一种移动式双子安检站的创新设计

廖先旭，孙亮波，涂松林，彭文凯，秦鸿程，刘文朝

一种移动式双子安检站的创新设计

廖先旭，孙亮波*，涂松林，彭文凯，秦鸿程，刘文朝

（武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048）

针对现有安检设备半自动化、功能相对单一、不便移动等缺点，设计了一款移动式双子安检站，其是一款用于大型集会活动安检、隔离医治一体化的安检设备。移动式双子安检站分为子装备和母装备两个部分。子装备通过撑起机构形成安检门供行人通过，旋转圆盘机构配合金属探测仪和空间消毒机构对使用者进行自动化金属探测和消毒，最后由红外测温仪进行测温。使用者体温正常则可进入公共场所，若温度过高则需进入母装备，由医护人员进行医治。

安检站；旋转圆盘机构；撑起机构；空间消毒机构

对于事业单位、学校、体育运动场、商场等流动人员较大的场所，人员出入管理及防疫检测[1]十分重要。目前国内市场上的部分安检设备及其性能分析如表1、图1所示[2-8]，尽管具备体温监测以及杀菌消毒等功能，但在实际人员出入管理中，仍存在效率低、体温检测精度不高、检疫过程劳动强度大等问题。

针对以上问题，设计了一款集安检与医治于一身的移动式双子安检站，其包括母装备和子装备。子装备便于运输，具有体温测量、喷洒消毒、金属探测等功能，母装备具有喷洒消毒功能，并可对体温异常人员进行隔离医治。

1 移动式双子安检站设计思路

该移动式双子安检站的三维模型如图2所示，设计思路如图3所示，子装备展开后即可进行防疫工作。

该设计主体由母装备医疗站、子装备便携式自动安检门、旋转平台装置、空间消毒装置组成。子装备对公共场所的入内人员进行快速消毒、体温检测和金属探测，实现了安检过程的无人化，减轻安检人员的劳动强度。母装备对体温异常人员进行消毒，并由其内部配备的医护人员进行医治，起到隔离作用，以防对其他人员造成感染。母装备还可进行扩展，以增加安检站的容量。子、母装备的配合实现了对公共场所入内人员的无人化快速安检和对体温异常人员的隔离与医治，集安检与医治于一体。

表1 现有的安检站性能分析

图1 现有的安检站

图2 移动式双子安检站三维模型渲染图

一套移动式双子安检站体积仅为货运车厢的三分之一，能为应对疫情突发时的快速反应及前期的防疫工作提供有效帮助。其整体设计具有功能多样、操作方便、执行可靠等特点。

图3 移动式双子安检站设计思路图

2 功能分析与实现

2.1 子装备

子装备整体尺寸为1200 mm×850 mm×370 mm（长×宽×高），可存储于母装备内部，随母装备运输或单独运输。运输过程中，子装备为折叠状态。使用时展开以实现安检站的各种功能。子装备内部结构如图4所示。

1.上方空间消毒装置；2.底部旋转圆盘装置；3.侧面撑起装置。

子装备使用过程：将子装备取出放置于公共场所入口处，通过撑起机构展开形成一个安检门供行人通过。使用者站上旋转圆盘后握紧两旁的扶手，旋转圆盘会自动旋转并带动人一起旋转。在旋转过程中，上方的红外摄像头对使用者进行体温检测以及人脸识别登记，空间消毒机构对使用者进行快速消毒，金属探测仪器对使用者进行金属探测。使用者体温检测正常后即可进入公共场所内部。

2.1.1 撑起机构

撑起机构位于子装备的两侧，其作用一方面是保证折叠时撑起机构体积尽可能小，另一方面保证安检门完全展开时有充足的高度和宽度。撑起机构模型图和示意图如图5、图6所示。由图6可知：

1＝31－(2p1＋p1) （1）

式中：1为撑起机构的自由度；1为构件数；p1为机构中低副的个数；p1为机构中高副的个数。

由图可知：1＝6，p1＝8，p1＝1。

计算得：1＝1。

1.电机；2.电机架；3.锥齿轮；4.齿轮；5.导杆。

图6 撑起机构示意图

撑起机构的运动：由电机带动连杆2转动，连杆2在转动的同时带动下方的平行四杆机构运动，直至达到竖直状态。连杆1与2的夹角初始为30°，竖直状态下将变为120°。撑起机构上方的平行四杆机构与下方的平行四杆机构通过齿轮3、4连接，下方平行四杆机构运动至竖直状态的同时，由齿轮传动带动上方的平行四杆机构至竖直状态。两个四杆机构都运动至竖直状态后即形成一个通道供行人通过。

基于人机工程学原理验证撑起机构展开后形成的安检门高度是否合理。由于移动式双子安检站的子装备为男女通用的产品，设计选择人体尺寸百分数的一般原则，取大百分位数为男性的99，小百分位数选用女性的1，计算产品的最小功能尺寸和最大功能尺寸，为：

min＝(,1)＋f（2）

max＝(,99)＋f（3）

式中：min为产品的最小功能尺寸，mm；max为产品的最大功能尺寸，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为穿鞋修正量，mm。

根据人体尺寸表，有：(,1)＝1449 mm，(,99)＝1814 mm，f＝25 mm。

计算得：min＝1474 mm，max＝1839 mm。

对计算结果进行圆整，得到调整范围为1470～1840 mm[9-11]。

撑起机构平行四杆部分短杆1＝0.2 m，长杆2＝0.9 m，两杆夹角为30°，中间部分为直径0.1 m的标准圆柱齿轮。撑起机构电机额定功率1 kW、额定转速2500 r/min，电机接通正反转，螺旋型夹持式联轴器连接电机与啮合齿轮本体。

撑起机构展开形成的安检门高度为2.1 m，大于计算所得的产品的最大功能尺寸1.84 m，故子装备产品至少可适用于99%的人。

2.1.2 旋转圆盘机构

为实现安检的无人化，进而提高安检效率，子装备的上方安装有金属探测装置，下方有旋转圆盘。人站上旋转圆盘时，圆盘会带动人进行旋转，同时，金属探测装置对人的全身进行金属探测。设计了圆盘与扶手的联动机构，使两旁扶手跟随圆盘的旋转而移动，使用者可抓紧扶手避免摔倒。旋转圆盘机构模型图如图7所示，利用螺纹杆、滑杆、连杆组合传递动力。

1.弧形滑槽；2.螺纹杆；3.轴承座；4.支撑柱；5.回转支承连接座；6.圆盘；7.连杆；8.联轴器；9.电机架；10.滑杆扶手；11.电机。

旋转圆盘机构示意图如图8所示，可知：

2＝32－(2p2＋p2) （4）

式中：2为旋转圆盘机构的自由度；2为杆件个数；p2为机构中低副的个数；p2为机构中高副的个数。

由图可知：2＝9，p2＝12，p2＝2。

计算得：2＝1。

1/9.扶手滑块；2/5/6/8.杆；3.螺纹杆；4/7.滑块。

机构运动方式：电机带动螺纹杆转动，螺纹杆带动滑块移动，滑块驱动杆5、6运动，从而使圆盘旋转，带动人体旋转。圆盘的旋转带动杆2、8的移动，使扶手滑块沿着弧形滑槽移动，进而实现圆盘和扶手的联动。此机构利用一个电机实现了圆盘的旋转与扶手的移动，实现了自动化安检，并提高了设备的安全性。

基于人机工程学原理对圆盘尺寸的适用性进行检验。人体尺寸百分数的选取原则与上述撑起机构相同，大百分位数为男性的99，小百分位数选用女性的1。计算产品的最小功能尺寸和最大功能尺寸，为：

min＝(,1)＋f（5）

max＝(,99)＋f（6）

式中：min为产品的最小功能尺寸，mm；max为产品的最大功能尺寸，mm；(,1)表示1%的女性肩宽等于或小于此值，mm；(,99)表示99%的男性肩宽等于或小于此值，mm；f为肩宽修正量，mm。

根据人体尺寸表，有：(,1)＝304 mm；(,99)＝415 mm；f＝13 mm。

计算得：min＝317 mm，max＝428 mm。

对计算结果进行圆整，得到调整范围为310～430 mm。

旋转圆盘直径为500 mm，大于计算所得的产品的最大功能尺寸430 mm，故子装备产品至少适用于99%的人。

旋转圆盘底部配备有压力传感器对使用者进行体重检测，获取使用者的体重数据，并存储在后台，方便后续进行圆盘转速以及消毒水喷洒量的计算。在使用结束后，会清理掉使用者的数据，以防数据外泄。旋转圆盘会根据使用者的体重来调整圆盘的转速，使用者还可利用图9所示的APP调节圆盘转速，让使用者得到良好的体验效果。

2.1.3 空间消毒机构

子装备的上方和母装备的入口处均配备有空间消毒机构对使用者进行全方位的消毒。空间消毒机构如图10所示，其运动方式为：电机驱动锥齿轮转动，锥齿轮带动连杆转动，通过传动使消毒喷头的行走轨迹为弧线，增大消毒面积，同时配合一个球面副让消毒喷头上下移动，实现对整体空间的全方位消毒。空间消毒机构还可以根据使用者的身高调整上下移动的距离，从而实现精准消毒，提高消毒水的利用率。在子装备中消毒完毕，即可进入公共场所内部；在母装备入口消毒完毕，进入母装备内部由医护人员对体温异常人员进行医治。

图9 移动式双子安检站APP

1.导杆；2.消毒喷头；3.球面副；4.连杆；5.电机；6.联轴器；7.锥齿轮；8.轴承座。

为提高消毒装置对使用者身体消毒的效率，需要消毒喷头一边旋转一边上下运动。为实现此功能，平台上端部分设置有两个消毒旋转喷头，电机通过两个锥齿轮的变向传动带动两个喷头的主动杆件旋转。通过球面副与主动杆件的结合，使得连接球副和主动杆的连接件在主动杆旋转的同时，可以相对于从动杆上下移动，从而实现一个电机运动的同时消毒喷头随着主动杆一边做旋转运动一边上下移动。喷头上端设置有消毒水箱，通过软管连接下端喷头，从而使消毒喷头可以长时间运作。

2.1.4 人体的智能化消毒

为了实现人体的智能化消毒，子装备上安装有压力传感器和距离传感器，以控制消毒喷洒的区域范围和消毒水的喷洒量。同时，考虑到部分人可能存在消毒水过敏，使用者还可以通过图9所示的APP调整消毒水的喷洒量，或者不进行消毒水的喷洒。

如图11所示，子装备两侧分别安装有6个距离传感器，用以大致测出使用者的身高区间。距离传感器将使用者的身高分为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这7个区间段。当人站上旋转平台后，身体会挡住传感器发出的射线，从而触发传感器测出人体的身高区间段。例如，如图11所示，一个身高为1.76 m的使用者在使用子装备时，会触发5个距离传感器。传感器被触发后，后台得到使用者的身高区间范围，随后空间消毒装置会根据此区间调整消毒喷头上下移动的距离，实现个体的差异化消毒，让子装备能够给99%的使用者进行消毒。

图11 子装备正视示意图

当使用者站上旋转圆盘后，后台会通过压力传感器自动获取使用者的体重数据，并据此计算出使用时喷洒消毒水的喷洒量供使用者参考。计算过程为：

＝×（7）

式中：为消毒水喷洒量，kg；为使用者重量，kg；为消毒水喷洒量的估算系数，取0.3%。

例如，一个体重为60 kg的使用者站上旋转圆盘后，后台会计算出使用者的最佳消毒水喷洒量为0.18 kg。

计算出最佳消毒水喷洒量后，空间消毒装置会开始进行消毒水的喷洒。计算出的消毒水喷洒量仅为一个参考值，使用者可以根据自身需求选择消毒水的实际喷洒量。

2.2 母装备

母装备的组成如图12所示，其中，消毒区内配备有空间消毒机构，对进入母装备的使用者进行消毒；伸长区可扩大母装备容量，以容纳更多人员；医疗区内有医护人员对体温异常者进行医治。子装备存储于母装备内，一个母装备可存储6～9个子装备。母装备医疗站中部有伸缩机构，拖运时仅为货运车厢的三分之一，在工作场所展开后整个母装备可由30 m3扩大至45 m3。母装备用于收治子装备安检体温异常人员，可进行基本隔离及医治。

双子安检站母装备与子装备配合，既能快速安检，也能对体温异常人员进行医治。

1.医疗区；2.伸长区；3.消毒区。

3 结论

移动式双子安检站，是集测温消毒功能、快速安检功能、疫情隔离功能、医疗救助功能于一体，用于大型集会活动的安检防疫设备。其具有以下创新点：

（1）是一款集安检与隔离医治于一体的安检设备。子装备进行快速安检与消毒，母装备对异常人员进行隔离与医治。

（2）子装备方便运输，实现了自动化安检，无需安检人员辅助，减轻了安检人员的安检压力。旋转圆盘机构用一个电机实现了圆盘和扶手的联动，增加设备安全性，便于对全身进行安检。多个传感器和空间消毒装置配合实现智能化消毒。

（3）母装备充当小型医疗站，对体温异常人员进行隔离与医治。

[1]吴芾，陈立，刘一丹，等. 疫情期间高校返校工作信息化实践与思考[J]. 新型工业化，2020，10（9）：163-167.

[2]刘一丹，陈立，吴芾，等. 企业微信在高校疫情防控中的应用研究[J]. 新型工业化，2020，10（9）：147-150.

[3]曾宪翔. 智能防疫通道装置性能检测与分析[J]. 广州建筑，2020，48（4）：12-15.

[4]刘斌，孟志强，刘溢溥. 疫情环境下的安检设备新变化[J]. 机电产品开发与创新，2020，33（6）：36-38.

[5]丁兆威. 中国成为世界安检设备市场的一支劲旅[J]. 中国公共安全，2018（9）：16-22.

[6]王月雅. 重点下游应用市场防爆安检需求提升[J]. 中国安防，2013（4）：55-58.

[7]崔锦，胡斌，李娜，等. 安检设备市场的产品发展与趋势分析[J]. 中国安防，2013（4）：59-63.

[8]张轩，张平. 一种新型机场旅客无感安检系统设计[J]. 机械，2021，48（5）：61-67.

[9]魏续峰，鲁婉婷，卞豪豪，等. 基于人机工程学的老年康复轮椅研究[J]. 机械设计，2020，37（S2）：20-22.

[10]茅益花，范宏誉，田保珍. 基于人机工程学装载机驾驶室设计研究[J]. 工程机械，2021，52（11）：48-53，9-10.

[11]曹馨颖，白宇，王坤. 基于人机工程学的爬楼辅助电动轮椅设计研究[J]. 工业设计，2021（8）：29-31.

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

国家自然科学基金（51875418）

廖先旭（2000－），男，湖北随州人，主要研究方向为机械创新设计，E-mail：1256729249@qq.com。*通讯作者：孙亮波（1979－），男，湖北天门人，博士，副教授，主要研究方向为机构学、机械创新设计，E-mail：sunlb1979@163. com。