一種自動扶梯梳齒板安全檢測裝置*

霍紀德，陳銀輝，史子璐，張帥帥，楊椏菲，王玉琳

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

自動扶梯和自動人行道已逐漸成為人們生活中不可替代的交通運輸工具，國內市場對自動扶梯需求呈上升趨勢[1]。而現實生活中，由于自動扶梯梳齒板保護裝置失效引發的安全事故越來越多[2]，現有的梳齒板檢測技術操作方法相對復雜，對操作者技術要求較高且容易損壞自動扶梯的機械部件[3，4]。

目前，國內外關于自動扶梯安全檢測專用儀器的研究相對較少且不成熟。廣州奧的斯電梯有限公司的曹啟章等在研究時忽視了保證檢測過程穩定性等問題，有一定的局限性[5]。蔣儒浩等研發的檢測裝置[6，7]對于檢測時水平觸發模塊推板的強度要求較高，并且傳感器布置不方便，制造技術難度較大。廣東特檢院梁敏健團隊與何山團隊研制的自動扶梯梳齒板安全保護功能檢測系統和方法[8，9]不能實現位移的檢測，且沒有相應的數據共享功能，數據的可管理性較差。為此，本文研發了一種以模擬異物落入為設計原理的自動扶梯梳齒板安全保護檢測裝置，并進行了三組樣機的工作測試，試驗結果均滿足設計要求。本裝置可檢測梳齒板受力及位移距離，并可通過互聯網無線傳輸至移動終端，使電梯檢測維修更加便捷化、數字化和智能化。

1 自動扶梯梳齒板安全檢測裝置總體設計方案

圖1為梳齒板與梯級配合示意圖。

圖1 梳齒板與梯級配合示意圖

圖2為梳齒板安全檢測裝置總體方案，由觸發模塊、位移檢測模塊、嵌入式微控制模塊、數據管理模塊以及終端軟件管理模塊五個部分組成。

圖2 梳齒板安全檢測裝置總體方案

觸發模塊可模擬受害人或衣物等卷入梳齒板的場景，形成整體裝置測試記錄的基本力學條件，同時進行垂直與水平兩個方向上作用力的數據采集。位移檢測主要通過激光測距傳感器與觸發板相結合，實現梳齒板垂直和水平位移的測量。嵌入式微控制模塊依托于ARM系列高速微控制器，主要用于界面顯示管理、傳感器數據采集、數據處理和分析、數據運算輸出等。數據管理模塊主要用于檢測裝置和計算機的數據交換及處理分析測試記錄中的數據。終端軟件管理模塊主要用于將檢測數據傳送給檢測人員的終端移動設備，實現安全保護裝置檢測數據的智能化管理[10]。

2 檢測裝置的模塊設計

2.1 觸發模塊

觸發模塊包括豎直與水平兩觸發板，其結構如圖3所示。兩觸發板與梯級的配合如圖4所示。

圖3 觸發模塊結構示意圖

圖4 兩觸發板與梯級的配合示意圖

安裝時，只需將觸發板的齒狀底部與扶梯的齒狀踏面相嚙合即可，同時，將前端的擋板抵靠在梯級前側面上，即可完成觸發板的安裝。

2.1.1 垂直方向施力與垂直力檢測

將豎直觸發板按照圖4(a)方式安裝好后，手動開啟扶梯，隨著扶梯向梳齒板運動，豎直觸發板的楔形塊推動梳齒板向上移動，直至觸發安全保護裝置，使扶梯緊急停車，如圖5所示。

圖5 豎直觸發板觸發垂直移動的梳齒板

垂直力可以通過裝在楔形塊內的壓力傳感器進行測量，并傳輸給ARM控制器進行數據處理。楔形塊的坡度越小，其所受到的垂直分力就越大，越有利于垂直力的檢測,但坡度過小會增大楔形塊的尺寸，因此，應選擇合適的坡度。

2.1.2 水平方向施力與水平力檢測

當梳齒板水平受力時會產生水平方向的移動，如圖6所示，隨著扶梯運動的進行，若存在異物，將會推動水平觸發板逐漸向梳齒板靠近，并與梳齒板接觸，從而使其由于受力產生水平方向的位移，觸發停車動作開關使扶梯停止運行，避免意外發生。

圖6 水平觸發板觸發水平移動的梳齒板

在推板的條狀空間內部設置有壓力傳感器，當梳齒板抵靠到推板受力時，壓力傳感器可測出壓力的大小，并傳送給ARM微控制器，為后續處理收集數據。

2.2 位移檢測模塊

在梳齒板安裝板上安裝有激光測距儀，相應地在端蓋站板處安裝反光幕，使發出的激光能夠通過反光幕反射回傳感器。如圖7所示，進行位移檢測時，通過豎直觸發板或水平觸發板產生位移，激光測距儀捕捉水平和垂直兩方向位移，并送入ARM微控制器進行后續的數據處理。

圖7 位移檢測示意圖

2.3 嵌入式微控制模塊

本模塊主要包括嵌入式微控制系統、人—機界面管理、傳感器數據采集等[11]。嵌入式微控制模塊采用基于ARM CortexTM-M4為內核的STM32F4 MCU系列高性能微控制器，其在MCU實時控制功能與數字信號處理器(DSP)功能方面具有很好的優勢，在本設計中主要進行實時數據采集及數據處理。

本安全檢測裝置通過工業觸摸屏界面實現人-機交互。激光測距傳感器選用邦納公司的LE250型高精度激光傳感器；壓力傳感器選用國內生產的JHBN-M1微型稱重傳感器。

2.4 數據管理模塊

本安全檢測裝置與計算機之間采用USB傳輸接口以實現檢測過程中的數據交換，并通過計算機生成相應的檢測數據報告，包括異物卡嵌及觸發停車過程中特定的數據表格、曲線圖像和報告分析等項目。

2.5 終端軟件管理模塊

通過數據管理模塊對接收數據進行分析處理，反饋給扶梯檢測技術人員，使管理更為方便快捷。測試信息可通過互聯網進行傳輸，并實現手機、PC端軟件與云存儲對信息的同步存儲。還可通過對歷史數據的分析得到保護裝置的近期運行狀態，及時維護設備，保證扶梯的安全性與可靠性。

3 創新點與技術指標

3.1 創新點

與已有的相關研究相比，本團隊設計的安全檢測裝置的創新點體現在以下四個方面：

(1)適用范圍寬，可用于檢測自動扶梯/自動人行道梳齒板垂直與水平方向上移動。

(2)可將檢測數據通過網絡進行傳輸，實現人機交互精確管理。

(3)裝置結構簡單，成本較低，安全環保，安裝測試中不會對自動扶梯造成損壞。

(4)能為使用者帶來“保姆式”的工作體驗，操作快捷簡便，降低了檢測維修的技術門檻，實現了測試操作便捷化、數字化與智能化。

3.2 技術指標

本安全檢測裝置技術指標如下：

(1)梳齒板受力測量范圍為0～2 000 N，測力分辨率為0.1 N，測量誤差≤±2 N。

(2)梳齒板位移測量范圍為0～100 mm，位移測量分辨率為0.05 mm，測量誤差≤±0.15 mm。

(3)數據存儲容量為2 GB。

(4)可充電鋰電池容量為6 600 mAh。

4 檢測裝置測試結果

分別針對豎直觸發板和水平觸發板采用壓力機進行施力測試，結果表明樣機的測力精度可以控制在±1.5 N之內。采用美國邦納公司生產的高精度激光測距傳感器進行測位移精度的校準，得到誤差結果未超出±0.15 mm。可見，樣機的測力與測位移精度均滿足設計要求。隨后在一臺性能完好的扶梯上進行了30次梳齒板安全保護觸發試驗，結果均為有效觸發，且數據波動范圍不大，表明本裝置的精度較高。

5 結束語

梳齒板安全保護裝置的可靠性是自動扶梯出廠質量檢測、安全監督檢驗、設備定期核查的一個重要項目[12]。本文研發了一種基于ARM系列高速微控制器的自動扶梯梳齒板安全檢測裝置。其通過模擬異物落入梳齒板的場景，收集梳齒板在測試記錄中受力和位移的數據信息，實現對梳齒板安全保護動作開關靈活度的定量評價。本裝置可為自動扶梯的運行安全管理提供更加有效的檢測評估，減少安全事故的發生，并將為自動扶梯/自動人行道的制造行業、維保機構、產品質量監督機構和特種設備檢測機構等提供一種可靠的檢測設備，應用前景廣闊。