǎo)全國(guó)有250萬(wàn)道樓道待裝電梯）、尤其不具備空間安裝電梯的民居更難顧及。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)的分段踏板電梯、座椅電梯以及各式爬梯車(chē)等，許多熱心人士都在努力，但是由于種種原因，也不容易推廣?，F(xiàn)有可供選擇的方案中大多數(shù)都是以可“搭乘”為目標(biāo)，即對(duì)人體全承載。這樣的設(shè)備都免不了體積大而占用公共空間。

4 結(jié)語(yǔ)

該文所介紹隨行軌道裝置實(shí)驗(yàn)的思路是利用減重隨行方法輔助上樓下樓。今天不斷開(kāi)發(fā)的智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用為這一想法提供實(shí)現(xiàn)的可能。在減重隨行的過(guò)程中，人仍然是控制行動(dòng)、保持平衡的主體，自己步伐自己做主，人與機(jī)器有一種協(xié)調(diào)互動(dòng)的關(guān)系，而不會(huì)感覺(jué)器械纏身以至身不由己。展望隨行軌道裝置作為家用領(lǐng)域智能助力工具、以輕便的個(gè)人穿戴設(shè)備形式出現(xiàn)可能是進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)的可行途徑。無(wú)論是剪式樓道或螺旋樓道，只需要在樓道上方設(shè)置了輕型道軌，人們都可以隨時(shí)使用。未來(lái)隨行軌道裝置就像一柄智能電動(dòng)玩具，在商場(chǎng)可以買(mǎi)到。這時(shí)，隨行軌道將是樓道的一種配置，樓梯樓可以建10層或更高，但是樓梯樓不再令人生畏。

參考文獻(xiàn)

[1]杜思瑤. 電梯控制技術(shù)[J]. 科教導(dǎo)刊：電子版， 2015（6）：174.