一種移動式雙子安檢站的創新設計

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新設計

廖先旭，孫亮波*，涂松林，彭文凱，秦鴻程，劉文朝

（武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048）

針對現有安檢設備半自動化、功能相對單一、不便移動等缺點，設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、隔離醫治一體化的安檢設備。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形成安檢門供行人通過，旋轉圓盤機構配合金屬探測儀和空間消毒機構對使用者進行自動化金屬探測和消毒，最后由紅外測溫儀進行測溫。使用者體溫正常則可進入公共場所，若溫度過高則需進入母裝備，由醫護人員進行醫治。

安檢站；旋轉圓盤機構；撐起機構；空間消毒機構

對于事業單位、學校、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。目前國內市場上的部分安檢設備及其性能分析如表1、圖1所示[2-8]，盡管具備體溫監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，設計了一款集安檢與醫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行隔離醫治。

1 移動式雙子安檢站設計思路

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

該設計主體由母裝備醫療站、子裝備便攜式自動安檢門、旋轉平臺裝置、空間消毒裝置組成。子裝備對公共場所的入內人員進行快速消毒、體溫檢測和金屬探測，實現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行消毒，并由其內部配備的醫護人員進行醫治，起到隔離作用，以防對其他人員造成感染。母裝備還可進行擴展，以增加安檢站的容量。子、母裝備的配合實現了對公共場所入內人員的無人化快速安檢和對體溫異常人員的隔離與醫治，集安檢與醫治于一體。

表1 現有的安檢站性能分析

圖1 現有的安檢站

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，能為應對疫情突發時的快速反應及前期的防疫工作提供有效幫助。其整體設計具有功能多樣、操作方便、執行可靠等特點。

圖3 移動式雙子安檢站設計思路圖

2 功能分析與實現

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。使用時展開以實現安檢站的各種功能。子裝備內部結構如圖4所示。

1.上方空間消毒裝置；2.底部旋轉圓盤裝置；3.側面撐起裝置。

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

2.1.1 撐起機構

撐起機構位于子裝備的兩側，其作用一方面是保證折疊時撐起機構體積盡可能小，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為撐起機構的自由度；1為構件數；p1為機構中低副的個數；p1為機構中高副的個數。

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.導桿。

圖6 撐起機構示意圖

撐起機構的運動：由電機帶動連桿2轉動，連桿2在轉動的同時帶動下方的平行四桿機構運動，直至達到豎直狀態。連桿1與2的夾角初始為30°，豎直狀態下將變為120°。撐起機構上方的平行四桿機構與下方的平行四桿機構通過齒輪3、4連接，下方平行四桿機構運動至豎直狀態的同時，由齒輪傳動帶動上方的平行四桿機構至豎直狀態。兩個四桿機構都運動至豎直狀態后即形成一個通道供行人通過。

基于人機工程學原理驗證撐起機構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品，設計選擇人體尺寸百分數的一般原則，取大百分位數為男性的99，小百分位數選用女性的1，計算產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為產品的最小功能尺寸，mm；max為產品的最大功能尺寸，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。

對計算結果進行圓整，得到調整范圍為1470～1840 mm[9-11]。

撐起機構平行四桿部分短桿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的標準圓柱齒輪。撐起機構電機額定功率1 kW、額定轉速2500 r/min，電機接通正反轉，螺旋型夾持式聯軸器連接電機與嚙合齒輪本體。

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

2.1.2 旋轉圓盤機構

為實現安檢的無人化，進而提高安檢效率，子裝備的上方安裝有金屬探測裝置，下方有旋轉圓盤。人站上旋轉圓盤時，圓盤會帶動人進行旋轉，同時，金屬探測裝置對人的全身進行金屬探測。設計了圓盤與扶手的聯動機構，使兩旁扶手跟隨圓盤的旋轉而移動，使用者可抓緊扶手避免摔倒。旋轉圓盤機構模型圖如圖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.回轉支承連接座；6.圓盤；7.連桿；8.聯軸器；9.電機架；10.滑桿扶手；11.電機。

旋轉圓盤機構示意圖如圖8所示，可知：

2＝32－(2p2＋p2) （4）

式中：2為旋轉圓盤機構的自由度；2為桿件個數；p2為機構中低副的個數；p2為機構中高副的個數。

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。

機構運動方式：電機帶動螺紋桿轉動，螺紋桿帶動滑塊移動，滑塊驅動桿5、6運動，從而使圓盤旋轉，帶動人體旋轉。圓盤的旋轉帶動桿2、8的移動，使扶手滑塊沿著弧形滑槽移動，進而實現圓盤和扶手的聯動。此機構利用一個電機實現了圓盤的旋轉與扶手的移動，實現了自動化安檢，并提高了設備的安全性。

基于人機工程學原理對圓盤尺寸的適用性進行檢驗。人體尺寸百分數的選取原則與上述撐起機構相同，大百分位數為男性的99，小百分位數選用女性的1。計算產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為產品的最小功能尺寸，mm；max為產品的最大功能尺寸，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。

對計算結果進行圓整，得到調整范圍為310～430 mm。

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

旋轉圓盤底部配備有壓力傳感器對使用者進行體重檢測，獲取使用者的體重數據，并存儲在后臺，方便后續進行圓盤轉速以及消毒水噴灑量的計算。在使用結束后，會清理掉使用者的數據，以防數據外泄。旋轉圓盤會根據使用者的體重來調整圓盤的轉速，使用者還可利用圖9所示的APP調節圓盤轉速，讓使用者得到良好的體驗效果。

2.1.3 空間消毒機構

子裝備的上方和母裝備的入口處均配備有空間消毒機構對使用者進行全方位的消毒。空間消毒機構如圖10所示，其運動方式為：電機驅動錐齒輪轉動，錐齒輪帶動連桿轉動，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，實現對整體空間的全方位消毒。空間消毒機構還可以根據使用者的身高調整上下移動的距離，從而實現精準消毒，提高消毒水的利用率。在子裝備中消毒完畢，即可進入公共場所內部；在母裝備入口消毒完畢，進入母裝備內部由醫護人員對體溫異常人員進行醫治。

圖9 移動式雙子安檢站APP

1.導桿；2.消毒噴頭；3.球面副；4.連桿；5.電機；6.聯軸器；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一邊上下運動。為實現此功能，平臺上端部分設置有兩個消毒旋轉噴頭，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。通過球面副與主動桿件的結合，使得連接球副和主動桿的連接件在主動桿旋轉的同時，可以相對于從動桿上下移動，從而實現一個電機運動的同時消毒噴頭隨著主動桿一邊做旋轉運動一邊上下移動。噴頭上端設置有消毒水箱，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調整消毒水的噴灑量，或者不進行消毒水的噴灑。

如圖11所示，子裝備兩側分別安裝有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個區間段。當人站上旋轉平臺后，身體會擋住傳感器發出的射線，從而觸發傳感器測出人體的身高區間段。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5個距離傳感器。傳感器被觸發后，后臺得到使用者的身高區間范圍，隨后空間消毒裝置會根據此區間調整消毒噴頭上下移動的距離，實現個體的差異化消毒，讓子裝備能夠給99%的使用者進行消毒。

圖11 子裝備正視示意圖

當使用者站上旋轉圓盤后，后臺會通過壓力傳感器自動獲取使用者的體重數據，并據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，取0.3%。

例如，一個體重為60 kg的使用者站上旋轉圓盤后，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，消毒區內配備有空間消毒機構，對進入母裝備的使用者進行消毒；伸長區可擴大母裝備容量，以容納更多人員；醫療區內有醫護人員對體溫異常者進行醫治。子裝備存儲于母裝備內，一個母裝備可存儲6～9個子裝備。母裝備醫療站中部有伸縮機構，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，可進行基本隔離及醫治。

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行醫治。

1.醫療區；2.伸長區；3.消毒區。

3 結論

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、醫療救助功能于一體，用于大型集會活動的安檢防疫設備。其具有以下創新點：

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

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

（3）母裝備充當小型醫療站，對體溫異常人員進行隔離與醫治。

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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

國家自然科學基金（51875418）

廖先旭（2000－），男，湖北隨州人，主要研究方向為機械創新設計，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學、機械創新設計，E-mail：sunlb1979@163. com。