廖先旭，孫亮波，涂松林，彭文凱，秦鴻程，劉文朝

一種移動(dòng)式雙子安檢站的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

針對(duì)現(xiàn)有安檢設(shè)備半自動(dòng)化、功能相對(duì)單一、不便移動(dòng)等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)式雙子安檢站，其是一款用于大型集會(huì)活動(dòng)安檢、隔離醫(yī)治一體化的安檢設(shè)備。移動(dòng)式雙子安檢站分為子裝備和母裝備兩個(gè)部分。子裝備通過(guò)撐起機(jī)構(gòu)形成安檢門(mén)供行人通過(guò)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)機(jī)構(gòu)配合金屬探測(cè)儀和空間消毒機(jī)構(gòu)對(duì)使用者進(jìn)行自動(dòng)化金屬探測(cè)和消毒，最后由紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫。使用者體溫正常則可進(jìn)入公共場(chǎng)所，若溫度過(guò)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(pán)機(jī)構(gòu)；撐起機(jī)構(gòu)；空間消毒機(jī)構(gòu)

對(duì)于事業(yè)單位、學(xué)校、體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、商場(chǎng)等流動(dòng)人員較大的場(chǎng)所，人員出入管理及防疫檢測(cè)[1]十分重要。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(cè)以及殺菌消毒等功能，但在實(shí)際人員出入管理中，仍存在效率低、體溫檢測(cè)精度不高、檢疫過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款集安檢與醫(yī)治于一身的移動(dòng)式雙子安檢站，其包括母裝備和子裝備。子裝備便于運(yùn)輸，具有體溫測(cè)量、噴灑消毒、金屬探測(cè)等功能，母裝備具有噴灑消毒功能，并可對(duì)體溫異常人員進(jìn)行隔離醫(yī)治。

1 移動(dòng)式雙子安檢站設(shè)計(jì)思路

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

該設(shè)計(jì)主體由母裝備醫(yī)療站、子裝備便攜式自動(dòng)安檢門(mén)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)裝置、空間消毒裝置組成。子裝備對(duì)公共場(chǎng)所的入內(nèi)人員進(jìn)行快速消毒、體溫檢測(cè)和金屬探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了安檢過(guò)程的無(wú)人化，減輕安檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。母裝備對(duì)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(duì)其他人員造成感染。母裝備還可進(jìn)行擴(kuò)展，以增加安檢站的容量。子、母裝備的配合實(shí)現(xiàn)了對(duì)公共場(chǎng)所入內(nèi)人員的無(wú)人化快速安檢和對(duì)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(dòng)式雙子安檢站三維模型渲染圖

一套移動(dòng)式雙子安檢站體積僅為貨運(yùn)車(chē)廂的三分之一，能為應(yīng)對(duì)疫情突發(fā)時(shí)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(jì)具有功能多樣、操作方便、執(zhí)行可靠等特點(diǎn)。

圖3 移動(dòng)式雙子安檢站設(shè)計(jì)思路圖

2 功能分析與實(shí)現(xiàn)

2.1 子裝備

子裝備整體尺寸為1200 mm×850 mm×370 mm（長(zhǎng)×寬×高），可存儲(chǔ)于母裝備內(nèi)部，隨母裝備運(yùn)輸或單獨(dú)運(yùn)輸。運(yùn)輸過(guò)程中，子裝備為折疊狀態(tài)。使用時(shí)展開(kāi)以實(shí)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(pán)裝置；3.側(cè)面撐起裝置。

子裝備使用過(guò)程：將子裝備取出放置于公共場(chǎng)所入口處，通過(guò)撐起機(jī)構(gòu)展開(kāi)形成一個(gè)安檢門(mén)供行人通過(guò)。使用者站上旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)后握緊兩旁的扶手，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)人一起旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，上方的紅外攝像頭對(duì)使用者進(jìn)行體溫檢測(cè)以及人臉識(shí)別登記，空間消毒機(jī)構(gòu)對(duì)使用者進(jìn)行快速消毒，金屬探測(cè)儀器對(duì)使用者進(jìn)行金屬探測(cè)。使用者體溫檢測(cè)正常后即可進(jìn)入公共場(chǎng)所內(nèi)部。

2.1.1 撐起機(jī)構(gòu)

撐起機(jī)構(gòu)位于子裝備的兩側(cè)，其作用一方面是保證折疊時(shí)撐起機(jī)構(gòu)體積盡可能小，另一方面保證安檢門(mén)完全展開(kāi)時(shí)有充足的高度和寬度。撐起機(jī)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(jī)構(gòu)的自由度；1為構(gòu)件數(shù)；p1為機(jī)構(gòu)中低副的個(gè)數(shù)；p1為機(jī)構(gòu)中高副的個(gè)數(shù)。

由圖可知：1＝6，p1＝8，p1＝1。

計(jì)算得：1＝1。

1.電機(jī)；2.電機(jī)架；3.錐齒輪；4.齒輪；5.導(dǎo)桿。

圖6 撐起機(jī)構(gòu)示意圖

撐起機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)：由電機(jī)帶動(dòng)連桿2轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿2在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)下方的平行四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，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(jī)構(gòu)上方的平行四桿機(jī)構(gòu)與下方的平行四桿機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪3、4連接，下方平行四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至豎直狀態(tài)的同時(shí)，由齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)上方的平行四桿機(jī)構(gòu)至豎直狀態(tài)。兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)都運(yùn)動(dòng)至豎直狀態(tài)后即形成一個(gè)通道供行人通過(guò)。

基于人機(jī)工程學(xué)原理驗(yàn)證撐起機(jī)構(gòu)展開(kāi)后形成的安檢門(mén)高度是否合理。由于移動(dòng)式雙子安檢站的子裝備為男女通用的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算得：min＝1474 mm，max＝1839 mm。

對(duì)計(jì)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(jī)構(gòu)平行四桿部分短桿1＝0.2 m，長(zhǎng)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(jī)構(gòu)電機(jī)額定功率1 kW、額定轉(zhuǎn)速2500 r/min，電機(jī)接通正反轉(zhuǎn)，螺旋型夾持式聯(lián)軸器連接電機(jī)與嚙合齒輪本體。

撐起機(jī)構(gòu)展開(kāi)形成的安檢門(mén)高度為2.1 m，大于計(jì)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(pán)機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)安檢的無(wú)人化，進(jìn)而提高安檢效率，子裝備的上方安裝有金屬探測(cè)裝置，下方有旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)。人站上旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)時(shí)，圓盤(pán)會(huì)帶動(dòng)人進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，金屬探測(cè)裝置對(duì)人的全身進(jìn)行金屬探測(cè)。設(shè)計(jì)了圓盤(pán)與扶手的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使兩旁扶手跟隨圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)，使用者可抓緊扶手避免摔倒。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)機(jī)構(gòu)模型圖如圖7所示，利用螺紋桿、滑桿、連桿組合傳遞動(dòng)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(pán)；7.連桿；8.聯(lián)軸器；9.電機(jī)架；10.滑桿扶手；11.電機(jī)。

旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)機(jī)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(pán)機(jī)構(gòu)的自由度；2為桿件個(gè)數(shù)；p2為機(jī)構(gòu)中低副的個(gè)數(shù)；p2為機(jī)構(gòu)中高副的個(gè)數(shù)。

由圖可知：2＝9，p2＝12，p2＝2。

計(jì)算得：2＝1。

1/9.扶手滑塊；2/5/6/8.桿；3.螺紋桿；4/7.滑塊。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式：電機(jī)帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋桿帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，滑塊驅(qū)動(dòng)桿5、6運(yùn)動(dòng)，從而使圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)人體旋轉(zhuǎn)。圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)桿2、8的移動(dòng)，使扶手滑塊沿著弧形滑槽移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圓盤(pán)和扶手的聯(lián)動(dòng)。此機(jī)構(gòu)利用一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)與扶手的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化安檢，并提高了設(shè)備的安全性。

基于人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)圓盤(pán)尺寸的適用性進(jìn)行檢驗(yàn)。人體尺寸百分?jǐn)?shù)的選取原則與上述撐起機(jī)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(jì)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(jì)算得：min＝317 mm，max＝428 mm。

對(duì)計(jì)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(pán)直徑為500 mm，大于計(jì)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(pán)底部配備有壓力傳感器對(duì)使用者進(jìn)行體重檢測(cè)，獲取使用者的體重?cái)?shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在后臺(tái)，方便后續(xù)進(jìn)行圓盤(pán)轉(zhuǎn)速以及消毒水噴灑量的計(jì)算。在使用結(jié)束后，會(huì)清理掉使用者的數(shù)據(jù)，以防數(shù)據(jù)外泄。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)會(huì)根據(jù)使用者的體重來(lái)調(diào)整圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速，使用者還可利用圖9所示的APP調(diào)節(jié)圓盤(pán)轉(zhuǎn)速，讓使用者得到良好的體驗(yàn)效果。

2.1.3 空間消毒機(jī)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(jī)構(gòu)對(duì)使用者進(jìn)行全方位的消毒?？臻g消毒機(jī)構(gòu)如圖10所示，其運(yùn)動(dòng)方式為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)使消毒噴頭的行走軌跡為弧線，增大消毒面積，同時(shí)配合一個(gè)球面副讓消毒噴頭上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體空間的全方位消毒。空間消毒機(jī)構(gòu)還可以根據(jù)使用者的身高調(diào)整上下移動(dòng)的距離，從而實(shí)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(chǎng)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(duì)體溫異常人員進(jìn)行醫(yī)治。

圖9 移動(dòng)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(jī)；6.聯(lián)軸器；7.錐齒輪；8.軸承座。

為提高消毒裝置對(duì)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(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)此功能，平臺(tái)上端部分設(shè)置有兩個(gè)消毒旋轉(zhuǎn)噴頭，電機(jī)通過(guò)兩個(gè)錐齒輪的變向傳動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)噴頭的主動(dòng)桿件旋轉(zhuǎn)。通過(guò)球面副與主動(dòng)桿件的結(jié)合，使得連接球副和主動(dòng)桿的連接件在主動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，可以相對(duì)于從動(dòng)桿上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)消毒噴頭隨著主動(dòng)桿一邊做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一邊上下移動(dòng)。噴頭上端設(shè)置有消毒水箱，通過(guò)軟管連接下端噴頭，從而使消毒噴頭可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作。

2.1.4 人體的智能化消毒

為了實(shí)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(shí)，考慮到部分人可能存在消毒水過(guò)敏，使用者還可以通過(guò)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(gè)距離傳感器，用以大致測(cè)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(gè)區(qū)間段。當(dāng)人站上旋轉(zhuǎn)平臺(tái)后，身體會(huì)擋住傳感器發(fā)出的射線，從而觸發(fā)傳感器測(cè)出人體的身高區(qū)間段。例如，如圖11所示，一個(gè)身高為1.76 m的使用者在使用子裝備時(shí)，會(huì)觸發(fā)5個(gè)距離傳感器。傳感器被觸發(fā)后，后臺(tái)得到使用者的身高區(qū)間范圍，隨后空間消毒裝置會(huì)根據(jù)此區(qū)間調(diào)整消毒噴頭上下移動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)個(gè)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(pán)后，后臺(tái)會(huì)通過(guò)壓力傳感器自動(dòng)獲取使用者的體重?cái)?shù)據(jù)，并據(jù)此計(jì)算出使用時(shí)噴灑消毒水的噴灑量供使用者參考。計(jì)算過(guò)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(gè)體重為60 kg的使用者站上旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)后，后臺(tái)會(huì)計(jì)算出使用者的最佳消毒水噴灑量為0.18 kg。

計(jì)算出最佳消毒水噴灑量后，空間消毒裝置會(huì)開(kāi)始進(jìn)行消毒水的噴灑。計(jì)算出的消毒水噴灑量?jī)H為一個(gè)參考值，使用者可以根據(jù)自身需求選擇消毒水的實(shí)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(jī)構(gòu)，對(duì)進(jìn)入母裝備的使用者進(jìn)行消毒；伸長(zhǎng)區(qū)可擴(kuò)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(duì)體溫異常者進(jìn)行醫(yī)治。子裝備存儲(chǔ)于母裝備內(nèi)，一個(gè)母裝備可存儲(chǔ)6～9個(gè)子裝備。母裝備醫(yī)療站中部有伸縮機(jī)構(gòu)，拖運(yùn)時(shí)僅為貨運(yùn)車(chē)廂的三分之一，在工作場(chǎng)所展開(kāi)后整個(gè)母裝備可由30 m3擴(kuò)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(duì)體溫異常人員進(jìn)行醫(yī)治。

1.醫(yī)療區(qū)；2.伸長(zhǎng)區(qū)；3.消毒區(qū)。

3 結(jié)論

移動(dòng)式雙子安檢站，是集測(cè)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(huì)活動(dòng)的安檢防疫設(shè)備。其具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（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(duì)異常人員進(jìn)行隔離與醫(yī)治。

（2）子裝備方便運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化安檢，無(wú)需安檢人員輔助，減輕了安檢人員的安檢壓力。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)機(jī)構(gòu)用一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了圓盤(pán)和扶手的聯(lián)動(dòng)，增加設(shè)備安全性，便于對(duì)全身進(jìn)行安檢。多個(gè)傳感器和空間消毒裝置配合實(shí)現(xiàn)智能化消毒。

（3）母裝備充當(dāng)小型醫(yī)療站，對(duì)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(guó)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?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，E-mail：1256729249@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門(mén)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，E-mail：sunlb1979@163. com。