一种自动扶梯梳齿板安全检测装置*

霍纪德，陈银辉，史子璐，张帅帅，杨桠菲，王玉琳

(合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

自动扶梯和自动人行道已逐渐成为人们生活中不可替代的交通运输工具，国内市场对自动扶梯需求呈上升趋势[1]。而现实生活中，由于自动扶梯梳齿板保护装置失效引发的安全事故越来越多[2]，现有的梳齿板检测技术操作方法相对复杂，对操作者技术要求较高且容易损坏自动扶梯的机械部件[3，4]。

目前，国内外关于自动扶梯安全检测专用仪器的研究相对较少且不成熟。广州奥的斯电梯有限公司的曹启章等在研究时忽视了保证检测过程稳定性等问题，有一定的局限性[5]。蒋儒浩等研发的检测装置[6，7]对于检测时水平触发模块推板的强度要求较高，并且传感器布置不方便，制造技术难度较大。广东特检院梁敏健团队与何山团队研制的自动扶梯梳齿板安全保护功能检测系统和方法[8，9]不能实现位移的检测，且没有相应的数据共享功能，数据的可管理性较差。为此，本文研发了一种以模拟异物落入为设计原理的自动扶梯梳齿板安全保护检测装置，并进行了三组样机的工作测试，试验结果均满足设计要求。本装置可检测梳齿板受力及位移距离，并可通过互联网无线传输至移动终端，使电梯检测维修更加便捷化、数字化和智能化。

1 自动扶梯梳齿板安全检测装置总体设计方案

图1为梳齿板与梯级配合示意图。

图1 梳齿板与梯级配合示意图

图2为梳齿板安全检测装置总体方案，由触发模块、位移检测模块、嵌入式微控制模块、数据管理模块以及终端软件管理模块五个部分组成。

图2 梳齿板安全检测装置总体方案

触发模块可模拟受害人或衣物等卷入梳齿板的场景，形成整体装置测试记录的基本力学条件，同时进行垂直与水平两个方向上作用力的数据采集。位移检测主要通过激光测距传感器与触发板相结合，实现梳齿板垂直和水平位移的测量。嵌入式微控制模块依托于ARM系列高速微控制器，主要用于界面显示管理、传感器数据采集、数据处理和分析、数据运算输出等。数据管理模块主要用于检测装置和计算机的数据交换及处理分析测试记录中的数据。终端软件管理模块主要用于将检测数据传送给检测人员的终端移动设备，实现安全保护装置检测数据的智能化管理[10]。

2 检测装置的模块设计

2.1 触发模块

触发模块包括竖直与水平两触发板，其结构如图3所示。两触发板与梯级的配合如图4所示。

图3 触发模块结构示意图

图4 两触发板与梯级的配合示意图

安装时，只需将触发板的齿状底部与扶梯的齿状踏面相啮合即可，同时，将前端的挡板抵靠在梯级前侧面上，即可完成触发板的安装。

2.1.1 垂直方向施力与垂直力检测

将竖直触发板按照图4(a)方式安装好后，手动开启扶梯，随着扶梯向梳齿板运动，竖直触发板的楔形块推动梳齿板向上移动，直至触发安全保护装置，使扶梯紧急停车，如图5所示。

图5 竖直触发板触发垂直移动的梳齿板

垂直力可以通过装在楔形块内的压力传感器进行测量，并传输给ARM控制器进行数据处理。楔形块的坡度越小，其所受到的垂直分力就越大，越有利于垂直力的检测,但坡度过小会增大楔形块的尺寸，因此，应选择合适的坡度。

2.1.2 水平方向施力与水平力检测

当梳齿板水平受力时会产生水平方向的移动，如图6所示，随着扶梯运动的进行，若存在异物，将会推动水平触发板逐渐向梳齿板靠近，并与梳齿板接触，从而使其由于受力产生水平方向的位移，触发停车动作开关使扶梯停止运行，避免意外发生。

图6 水平触发板触发水平移动的梳齿板

在推板的条状空间内部设置有压力传感器，当梳齿板抵靠到推板受力时，压力传感器可测出压力的大小，并传送给ARM微控制器，为后续处理收集数据。

2.2 位移检测模块

在梳齿板安装板上安装有激光测距仪，相应地在端盖站板处安装反光幕，使发出的激光能够通过反光幕反射回传感器。如图7所示，进行位移检测时，通过竖直触发板或水平触发板产生位移，激光测距仪捕捉水平和垂直两方向位移，并送入ARM微控制器进行后续的数据处理。

图7 位移检测示意图

2.3 嵌入式微控制模块

本模块主要包括嵌入式微控制系统、人—机界面管理、传感器数据采集等[11]。嵌入式微控制模块采用基于ARM CortexTM-M4为内核的STM32F4 MCU系列高性能微控制器，其在MCU实时控制功能与数字信号处理器(DSP)功能方面具有很好的优势，在本设计中主要进行实时数据采集及数据处理。

本安全检测装置通过工业触摸屏界面实现人-机交互。激光测距传感器选用邦纳公司的LE250型高精度激光传感器；压力传感器选用国内生产的JHBN-M1微型称重传感器。

2.4 数据管理模块

本安全检测装置与计算机之间采用USB传输接口以实现检测过程中的数据交换，并通过计算机生成相应的检测数据报告，包括异物卡嵌及触发停车过程中特定的数据表格、曲线图像和报告分析等项目。

2.5 终端软件管理模块

通过数据管理模块对接收数据进行分析处理，反馈给扶梯检测技术人员，使管理更为方便快捷。测试信息可通过互联网进行传输，并实现手机、PC端软件与云存储对信息的同步存储。还可通过对历史数据的分析得到保护装置的近期运行状态，及时维护设备，保证扶梯的安全性与可靠性。

3 创新点与技术指标

3.1 创新点

与已有的相关研究相比，本团队设计的安全检测装置的创新点体现在以下四个方面：

(1)适用范围宽，可用于检测自动扶梯/自动人行道梳齿板垂直与水平方向上移动。

(2)可将检测数据通过网络进行传输，实现人机交互精确管理。

(3)装置结构简单，成本较低，安全环保，安装测试中不会对自动扶梯造成损坏。

(4)能为使用者带来“保姆式”的工作体验，操作快捷简便，降低了检测维修的技术门槛，实现了测试操作便捷化、数字化与智能化。

3.2 技术指标

本安全检测装置技术指标如下：

(1)梳齿板受力测量范围为0～2 000 N，测力分辨率为0.1 N，测量误差≤±2 N。

(2)梳齿板位移测量范围为0～100 mm，位移测量分辨率为0.05 mm，测量误差≤±0.15 mm。

(3)数据存储容量为2 GB。

(4)可充电锂电池容量为6 600 mAh。

4 检测装置测试结果

分别针对竖直触发板和水平触发板采用压力机进行施力测试，结果表明样机的测力精度可以控制在±1.5 N之内。采用美国邦纳公司生产的高精度激光测距传感器进行测位移精度的校准，得到误差结果未超出±0.15 mm。可见，样机的测力与测位移精度均满足设计要求。随后在一台性能完好的扶梯上进行了30次梳齿板安全保护触发试验，结果均为有效触发，且数据波动范围不大，表明本装置的精度较高。

5 结束语

梳齿板安全保护装置的可靠性是自动扶梯出厂质量检测、安全监督检验、设备定期核查的一个重要项目[12]。本文研发了一种基于ARM系列高速微控制器的自动扶梯梳齿板安全检测装置。其通过模拟异物落入梳齿板的场景，收集梳齿板在测试记录中受力和位移的数据信息，实现对梳齿板安全保护动作开关灵活度的定量评价。本装置可为自动扶梯的运行安全管理提供更加有效的检测评估，减少安全事故的发生，并将为自动扶梯/自动人行道的制造行业、维保机构、产品质量监督机构和特种设备检测机构等提供一种可靠的检测设备，应用前景广阔。