随行轨道装置

梁文森

摘  要：这是一个智能驱动应用的实验介绍。随行轨道装置是行走于楼道上空的智能动力装置。它可以作为一种辅助人上楼下楼的辅助工具，可望作成“手提电梯” 进入我们的日常生活。该装置利用陀螺仪和加速度计在重力场中作为姿态传感器，通过微型计算机、开关电路和轮穀电机的驱动，从而实现轨道装置沿轨道对运动传感介面的跟踪。运动传感介面就是人与机器互动的连結点，连结点分担人的体重，同时传达人的移动信息，如驻步、慢行、快行。这样，人就可以在较清的体重状态下轻步上楼，又在减轻体重的状态下平稳下楼。在这个过程中，人仍然是每步行动的主体，有能力步行的人就可以使用。

关健词：随行轨道裝置;楼道交通;姿态控制;运动介面;人工智能

中图分类号：TM384   文献标志码：A

0 引言

随行轨道装置是一款可沿轨道跟随人的动向即时移动的动力装置 。下面首先介绍随行轨道装置的机械结构。

1 轮毂电机

图1是轮毂电机，电机轮毂搁在道轨3的轨头上方。 A表示轮毂电机的心轴，在心轴A的一端悬挂摆杆5，摆杆标示为A-B。摆杆下端 B在轨道的垂直投影面内可绕悬挂端A小幅摆动。摆杆内安装着控制器和动力电池组。控制器是由姿态传感器、微型计算机和执行电路组成的。心轴A固定于随行轨道装置的机架上部，同一侧面机架下部固定着两根同向平衡的导向轮轴，上面各安装导向轮4。这样，3根轴连为一体，构成随行轨道装置的机架2。摆杆上端点 B是吊掛重物的连结点，又是移动信号的接受点。B点上可以挂结使用者选用的各种辅助工具，例如攀扶用的手环、把柄和腋下托把等。轮毂电机的轮毂是随行轨道装置的驱动轮，起支承和驱动作用。轮毂外层包裹橡胶或聚酯材料制造的槽型轮胎面。轮子表面与道轨表面的计算的摩擦角需要大于45°，这样，即使轨道在35°斜度运行时，也不会打滑。驱动轮支承随行轨道装置的自重和通过挂结点B传递人体重量并提供移动的驱动力或稳定的刹车状态，驱动轮只受控制器的控制。

道轨呈工字形，轨头横截面为圆形;轨底横面也是圆形。轨腰中部一面有翘板，用来连接支架以支撑道轨悬空敷设。轨道跟随楼梯走向，在纵向和横向转折段需要有足够的弯曲半径，保证使3个槽轮通过弯道时轮子与道轨有适当的间隙，使随行轨道装置平稳运行。道轨通过固定支架悬于楼道上方距离步级约2.4 m高度敷设。2个导向轮可以防止随行轨道装置向侧面倾斜，并在移动过程中起导向作用，同时承担驱动过程机架的反向扭矩。摆杆是一柄管子，里面安放控制器和动力电池组。 摆杆下端有能与攀扶工具挂结的裝置。摆杆在自由状态下是向地面下垂的，此时AB连线与重力线重合。

2 随行轨道装置的使用

前述摆杆内装置陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元，可以检测摆杆摆动方向、摆动角度和加速度，并以此作为跟随移动的解算依据。在开机状态下设定惯性陀螺仪惯性轴线与重力方向一致的情况作为电机的刹车状态，即使用者攀扶着站立不动的状态：一旦使用者起步移动，掛结点 B被触动偏移时，偏移的运动信息经计算机处理并由开关电路控制电机作相应的旋转，随行装置追踪移动以维持陀螺仪轴线与重力方向一至，直观上摆杆A 点即时对 B点保持跟踪。使用者通过挂结点 B将部份身体重量传给了随行轨道装置，从而减轻脚步承担的重量。随行轨道装置跟随使用者上楼或下楼，不管坡度如何变化、行走速变化都能即時跟随。随行轨道装置可以沿轨道的2个方向移动即可以协助上楼或下楼。随行轨道装置能在0.1 s时间内对摆杆在1°角之内的摆动进行跟踪，这样的响应速度和灵敏度在实验过程中感觉配合是流畅的。

试验中的第一感受是：上楼时感受到被牵着上行的轻快，而下楼时感觉被扶着一级一级平稳往下放。上楼时，随行轨道装置接受人的移动信息，只是B点被触动往前偏移，随行轨道装置即沿倾斜轨道往上移，人在往前移时被往上牵。这个过程可以作图来理解，如图2所示，X-Y是轨道投影面上水平坐标和垂直坐标，驱动轮在斜度为30°的轨道向上移动，即人使用随行轨道装置上楼时，B点受触动向前摆一角度α，当传感器摆动角度灵敏度在1°以内。α为0°～1°。起始时的状态是A-B在沿垂状态，这时，A点和B点的X坐标XA和XB是一致的，当B点相对于A点摆动α角至B'位置，随行装置跟随移动，即A沿30°升角移动到A1，所以B点的移动是B点绕A摆动和随A点移动的叠加，即图示B1位置。在A到达A1瞬间，A1和B1的X坐标XA1和XB1是一致的，体现为A点对B点的跟随。根据B点至B1点Y坐标的变化，就可以知道人被牵往上行的过程。

下楼是另一种感受。在徒步情况下，下楼的难处在于：当提腿迈步下楼时，只有另一条腿着地，这腿关节除了要支持身体重量，还要控制膝关节屈曲速度，使迈出的脚步不至于冲击落地，这对于中老年人来说特别难受。而在使用随行轨道装置的情况下，除了减轻体重，一步一步的下落速度是由使用者自身向前移动的速度控制的。 试验时的感觉只是人被搀扶着一级一级平稳地被往下放。应用随行轨道装置时选择适合自己的挂结方式才会有更好的效果，这涉及各人的体能和喜好。最简单的是直接把持随行轨道装置的摆杆，因为摆杆本身就是一根管棒，表面涂上强吸附涂层，也可以挂结一双手环，如果需要减重更多，可以挂结一双托把，将其夹在腋下使用。另外，随身行李和菜篮子可以吊挂在由A轴引出的重物挂钩下面（图1未有显示）。隨行轨道装置用在不同功能需要时可有不同的使用模式，但是无论任何模式，道轨都作为建筑物楼道的一种配置供居住者共同使用。在具体应用时，可以有2类使用模式。1）随行轨装置常设在楼梯间的道轨上作为公共使用设施。在这种情况下，需要配套相应的调度系统和充电设施;需要相应的日常公共管理和维护措施。2）随行轨道装置作为私人用具由使用者自备。上楼或下楼時只要将随行轨道装置扣到道轨上随挂随用，用毕自行取下、自行保管。作为个人用具的使用模式显然省去各种配套设备和公共管理、更灵活和更易形成生态。随行轨道裝置的驱动过程是间歇负荷，间断使用，而且每次使用时间不长。因此，可以用更高的质能参数进行设计，使装置结构紧凑，重量轻，运用起来方便稳妥。装置向轨道掛扣稳定可靠、解扣取出容易操作等都是基本要求。通过减重随行的方法解决多层住宅上楼下楼的问题，采用随行轨道装置有实在的使用功能、又有明确的应用人群，还有4个方面的优点。1）设备简单轻便、容易使用，只要具有正常行动能力的人都可以使用。2）轨道仅占用楼道的上空，不妨碍梯间的通道。3）使用者和随行轨道装置是通过运动界面发生联系，没有“乘搭”，没有“装载”，人始终脚踏实地，因此由于误操作或设备故障引起的受伤机会大大减少。4）与箱式电梯相比较，随行轨道装置占用地盘建设电梯井;无须作为特种设备要由有资质的部门进行建设;无须定期检验和专业人员监控维护而且费用高昂。5）使用随行轨道装置辅助上楼下楼将会引发一种健康的生态。据中、外许多权威专家的总结，要求人们注意30岁以后的”健康节点”，这些节点是指30岁以后膝关节开始磨损;40岁后肌肉群会逐渐减少;50岁后骨质密度会降低：60岁后摔倒的概率明显增大。所以，建议从30岁开始膝关节要省着点用了。可见，徒手甚至携重物爬楼梯对于大多数人都会造成伤害。许多中老年人受困于楼上深感出行不便，就是这个原因。随行轨道装置的使用过程相当于一次臂膀伸展运动，日常有机会伸张胳膊、攀扶随行、在减重状态下上楼下楼对不同年龄的人都一样有好处。随行轨道装置应用在康复中心作为下肢理疗、步行训练，或者安装在特别的徒坡过道方以便于行人也有其应用场景[1]。

3 开发随行轨道装置的展望

未来，楼房建筑越来越高， 电梯技术已经很成熟，还需要权衡其经济性与可行性。对于已建在用的楼房（据报导全国有250万道楼道待装电梯）、尤其不具备空间安装电梯的民居更难顾及。近年来，开发的分段踏板电梯、座椅电梯以及各式爬梯车等，许多热心人士都在努力，但是由于种种原因，也不容易推广。现有可供选择的方案中大多数都是以可“搭乘”为目标，即对人体全承载。这样的设备都免不了体积大而占用公共空间。

4 结语

该文所介绍随行轨道装置实验的思路是利用减重随行方法辅助上楼下楼。今天不断开发的智能驱动技术应用为这一想法提供实现的可能。在减重随行的过程中，人仍然是控制行动、保持平衡的主体，自己步伐自己做主，人与机器有一种协调互动的关系，而不会感觉器械缠身以至身不由己。展望随行轨道装置作为家用领域智能助力工具、以轻便的个人穿戴设备形式出现可能是进入千家万户的可行途径。无论是剪式楼道或螺旋楼道，只需要在楼道上方设置了轻型道轨，人们都可以随时使用。未来随行轨道装置就像一柄智能电动玩具，在商场可以买到。这时，随行轨道将是楼道的一种配置，楼梯楼可以建10层或更高，但是楼梯楼不再令人生畏。

参考文献

[1]杜思瑶. 电梯控制技术[J]. 科教导刊：电子版， 2015（6）：174.