CN101235625A - 城市公交自动化无障碍站台 - Google Patents
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Abstract
城市公交自动化无障碍站台，属于机械自动化制造领域。该站台包括翻转导轨系统、剪叉升降系统、载人小车系统、PLC自动化控制系统。剪叉升降系统底座(12)与安装环境结合在一起；翻转导轨系统蜗轮轴(2)穿过剪叉升降系统的U形的顶座(7)的侧边孔；载人小车系统直接放置在U形顶座(7)上；当剪叉升降系统展开时，小车(17)在由顶座(7)和翻转导轨(1)构成的一个过道中前后移动；当剪叉升降系统折叠回收时，小车(17)被翻转导轨(1)所覆盖住，隐藏于剪叉升降系统之内。本发明机电结合，自动化程度高，操作简单方便。人性化设计，实现了多种的运动方式。实现了无障碍站台与公交车准确对接。在2008年奥运会上能直接应用。
Description
技术领域
城市公交自动化无障碍站台，属于机械自动化制造领域。
背景技术
目前国内外针对残疾人上下公交车的解决方法集中在研究设计“无障碍公交”和“车载系统”两大类上，但是这两大类的解决方向都有其局限性：
1、无障碍公交车存在以下问题：
A.无障碍公交车低底盘的通过性差
据悉，北京市第一条无障碍公交(北京站至西直门)底盘S高为170mm。但如此低的底盘，使得公交车的通过性存在很大问题，在实际运行过程中，很容易碰到石块或小坡，拖底现象不可避免。
B.无障碍公交车造价昂贵
由于汽车的整个底盘系统需要重新设计，造价非常昂贵。据统计，北京市第一辆无障碍公交车由京华客车有限责任公司制造，造价110万元人民币，约为国内豪华大客车价格(约50万)的2.2倍。
C.人力推动，操作复杂
由于残疾人需要乘务员来回推动上下车，动作复杂，耗时耗力，大大增加乘务员工作量。
2、无障碍车载系统
由于无障碍车载系统结构复杂，在国内很少有类似产品，主要集中在欧美等发达国家。以下几个基本问题限制了车载系统在国内的大量使用：
A.技术难度大，价格昂贵车载系统其基本原理是利用可控悬架调节车身倾斜，以改变车身底盘高度，方便残疾人上下车。由于需要改变整个底盘系统，同时加入结构复杂的可控悬架系统，技术难度大，造价非常昂贵，客车的价格达数百万。
B.车载系统的布置受到汽车本身空间的制约，空间布置难度大，容易产生与底盘空间布置以及日常使用机构的冲突。同时需要更改整个汽车车身的布置，成本大大增加。
C.电子控制系统复杂。
发明内容
针对以上各种系统存在的问题，我们尝试着提出一种新型的无障碍站台系统的概念。将无障碍系统从车上解放到站台上，充分利用站台充足的空间优势，同时由于不必对公交车进行任何改动，大大地节约了因为改变公交车结构所带来的巨大经济压力。由于一个系统可以用于所有的不同类型的公共汽车，适用范围非常广。据调查，国内外还没有类似的结构设计。
本发明要解决的任务即功能：
1、机构需要在站台上方便的安装，在满足残疾人使用的同时，又不妨碍普通人群的活动，机构与地面、公车之间须设置合理的接口，以方便使用；
2、机构须在动作过程中克服车与地面的相对位置差，实现其运送功能；
3、机构需要具备可适应性，以拓展其功用；
4、设计需要充分考虑残疾人的生理安全和心理安全；
5、机构操作步骤尽量方便、简捷。
为了实现我们预定的功能，我们将该系统分为四个子系统：
(1)剪叉升降系统
(2)翻转导轨系统
(3)载人小车系统
(4)PLC电控系统
根据以上的要求和方案，不难发现以下是实现机构功能的关键技术问题：
(1)剪叉升降系统既要保证能够实现需要的升降高度，又要能够保证上升下降到指定位置后稳定的停在该位置；
(2)翻转导轨系统要保证翻板在中间需要的位置能稳定的停住，以便进行后续的动作；
(3)载人小车系统需要匀速、平稳的传递动力；
(4)PLC电控系统需要通过遥控的形式控制机械系统，这样才能在实际应用的时候将遥控开关安装在车上来控制位于站台的机械系用。
为此我们进行了以下的设计。
城市公交自动化无障碍站台，该站台包括：
1)翻转导轨系统：由翻转导轨(1)、蜗轮(2)、蜗杆(3)、翻转电机(4)组成；
翻转电机(4)通过联轴节带动蜗杆(3)转动，蜗杆(3)带动蜗轮(2)转动，蜗轮(2)通过蜗轮轴再带动翻转导轨(1)做翻转运动；
2)剪叉升降系统：由剪叉杆上滑铰(5)、剪叉杆上滑轮(6)、剪叉杆下滑铰(8)、丝杠(9)、丝杠螺母(10)、升降电机(11)、顶座(7)、底座(12)、剪叉杆1(13)、剪叉杆2(14)，升降横推杆(20)组成；
升降电机(11)通过联轴节带动丝杠(9)绕轴向旋转，推动丝杠螺母(10)前后运动；
丝杠螺母(10)直接与升降横推杆(20)相连，推动升降横推杆(20)做前后运动；
升降横推杆(20)通过轴承与剪叉杆2(14)的下端孔相连，剪叉杆2(14)依靠在其下端设计的滑轮便可以在剪叉杆下滑铰(8)中做前后运动；
蜗杆(2)的轴穿过剪叉杆2(14)的上端孔，将其连接到顶座(7)上；剪叉杆2(14)的中部孔与剪叉杆1(13)的中部孔通过短轴连接在一起，二者可以绕着中部孔自由转动；
剪叉杆1(13)的下端通过轴承与底座(12)连接处连接，上端通过剪叉杆上滑轮(6)嵌套在底座(12)侧边的滑轨中，剪叉杆上滑轮(6)在剪叉杆上滑铰(5)中自由滑动；
这样，当丝杠螺母(10)前后运动时，便带动顶座(7)做升降运动；
3)载人小车系统：由链轮链条(15)、小车电机(16)、小车(17)、小车传动轴(18)、小车车轮(19)组成；
小车电机(16)固定在小车(17)上，其输出轴通过联轴节与链轮链条(15)的后链轮结合，后链轮再通过链轮链条(15)的链条便可以带动链轮链条(15)的前链轮转动，前链轮通过双等速万向节传动轴(18)带动小车(17)的动力轮(19)转动；小车电机转动驱动小车前进或者后退；
4)PLC自动化控制系统 所有驱动电机的动力线和控制线都接入PLC自动化控制系统的电控模块；PLC自动化控制系统采用PLC，对整个城市公交自动化无障碍站台运动过程进行自动控制；
所述剪叉升降系统下面的底座(12)与安装环境结合在一起；翻转导轨系统，其蜗轮轴(2)穿过剪叉升降系统的U形的顶座(7)的侧边孔，通过轴承与此侧边孔配合；同时，翻转导轨系统的翻转电机(4)直接通过螺栓固定在顶座(7)的外折边上；载人小车系统，直接放置在剪叉升降系统的U形的顶座(7)上，顶座(7)的两侧边能够容纳载人小车(17)；当剪叉升降系统展开时，小车(17)在由顶座(7)和翻转导轨(1)构成的一个过道中前后移动；当剪叉升降系统折叠回收时，小车(17)被翻转导轨(1)所覆盖住，隐藏于剪叉升降系统之内。
本发明的升降传动机构：
为了使升降机构能够带动机构其他部分上下运动，需要一个传动机构既能将动力传递给升降机构，还能实现减速的作用，又能完成自锁的功能。为此选择了丝杠螺母传动的结构，达到了一举三得的效果。方案原理如图1所示，图1为本发明升降传动机构原理示意图。电机与机架固连，丝杠和电机轴通过连轴节连接，丝杠采用轴承支撑，安装在机架上。由于螺母不能随丝杠一起转动，故而当电机驱动丝杠时，丝杠螺母将做水平运动，并通过两段固结其上的横推杆推动滑块，将动力传至升降机构，从而达到动力传输与安全并重的效果。
本发明的剪叉执行机构：
剪叉执行机构方案是以丝杠所驱动的滑块作为原动件，利用剪叉杆的两套曲柄滑块机构，实现了将平行运动转化为垂直运动的要求。图2所示为本发明剪叉执行机构原理示意图。
本发明的翻转导轨机构：
由于设计功能的要求，导轨需要连接机构与公交车，本发明采用大扭矩电机驱动蜗轮蜗杆减速器作为传动机构，其原理如图3所示，图3为本发明翻转导轨机构原理示意图。通过蜗轮蜗杆传递来的动力来实现导轨的翻转。该处主要是设计导轨与传动系统的接口，此处设计用方形轴孔配合来实现。同时，导轨的侧面设计限位的挡壁，以实现小车的导向和小车运行安全保证。导轨的前端设计搭爪机构，使得导轨能顺利与车搭接。
本发明的载人小车机构：
载人小车的设计功能是为了安全将轮椅送入车内，经过多种方案比较，本发明采用独立于系统运行的四轮小车作为实现机构功能的方案。载人小车机构原理如图4所示，图4本发明载人小车机构原理示意图。由图中可以看出，电机由链轮链条将动力输出到驱动半轴，从而带动小车主动轮，驱动小车运行。半轴采用双万向节传动。这主要是由于小车尺寸较大，采用刚性轴传动，两轮的同轴度很难保证。此方案是参照汽车等角速万向节传动机构原理提出的。所以有较好的稳定性。
根据设计任务完成的原理方案，最终做出了如图5所示的城市公交自动化无障碍站台机构模型。图5为本发明模型示意图。
本发明PLC电控系统：
智能化是社会发展的趋势，智能化控制不但可以减轻乘务员的工作负担，同时也可以让残疾人享受到正常人的待遇；另一方面，无障碍站台系统，作为面向2008年北京奥运会的一个体现社会对于残疾人关怀与爱心的系统，应该结合社会发展与科技的进步。
无障碍站台系统采用工业上应用最为普遍的PLC，对于整个运动过程进行自动的控制，乘务员只需要按动2个按钮，就可以将残疾人平稳的送到公交车内。
本发明采用PLC电控系统有以下几个特点：
(1)采用PLC自动控制，自动化程度高
(2)无线单点遥控与PLC自动控制相结合，扩大无障碍站台系统应用的普遍性，也为了适应各种随机的需求，达到各种状态的可调性。
(3)添加语音提示模块，体现人性化关怀。
以残疾人上车为例，下图显示残疾人上车的整个操作过程，其中系统上升，翻杆旋转至180度，翻杆搭板下降至车底板，小车前行，残疾人下车均为系统自动完成，无需乘务员进行任何操作，残疾人下车以及系统收回过程为该上车过程的逆过程。图6为本发明电控系统循环示意图。本系统采用限位行程开关判断各种运动位置，通过机械式的碰撞产生信号，驱动PLC进行操作。同时，为保证系统安全稳定，PLC控制程序利用逻辑先后控制，加有纠错功能，如果由于某些外部扰动，使得输入信号错乱，系统将拒绝执行操作。在运动过程中，如果出现任何异常情况，乘务员可以遥控切断PLC控制电源，然后利用遥控点动控制系统运动。图7本发明电控系统实物照片。
考虑到机构运行在公共场合，所以机构运行用的电器防护工作一定要做好，保证使用安全，为此需要对机构的电器部分外壳的电器防护等级进行选择。电器防护主要有两种形式：
(1)第一类防护型式：防止固体异物进入电器内部及防止人体触及内部的带电或运动部分的防护。该机构运行的环境是城市道路环境，灰尘与颗粒物计较多，故需要较高的防护等级。为此选择防护等级为5，能防止灰尘进入达到影响产品运行的程度，完全防止触及壳内带电或运动部分。
(2)第二类防护型式：防止水进入内部达到有害程度的防护。该机构机体部分埋在地坑中，故要预留排水通道，并且选择合适的防护等级。考虑的实际环境，选择防护等级为4，猛烈的海浪或强力喷水对产品应无有害的影响。
最终确定电器防护等级为IP54。
本发明：(1)机电结合，自动化程度高，操作简单方便。只需通过乘务员遥控控制无障碍站台系统运动，实现残疾人自动上车，操作简单，同时大大减小了乘务员的劳动量。
(2)设计细致，体现人性化关怀。本系统在上升时会自动伸出一个扶手，可以让残疾人在平台上的时候有所依靠，增强其心理安全感；另外，机构还设置有有语音提示模块。
(3)灵活运用机械结构的设计，实现了多种的运动方式。机械结构设计上，实现了“双重自锁”功能，保证系统稳定停在任意位置。
(4)在实现无障碍站台与公交车准确对接的问题上，提出了以下的解决方案：
1、通过灵活运用控制策略使其适应了不同地板高度的公交车；
2、通过折叠式前搭板的设计增大了系统运作的适应性；
3、通过停车位置识别装置给站台系统与公交车提供了较为精确的定位参考。
本发明在2008年奥运会上能直接应用。
附图说明
图1本发明升降传动机构原理示意图。
图2本发明剪叉执行机构原理示意图。
图3本发明翻转导轨机构原理示意图。
图4本发明载人小车机构原理示意图。
图5本发明模型示意图。
图6本发明电控系统循环示意图。
图7本发明电控系统实物照片。
图8本发明机械结构示意图。
图9本发明机械结构的主视图。
图10本发明机械结构的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图说明书本发明。
图8为本发明机械结构示意图。虚线所示为向下折叠的状态，实线所示为向外展开并升高的状态。其中，1-翻转导轨、2-蜗轮、3-蜗杆、4-翻转电机，5-剪叉杆上滑铰、6-剪叉杆上滑轮、8-剪叉杆下滑铰、9-丝杠、10-丝杠螺母、11-升降电机、13-剪叉杆1、14-剪叉杆2，20-升降横推杆。
图9本发明机械结构的主视图。其中，20升降横推杆21横向稳定杆。
图10本发明机械结构的俯视图。放大的地方为翻转铰接处的连接关系示意图。
城市公交自动化无障碍站台，包括四个部分：
1)翻转导轨系统：由翻转导轨(1)、蜗轮(2)、蜗杆(3)、翻转电机(4)组成；翻转电机(4)通过联轴节带动蜗杆(3)转动，蜗杆(3)带动蜗轮(2)转动，蜗轮(2)通过蜗轮轴再带动翻转导轨(1)做翻转运动；控制翻转电机转动的圈数，便可以控制翻转导轨(1)翻转的角度了。
2)剪叉升降系统：由剪叉杆上滑铰(5)、剪叉杆上滑轮(6)、剪叉杆下滑铰(8)、丝杠(9)、丝杠螺母(10)、升降电机(11)、顶座(7)、底座(12)、剪叉杆1(13)、剪叉杆2(14)，升降横推杆(20)组成；
升降电机(11)通过联轴节带动丝杠(9)绕轴向旋转，推动丝杠螺母(10)前后运动；丝杠螺母(10)直接与升降横推杆(20)相连，可以推动升降横推杆(20)做前后运动；升降横推杆(20)通过轴承与剪叉杆2(14)的下端孔相连，剪叉杆2(14)依靠在其下端设计的滑轮便可以在剪叉杆下滑铰(8)中做前后运动；蜗杆(2)的轴穿过剪叉杆2(14)的上端孔，将其连接到顶座(7)上；剪叉杆2(14)的中部孔与剪叉杆1(13)的中部孔通过短轴连接在一起，二者可以绕着中部孔自由转动；剪叉杆1(13)的下端通过轴承与底座(12)连接处连接，上端通过剪叉杆上滑轮(6)嵌套在底座(12)侧边的滑轨中，剪叉杆上滑轮(6)可以在剪叉杆上滑铰(5)中自由滑动；
这样，当丝杠螺母(10)前后运动时，带动顶座(7)做升降运动了。
3)载人小车系统：由链轮链条(15)、小车电机(16)、小车(17)、小车传动轴(18)、小车车轮(19)组成；
小车电机(16)固定在小车(17)上，其输出轴通过联轴节与链轮链条(15)的后链轮结合，后链轮再通过链轮链条(15)的链条便可以带动链轮链条(15)的前链轮转动，前链轮通过双等速万向节传动轴(18)带动小车(17)的动力轮(19)转动。
从而，当小车电机转动时，便可以驱动小车的前进或者后退。
4)PLC自动化控制系统。
剪叉升降系统下面的底座(12)应该与安装环境(地坑)牢固的结合在一起。翻转导轨系统，其蜗轮轴(2)穿过剪叉升降系统的U形的顶座(7)的侧边孔，通过轴承与此侧边孔配合。同时，翻转导轨系统的翻转电机(4)直接通过螺栓固定在顶座(7)的外折边上。载人小车系统，直接放置在剪叉升降系统的U形的顶座(7)上，顶座(7)的两侧边，应该在一定间隙要求下能够容纳载人小车(17)的宽度。当剪叉升降系统展开时，小车(17)可以在由顶座(7)和翻转导轨(1)构成的一个过道中前后移动；当剪叉升降系统折叠回收时，小车(17)可以刚好被翻转导轨(1)所覆盖住，隐藏于剪叉升降系统之内。
所有驱动电机的动力线和控制线都接入PLC自动化控制系统的电控模块，由其来做总体的控制。电控模块的按装可以根据现场的空间布置情况灵活处理。
(一)下表显示了各个部件的名称及其推荐采用的材料：
| 序号 | 代号 | 名称 | 数量 | 材料 | 备注 |
| 1 | ZT1 | 翻转导轨 | 1 | 强铝合金 | |
| 2 | ZT2 | 蜗轮 | 1 | 铝青铜 | |
| 3 | ZT3 | 蜗杆 | 1 | 45钢 | |
| 4 | ZT4 | 翻转电机 | 1 | 直流220V，40W | |
| 5 | ZT5 | 剪叉杆上滑铰 | 2 | Q235-A | II型钢 |
| 6 | ZT6 | 剪叉杆上滑轮 | 2 | 6003轴承 | |
| 7 | ZT7 | 顶座 | 1 | 热轧钢板 | 板金加工 |
| 8 | ZT8 | 剪叉杆下滑铰 | 2 | Q235-A | 热轧角钢 |
| 9 | ZT9 | 丝杠 | 1 | 45钢 | |
| 10 | ZT10 | 丝杠螺母 | 1 | 青铜 | |
| 11 | ZT11 | 升降电机 | 1 | 直流220V，20W | |
| 12 | ZT12 | 底座 | 1 | Q235-A | 热轧角钢 |
| 13 | ZT13 | 剪叉杆1 | 2 | 方钢管20*40 | |
| 14 | ZT14 | 剪叉杆2 | 2 | 方钢管20*40 | |
| 15 | ZT15 | 链轮链条 | 1 | GB/T 3579-1983 | |
| 16 | ZT16 | 小车电机 | 1 | 直流220V，15W | |
| 17 | ZT17 | 小车 | 1 | 热轧钢板 | 板金加工 |
| 18 | ZT18 | 小车传动轴 | 1 | 传动总成 | |
| 19 | ZT19 | 小车车轮 | 4 | 尼龙6 | |
| 20 | ZT20 | 升降横推杆 | 2 | 45钢 | |
| 21 | ZT21 | 横向稳定杆 | 2 | 45钢 |
(二)产品使用操作与说明
该产品安装在公交站台上，在站台上挖出一个合适的地坑，无障碍站台系统的上平面和地面在统一水平面上，其他机构安装在地坑中。在残疾人需要上车时，由司机或售票员进行操作，操作又手动和半自动两种模式，使用时以半自动模式为主，在运动不理想的时候可以采用手动模式进行微调，操作步骤如下：
半自动模式：
手动模式：
使用说明：1、在使用该系统时请不要频繁的控制电机启动停止，以免损坏电机；
2、在手动控制时，请注意机构运动到位，避免错误的控制顺序；
3、使用者在站台系统上时请保持稳定，减少不必要的晃动，从而减小系统的动载荷。
4、公交司机请按标志线停车，保证站台系统的顺利使用。
Claims (1)
1. 城市公交自动化无障碍站台，其特征在于，该站台包括：
1)翻转导轨系统：由翻转导轨(1)、蜗轮(2)、蜗杆(3)、翻转电机(4)组成；
翻转电机(4)通过联轴节带动蜗杆(3)转动，蜗杆(3)带动蜗轮(2)转动，蜗轮(2)通过蜗轮轴再带动翻转导轨(1)做翻转运动；
2)剪叉升降系统：由剪叉杆上滑铰(5)、剪叉杆上滑轮(6)、剪叉杆下滑铰(8)、丝杠(9)、丝杠螺母(10)、升降电机(11)、顶座(7)、底座(12)、剪叉杆1(13)、剪叉杆2(14)，升降横推杆(20)组成；
升降电机(11)通过联轴节带动丝杠(9)绕轴向旋转，推动丝杠螺母(10)前后运动；
丝杠螺母(10)直接与升降横推杆(20)相连，推动升降横推杆(20)做前后运动；
升降横推杆(20)通过轴承与剪叉杆2(14)的下端孔相连，剪叉杆2(14)依靠在其下端设计的滑轮在剪叉杆下滑铰(8)中做前后运动；
蜗杆(2)的轴穿过剪叉杆2(14)的上端孔，将其连接到顶座(7)上；
剪叉杆2(14)的中部孔与剪叉杆1(13)的中部孔通过短轴连接在一起，二者可以绕着中部孔自由转动；
剪叉杆1(13)的下端通过轴承与底座(12)连接处连接，上端通过剪叉杆上滑轮(6)嵌套在底座(12)侧边的滑轨中，剪叉杆上滑轮(6)在剪叉杆上滑铰(5)中自由滑动；
这样，当丝杠螺母(10)前后运动时便带动顶座(7)做升降运动了；
3)载人小车系统：由链轮链条(15)、小车电机(16)、小车(17)、小车传动轴(18)、小车车轮(19)组成；
小车电机(16)固定在小车(17)上，其输出轴通过联轴节与链轮链条(15)的后链轮结合，后链轮再通过链轮链条(15)的链条便可以带动链轮链条(15)的前链轮转动，前链轮通过双等速万向节传动轴(18)带动小车(17)的动力轮(19)转动；小车电机转动驱动小车前进或者后退；
4)PLC自动化控制系统 所有驱动电机的动力线和控制线都接入PLC自动化控制系统的电控模块；PLC自动化控制系统采用PLC，对整个城市公交自动化无障碍站台运动过程进行自动控制；
所述剪叉升降系统下面的底座(12)与安装环境结合在一起；翻转导轨系统蜗轮轴(2)穿过剪叉升降系统的U形的顶座(7)的侧边孔，通过轴承与此侧边孔配合；翻转导轨系统的翻转电机(4)固定在顶座(7)的外折边上；载人小车系统直接放置在剪叉升降系统的U形的顶座(7)上，顶座(7)的两侧边能够容纳载人小车(17)；当剪叉升降系统展开时，小车(17)在由顶座(7)和翻转导轨(1)构成的一个过道中前后移动；当剪叉升降系统折叠回收时，小车(17)被翻转导轨(1)所覆盖住，隐藏于剪叉升降系统之内。
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