CN113299137B - 一种多维度安全帽打击体感实训装置 - Google Patents
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Abstract
一种多维度安全帽打击体感实训装置属于仿真电力教学培训装置技术领域，包括控制柜和实训模拟装置。所述实训模拟装置包括实训装置本体、实训空间进出允许闸机、水平面方向打击角度调节底盘、安全帽打击执行装置和打击状态数据同步显示单元。本发明采用打击执行单元沿半圆轨道往返运动，水平面方向打击角度调节底盘在水平方位载动人体进行360°旋转，从而实现安全帽三维半球体任意角度打击体验。打击执行单元是通过气压膨胀的原理推动打击阀对安全帽进行敲打，气压舱室的空间大小可调，从而实现不同的气压冲击力。本发明采用授权使用模式大大降低了实训装置的受损概率。
Description
技术领域
本发明属于仿真电力教学培训装置技术领域，特别是涉及到一种多维度安全帽打击体感实训装置。
背景技术
随着现代社会经济发展和电力能源的快速推广与普及，电力设施安装、运维施工愈加频繁。电力安全意识和安全作业行为的养成已成为当今电力行业及整个社会所面临的重要问题。当前电力系统安全行为培训实训室建设相对滞后，培训设施较为薄弱，缺乏直观、有效的安全行为养成培训体系和让学员身临其境的安全实训场所，制约了当前各电力部门安全培训工作的开展。在当前安全帽打击培训过程中学员不能直接感受高空坠物对人体的打击伤害，不能有效增强其佩戴安全帽的安全防护行为意识。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多维度安全帽打击体感实训装置用来解决在当前安全帽打击培训过程中学员不能直接感受高空坠物对人体的打击伤害不能有效增强其佩戴安全帽的安全防护行为意识的技术问题。
一种多维度安全帽打击体感实训装置，包括控制柜和实训模拟装置，所述实训模拟装置包括实训装置本体、实训空间进出允许闸机、水平面方向打击角度调节底盘、安全帽打击执行装置和打击状态数据同步显示单元；
所述实训装置本体的入口处设置有实训空间进出允许闸机，实训装置本体的内壁上安装有打击状态数据同步显示单元，实训装置本体的内顶部安装有安全帽打击执行装置，实训装置本体的内底部安装有供体验人员站立的水平面方向打击角度调节底盘；
所述安全帽打击执行装置包括支撑框架、升降电机、限位滑轮、半圆轨道、打击执行单元和移动电机；所述支撑框架位于实训装置本体的内部上侧，支撑框架的上部设置有螺杆并通过所述螺杆与升降电机连接，支撑框架的两侧均通过限位滑轮与实训装置本体的内侧壁滑动连接，支撑框架的内部固定安装有半圆轨道；所述打击执行单元的一侧安装有移动电机，打击执行单元通过移动电机沿半圆轨道移动；
所述打击执行单元包括壳体、高压出气孔、击打阀、阻尼元件、高压进气孔、气压缓冲仓调节杆、调节电机和调节齿轮组；所述壳体的内部包括打击仓和气压缓冲仓两个腔室，两个腔室之间设置有高压出气孔，壳体在气压缓冲仓的侧壁上设置有高压进气孔，壳体在打击仓的侧壁上设置有阻尼元件；所述击打阀的一端与高压出气孔接触，击打阀的另一端延伸至壳体的外部并且击打阀的另一端端面上设置有压力传感器；所述气压缓冲仓调节杆的一端通过密封圈与气压缓冲仓内壁连接，气压缓冲仓调节杆的另一端延伸至壳体的外部，气压缓冲仓调节杆的另一端外部设置有外螺纹；所述调节齿轮组包括同轴连接的大小两个齿轮，其中小齿轮的外齿轮与气压缓冲仓调节杆的外螺纹啮合连接，大齿轮的外齿轮与调节电机啮合连接；
所述水平面方向打击角度调节底盘通过铰链与减速电机连接；
所述控制柜包括设置有无线数据传输模块的电脑一体机，控制柜与远程PC主控机连接，控制柜分别与实训空间进出允许闸机、减速电机、升降电机、移动电机、调节电机、压力传感器以及打击状态数据同步显示单元连接。
所述实训空间进出允许闸机设置有人脸识别开闸模块。
所述实训装置本体的内部设置有扶手。
所述控制柜和实训模拟装置的电源均为市电，实训模拟装置的电源接入处设置有保护电路。
所述保护电路包括进线漏电开关、线路综合检测保护器和线路过载保护器。
所述线路综合检测保护器包括电流过载检测电路、漏电保护电路和线路熔断器。
所述实训装置本体上还设置有实训模式选择开关、升降手动调节旋钮、打击强度手动调节旋钮、打击垂直角度手动调节旋钮以及打击水平角度手动调节旋钮，实训模式选择开关、升降手动调节旋钮、打击强度手动调节旋钮、打击垂直角度手动调节旋钮以及打击水平角度手动调节旋钮分别与控制柜连接。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、实现多维度安全帽打击技术
本发明是一种多维度的安全帽打击体验实训装置，采用打击执行单元沿半圆轨道往返运动，水平面方向打击角度调节底盘在水平方位载动人体进行360°旋转，从而实现安全帽三维半球体任意角度打击体验。
2、实现打击强度可控的打击技术
本发明中安全帽的打击执行单元是通过气压膨胀的原理推动打击阀对安全帽进行敲打，而气压冲击强度主要通过调节电机、调节齿轮组调节气压缓冲仓调节杆的位置从而调节气压舱室的空间大小，从而实现不同的气压冲击力。
3、人员授权技术的应用
本发明采用授权使用模式，即只有通过授权认证人员才能够启动装置进行打击体验。授权认证方式采用人脸识别形式，即实训室负责人进行授权体验的人员在实训老师的监护下进行安全帽打击体验。本发明的应用在保护学员实训过程安全的前提下，同时也避免了实训设备遭受违规操作行为的发生，大大降低了实训装置的受损概率。
4、多模式的控制技术
本发明的控制方式可通过控制柜的本地按键或者实训装置本体上设置的旋钮进行三维立体的安全帽打击体验。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置的结构示意图。
图2为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置的使用状态结构示意图。
图3为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置的侧视结构示意图。
图4为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置中安全帽打击执行装置的运动轨迹示意图。
图5为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置中打击执行单元的结构示意图。
图6为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置中水平面方向打击角度调节底盘与减速电机的连接关系示意图。
图7为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置的电路连接框图。
图8为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置中电流过载检测电路的电路原理图。
图9为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置中漏电保护的电路原理图。
图10为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置中线路熔断器的电路原理图。
图11为本发明一种多维度安全帽打击体感实训装置中人脸识别开闸模块的认证原理框图。
图中，1-实训装置本体、2-实训空间进出允许闸机、3-水平面方向打击角度调节底盘、4-安全帽打击执行装置、5-打击状态数据同步显示单元、6-保护电路、101-扶手、301-减速电机、401-支撑框架、402-升降电机、403-限位滑轮、404-半圆轨道、405-打击执行单元、406-移动电机、4051-壳体、4052-高压出气孔、4053-击打阀、4054-阻尼元件、4055-高压进气孔、4056-气压缓冲仓调节杆、4057-调节电机、4058-调节齿轮组、4059-压力传感器。
具体实施方式
如图所示，一种多维度安全帽打击体感实训装置，包括控制柜和实训模拟装置，所述实训模拟装置包括实训装置本体1、实训空间进出允许闸机2、水平面方向打击角度调节底盘3、安全帽打击执行装置4和打击状态数据同步显示单元5；
所述实训装置本体1的入口处设置有实训空间进出允许闸机2，实训装置本体1的内壁上安装有打击状态数据同步显示单元5，实训装置本体1的内顶部安装有安全帽打击执行装置4，实训装置本体1的内底部安装有供体验人员站立的水平面方向打击角度调节底盘3；
所述安全帽打击执行装置4包括支撑框架401、升降电机402、限位滑轮403、半圆轨道404、打击执行单元405和移动电机406；所述支撑框架401位于实训装置本体1的内部上侧，支撑框架401的上部设置有螺杆并通过所述螺杆与升降电机402连接，支撑框架401的两侧均通过限位滑轮403与实训装置本体1的内侧壁滑动连接，支撑框架401的内部固定安装有半圆轨道404；所述打击执行单元405的一侧安装有移动电机406，打击执行单元405通过移动电机406沿半圆轨道404往返运动，实现打击执行单元405在垂直方向打击调节，其打击范围为与水平方向呈15°～165°；
所述打击执行单元405包括壳体4051、高压出气孔4052、击打阀4053、阻尼元件4054、高压进气孔4055、气压缓冲仓调节杆4056、调节电机4057和调节齿轮组4058；所述壳体4051的内部包括打击仓和气压缓冲仓两个腔室，两个腔室之间设置有高压出气孔4052，壳体4051在气压缓冲仓的侧壁上设置有高压进气孔4055，壳体4051在打击仓的侧壁上设置有阻尼元件4054；所述击打阀4053的一端与高压出气孔4052接触，击打阀4053的另一端延伸至壳体4051的外部并且击打阀4053的另一端端面上设置有压力传感器4059；所述气压缓冲仓调节杆4056的一端通过密封圈与气压缓冲仓内壁连接，气压缓冲仓调节杆4056的另一端延伸至壳体4051的外部，气压缓冲仓调节杆4056的另一端外部设置有外螺纹；所述调节齿轮组4058包括同轴连接的大小两个齿轮，其中小齿轮的外齿轮与气压缓冲仓调节杆4056的外螺纹啮合连接，大齿轮的外齿轮与调节电机4057啮合连接，通过调节气压缓冲仓调节杆的推进位置从而调节气压舱室的空间大小，从而实现不同的气压冲击力；
打击执行单元405的工作原理：首先由气动震动泵将高压气体通过高压进气孔4055注入气压缓冲仓，推动击打阀4053向前推动，击打阀4053的前端安装有压力传感器4059对打击的强度进行信息采集从而量化打击力度。阻尼元件4054防止击打阀4053往复震动；调节电机4057和调节齿轮组4058调节气压缓冲仓调节杆4056从而调节气压仓大小进而实现打击强度的调节。
所述水平面方向打击角度调节底盘3通过铰链与减速电机301连接，实现水平方向0°～359.9°打击角度的调节；
所述控制柜包括设置有无线数据传输模块的电脑一体机，电脑一体机内还安装有安全帽打击控制软件，控制柜与远程PC主控机连接，控制柜分别与实训空间进出允许闸机2、减速电机301、升降电机402、移动电机406、调节电机4057、压力传感器4059以及打击状态数据同步显示单元5连接。电脑一体机与实训模拟装置通过无线数据传输技术相连，然后通过人机交互软件对安全帽打击的方位、打击强度进行调节与设置，同时将实训模拟装置的上传感器采集的一系列打击数据以图文的形式呈现给控制人员。
所述实训空间进出允许闸机2设置有人脸识别开闸模块，非授权拒绝进入体验，体验结束闸机自动解禁放行。
所述实训装置本体1的内部设置有扶手101。
所述控制柜和实训模拟装置的电源均为市电，实训模拟装置的电源接入处设置有保护电路6。
所述保护电路6包括进线漏电开关、线路综合检测保护器和线路过载保护器。经实训装置进线漏电开关到线路综合检测保护器，然后经由线路过载保护器分配到实训装置各分支电路。主回路上还配置有监视仪表可实时采集主回路电压电流信息。
所述线路综合检测保护器包括电流过载检测电路、漏电保护电路和线路熔断器。
所述实训装置本体1上还设置有实训模式选择开关、升降手动调节旋钮、打击强度手动调节旋钮、打击垂直角度手动调节旋钮以及打击水平角度手动调节旋钮，实训模式选择开关、升降手动调节旋钮、打击强度手动调节旋钮、打击垂直角度手动调节旋钮以及打击水平角度手动调节旋钮分别与控制柜连接。实训模式选择开关在本地实训模式与远程控制实训模式之间进行选择。
具体的安全帽打击体验流程简介：
远程控制模式下实训流程：
体验实训人员打开实训装置电源开关，使实训装置的通讯单元、控制单元、直流电源模块上电，在实训模式选择开关上选择远程控制实训模式，然后远方实训状态指示灯点亮。远程PC主控机通过远程控制进行实训模拟装置的各执行单元的电源启停。安全帽打击执行装置4在升降电机402的带动下升至最高位，此时打击执行单元405自动回复至半圆轨道404的正上方，限位滑轮403进行限位并使支撑框架401保持平衡，安全帽打击体验人员通过实训空间进出允许闸机2的人脸识别系统进入体验位置，安全帽打击执行装置4整体下落直至打击执行单元405与体验人员的安全帽接触并且打击执行单元405下部的压力传感器4059感应的压力满足设定阈值，安全帽打击执行装置4下行停止。远程PC主控机设定水平面打击位置和垂直面打击位置,然后进行打击强度设定，水平面方向打击角度调节底盘3水平旋转至设定角度值、打击执行单元405沿半圆轨道404移动至设定角度值，打击执行单元405通过调节气压缓冲仓调节杆的推进位置进而达到设定的气压冲击力并进行打击体验。体验结束后，操作实训空间进出允许闸机2的出门门禁按钮开关走出打击体验区，打击体验结束。打击体验结束后可通过打击状态数据同步显示单元5和远程PC主控机的界面观测打击的相关数据。
本地控制模式下实训流程：
体验实训人员打开实训装置电源开关，使实训装置的通讯单元、控制单元、直流电源模块上电，在实训模式选择开关上选择本地实训模式，然后本地实训状态指示灯点亮。通过手动开关进行设备的执行单元的电源启停。安全帽打击执行装置4在升降电机402的带动下升至最高位，此时打击执行单元405自动回复至半圆轨道404的正上方，限位滑轮403进行限位并使支撑框架401保持平衡。操作实训空间进出允许闸机2的进门手动开关体验人员进入体验位置，升降手动调节旋钮调节使安全帽打击执行装置4整体下落直至打击执行单元405与体验人员的安全帽接触并感觉到明显压力。
打击强度手动调节旋钮、打击垂直角度手动调节旋钮以及打击水平角度手动调节旋钮依次手动旋转设定，按启动按钮，安全帽打击执行装置4的高度、水平面方向打击角度调节底盘3的旋转角度以及气压缓冲仓调节杆的推进位置均相应调整并进行打击体验。体验结束后操作出门门禁按钮开关走出打击体验区，打击体验结束。体验结束后，操作实训空间进出允许闸机2的出门门禁按钮开关走出打击体验区，打击体验结束。打击体验结束后可通过打击状态数据同步显示单元5观测打击的相关数据。
本实训装置的保护电路6如下：
1、装置配有总进线漏电空气开关：
该装置配有“C”型30mA的总漏电保护器对装置台体整体的总漏电进行检测，如有漏电现象发生时在不大于0.1s的时间内进行断电，最大程度的进行设备保护和降低操作人员的人身安全风险。
2、装置配备独自研发生产的线路综合检测保护器：
线路综合检测保护器既有过载检测功能；也有漏电检测功能；同时是具备报警控制输出和报警状态量输出的双输出功能，既满足报警控制输出需要又满足了报警状态量实时上传的需求，此外该线路综合检测保护器的报警检测的范围可以根据自己的需要进行动态的调整以便其可以适应于不同的应用场合。
电流过载检测电路：
如图8所示，根据电磁感应原理将通过检测磁环线圈CT6穿心电缆上通过的交流电流感应出相应幅值的电压信号，然后通过高精度可调电阻器R6调节漏电检测芯片LM54123的参考电压值，也就是过流检测的报警阀值。当穿心的电缆线上的实际电流大于所设定的参考电流的时候报警芯片LM54123即输出高电平，驱动相应的三级管T6动作，然后继电器JD3动作，JD3继电器动作后将报警信号GdBJ由原来的高电平直接拉至低电平，CPU处理器单片机通过检测到的GdBJ的变化信号上传到控制柜内的程控机，与此同时JD3继电器直接断开电源控制交流接触器KM1的线圈电源，使装置电源输出部分迅速掉电；然后程控机根据上传报警信号类型发出声、光报警提示。图8中，D6、D12、D18和D24均为二极管，R6、R12、R23、R24、R30和R36均为电阻，C6、C17、C18、C24、C35和C36均为电容，T6、T12为三级管，JD3为直流继电器，U6为集成电路，CT6为5A/5mA电流型互感器。
UI漏电保护部分原理：
如图9所示，漏电检测磁环线圈CT5通过检测穿心L、N电缆上电压电流矢量和的大小来判断是否存在漏电现象的，然后通过电阻R5(电位器)调节漏电检测芯片LM54123的参考电压值。当穿心的电缆线上电压电流矢量和的大于所设定的参考矢量和的时候，报警芯片LM54123即输出高电平，驱动相应的三级管T5动作，然后继电器JD5动作，JD5继电器动作后将报警信号LdBJ由原来的高电平直接拉至低电平，单片机将检测到的LdBJ的信号变化上传到控制柜内程控机，此时首先JD5继电器断开台体交流接触器的线圈电源，使装置输出部分掉电；同时程控机接到报警信号然后发出声光报警提示,漏电报警检测保护动作完成。图9中，D5、D11、D17和D23均为二极管，R5、R11、R21、R22、R29和R35均为电阻，C5、C15、C16、C23、C33和C34均为电容，T5、T11为三级管，JD5为直流继电器，U5为集成电路，CT5为5A/5mA电流型互感器。
3、线路熔断器保护：
线路熔断器保护实现如电气原理图10所示，主要由FU1～FU3三段快速熔断器组成，其中QF1为打开实训装置电源开关、JQ1为交流接触器、SA1为实训模式选择开关、SA2为升降手动调节旋钮、SA3为打击水平角度手动调节旋钮、SA4为打击垂直角度手动调节旋钮、SA5为打击强度手动调节旋钮，SB1执行单元的电源启停开关、SB2为停止按钮、SB3为打击体验按钮、KM3～KM10均为交流接触器，SQ1～SQ8均为限位开关，实训装置工作过程中主要监测主回路电流大小，当主回路电流异常时主动熔断熔丝切断电源保护设备安全。FU1为主回路线路熔断器，FU2为控制回路线路熔断器，主要保护控制回路的用电安全，当控制回路异常事件发生时主动切断电源保护设备其它模块的用电安全。FU3为电机主回路线路熔断器，主要保护电机主回路用电安全。FU4～FU7为各电机电源回路线路熔断器主要隔离某个电动机异常而导致的回路电流异常。同时线路熔断器的引用有效避免变压器过热导致的火灾隐患！
本实训装置主要实现功能如下：
1、基于人脸识别技术的实训模式的实现：
如图11所示基于人脸识别技术的授权实训方式主要实现功能如下
1)安全帽打击体感实训人员授权参与的实训规则；
2)安全帽打击实训人员参与过程记录功能；
3)实训授权认证与闸机进出的实现保证体验过程安全有序；
2、基于多维度安全帽打击实训功能的实现：
1)安全帽打击垂直高度根据体验者身高智能自动调节功能；
2)垂直平面安全打击15°～165°度范围内任意位置调节功能；
3)水平平面安全打击0°～360°范围内任意位置调节功能；
4)通过气压仓调节来实现打击力度变化的可变打击强度实训功能；
3、其它功能：
1)安全帽打击体验过程数据记录功能；
2)实训学员安全实训数据分析统计功能；
3)安全打击体验强度数据显示功能；
以上所述的仅是本实训装置的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实训装置整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实训装置的保护范围。
Claims (7)
1.一种多维度安全帽打击体感实训装置，其特征是：包括控制柜和实训模拟装置，所述实训模拟装置包括实训装置本体(1)、实训空间进出允许闸机(2)、水平面方向打击角度调节底盘(3)、安全帽打击执行装置(4)和打击状态数据同步显示单元(5)；
所述实训装置本体(1)的入口处设置有实训空间进出允许闸机(2)，实训装置本体(1)的内壁上安装有打击状态数据同步显示单元(5)，实训装置本体(1)的内顶部安装有安全帽打击执行装置(4)，实训装置本体(1)的内底部安装有供体验人员站立的水平面方向打击角度调节底盘(3)；
所述安全帽打击执行装置(4)包括支撑框架(401)、升降电机(402)、限位滑轮(403)、半圆轨道(404)、打击执行单元(405)和移动电机(406)；所述支撑框架(401)位于实训装置本体(1)的内部上侧，支撑框架(401)的上部设置有螺杆并通过所述螺杆与升降电机(402)连接，支撑框架(401)的两侧均通过限位滑轮(403)与实训装置本体(1)的内侧壁滑动连接，支撑框架(401)的内部固定安装有半圆轨道(404)；所述打击执行单元(405)的一侧安装有移动电机(406)，打击执行单元(405)通过移动电机(406)沿半圆轨道(404)移动；
所述打击执行单元(405)包括壳体(4051)、高压出气孔(4052)、击打阀(4053)、阻尼元件(4054)、高压进气孔(4055)、气压缓冲仓调节杆(4056)、调节电机(4057)和调节齿轮组(4058)；所述壳体(4051)的内部包括打击仓和气压缓冲仓两个腔室，两个腔室之间设置有高压出气孔(4052)，壳体(4051)在气压缓冲仓的侧壁上设置有高压进气孔(4055)，壳体(4051)在打击仓的侧壁上设置有阻尼元件(4054)；所述击打阀(4053)的一端与高压出气孔(4052)接触，击打阀(4053)的另一端延伸至壳体(4051)的外部并且击打阀(4053)的另一端端面上设置有压力传感器(4059)；所述气压缓冲仓调节杆(4056)的一端通过密封圈与气压缓冲仓内壁连接，气压缓冲仓调节杆(4056)的另一端延伸至壳体(4051)的外部，气压缓冲仓调节杆(4056)的另一端外部设置有外螺纹；所述调节齿轮组(4058)包括同轴连接的大小两个齿轮，其中小齿轮的外齿轮与气压缓冲仓调节杆(4056)的外螺纹啮合连接，大齿轮的外齿轮与调节电机(4057)啮合连接；
所述水平面方向打击角度调节底盘(3)通过铰链与减速电机(301)连接；
所述控制柜包括设置有无线数据传输模块的电脑一体机，控制柜与远程PC主控机连接，控制柜分别与实训空间进出允许闸机(2)、减速电机(301)、升降电机(402)、移动电机(406)、调节电机(4057)、压力传感器(4059)以及打击状态数据同步显示单元(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种多维度安全帽打击体感实训装置，其特征是：所述实训空间进出允许闸机(2)设置有人脸识别开闸模块。
3.根据权利要求1所述的一种多维度安全帽打击体感实训装置，其特征是：所述实训装置本体(1)的内部设置有扶手(101)。
4.根据权利要求1所述的一种多维度安全帽打击体感实训装置，其特征是：所述控制柜和实训模拟装置的电源均为市电，实训模拟装置的电源接入处设置有保护电路(6)。
5.根据权利要求4所述的一种多维度安全帽打击体感实训装置，其特征是：所述保护电路(6)包括进线漏电开关、线路综合检测保护器和线路过载保护器。
6.根据权利要求5所述的一种多维度安全帽打击体感实训装置，其特征是：所述线路综合检测保护器包括电流过载检测电路、漏电保护电路和线路熔断器。
7.根据权利要求1所述的一种多维度安全帽打击体感实训装置，其特征是：所述实训装置本体(1)上还设置有实训模式选择开关、升降手动调节旋钮、打击强度手动调节旋钮、打击垂直角度手动调节旋钮以及打击水平角度手动调节旋钮，实训模式选择开关、升降手动调节旋钮、打击强度手动调节旋钮、打击垂直角度手动调节旋钮以及打击水平角度手动调节旋钮分别与控制柜连接。
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