基于人因工程學(xué)的自動(dòng)升降公交扶手裝置設(shè)計(jì)

谷薇帆 郭保華 高峰 霍楊志 楊寒冰

摘 要：隨著城市化的進(jìn)程越來(lái)越快，公共交通在城市出行中變得愈發(fā)重要。在公共交通出行中，公交車扶手桿和吊環(huán)扶手有著巨大的市場(chǎng)需求量，而傳統(tǒng)的公交扶手存在一定的安全隱患，并且不能滿足各種身高人群的使用需求?；诖?，出于人性化考慮，筆者設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)升降式公交車扶手，以滿足不同乘客對(duì)高度的需求，使人們乘坐公共交通出行時(shí)更加便利。

關(guān)鍵詞：公交扶手;升降式;可調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TB18;U469.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）07-099-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.048

1 研究背景

1.1 項(xiàng)目背景

目前，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)布關(guān)于公交車扶手設(shè)計(jì)的詳細(xì)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，筆者參照《工業(yè)設(shè)計(jì)人機(jī)工程》一書(shū)，按乘客“抓得住”和“不碰頭”的要求計(jì)算，可得橫桿高度應(yīng)小于1 696mm，大于1 904mm。顯然，通過(guò)“抓得住”和“不碰頭”計(jì)算出的橫桿高度不可能同時(shí)滿足。因此，在公交車上施加可伸縮扶手，通過(guò)改變吊環(huán)高度，可以滿足不同身高乘客對(duì)扶手的需求[1]。

1.2 社會(huì)背景

隨著中國(guó)城市化的不斷發(fā)展，很多市民都有過(guò)在交通高峰時(shí)期每一輛公交車上幾乎都擠滿了乘客的經(jīng)歷，其中體會(huì)最深的是抓不到扶手，沒(méi)有扶手可抓，導(dǎo)致在車上來(lái)回晃動(dòng)?；诠卉嚪鍪衷O(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。目前，國(guó)內(nèi)主流公交車扶手設(shè)計(jì)雖考慮到了身高問(wèn)題，但不適用于不同身高的乘客，不僅降低了乘客的舒適感，而且降低了扶手使用率[2]?；诖耍卷?xiàng)目擬開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種自動(dòng)升降扶手，既能解決身高問(wèn)題，又可增加其穩(wěn)定性。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

在公交車上，使站立的乘客也有舒適的乘車體驗(yàn)是非常重要的。因此，筆者通過(guò)人因工程學(xué)計(jì)算出最適握取高度，并且將扶手設(shè)計(jì)為高低式。相比傳統(tǒng)的公交車扶手，伸縮式扶手采用電機(jī)齒輪鎖，伸縮靈活性大，啟閉平穩(wěn)，增加了乘客的穩(wěn)定性，同時(shí)高低式分布又解決了各種身高乘客的需求[3]。

2.2 具體工作流程

自動(dòng)升降公交扶手工作流程如圖1所示。

2.3 公交扶手組成

2.3.1 伸縮桿升降裝置

系統(tǒng)組成。伸縮桿裝置由升降主體、限位開(kāi)關(guān)、電機(jī)及升降控制器組成。

升降主體：升降主體采用鍍鋅圓管，在兼顧安全耐用的前提下又減少了使用經(jīng)費(fèi)，外面用氟碳噴涂，可以防銹、防脫落且耐磨。

限位開(kāi)關(guān)：筆者在伸縮桿底部和頂部設(shè)計(jì)限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)伸縮桿到達(dá)終點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)停止，可以防止電機(jī)空燒。

電機(jī)：通過(guò)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電，從而對(duì)伸縮桿伸縮進(jìn)行控制。為了節(jié)約材料與美觀，筆者擬將電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化并且安裝到上方橫桿內(nèi)。

升降控制器：用以控制伸縮桿的上升與下降。

系統(tǒng)原理。首先，通過(guò)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，再利用蓄電池對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電。通過(guò)電機(jī)運(yùn)作對(duì)伸縮桿進(jìn)行伸長(zhǎng)控制，當(dāng)想要進(jìn)行回縮時(shí)，將正負(fù)極進(jìn)行對(duì)調(diào)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)伸縮桿伸縮到極限時(shí)，通過(guò)齒輪進(jìn)行停止，可以防止電機(jī)空燒。

2.3.2 紅外感應(yīng)裝置

系統(tǒng)原理。整個(gè)系統(tǒng)由電源電路、紅外感應(yīng)電路、延時(shí)電路及開(kāi)關(guān)控制電路四大部分組成。

電源電路：J2輸入12V電源，D1可以防止電源極性接反，R3為限流電阻，C2和C3濾波。

紅外感應(yīng)電路：由U1C、R10、R13、D5、C5構(gòu)成振蕩器，從U1的10腳輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)Q3放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管D6向空間發(fā)射紅外信號(hào)。此信號(hào)如果沒(méi)有被障礙物擋住，紅外接收管D2無(wú)法接收到信號(hào)，故后面的電路不工作;當(dāng)D6前面有障礙物時(shí)，發(fā)射的紅外信號(hào)被障礙物發(fā)射回來(lái)，就會(huì)被D2接收到，接收的信號(hào)經(jīng)Q1、Q2放大，最后在R4端輸出放大的紅外信號(hào)，再由U1A進(jìn)行選頻、U1D進(jìn)行整形后在U1的11腳輸出。

延時(shí)電路：R7、VR1、C4構(gòu)成延時(shí)電路，調(diào)節(jié)VR1可以調(diào)節(jié)每次動(dòng)作后的延時(shí)時(shí)間，本電路設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間在0～30s范圍可調(diào)，由于元件參數(shù)有一定的誤差，所以延時(shí)時(shí)間會(huì)略有差別。

開(kāi)關(guān)控制電路：Q4、Q5、K1構(gòu)成開(kāi)關(guān)控制電路。若D2接收到信號(hào)后，最后會(huì)在U1的4腳輸出延時(shí)后的低電平信號(hào)，使Q4、Q5導(dǎo)通，K1吸合。D3為繼電器工作狀態(tài)指示燈。

2.3.3 各配置參數(shù)

吊環(huán)?？紤]到耐久等問(wèn)題，筆者決定用PC+abs塑料制作吊環(huán)，運(yùn)用該塑料既可以防止因使用金屬而出現(xiàn)乘客碰傷問(wèn)題，又可以解決普通塑料耐久性差的問(wèn)題。且考慮到吊環(huán)的穩(wěn)定性，筆者將吊環(huán)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)12.5cm、高12.3cm。在吊環(huán)與升降裝置的連接處，用尼龍織帶將電線包裹起來(lái)，且其中的電線應(yīng)足夠長(zhǎng)（應(yīng)時(shí)刻處于松弛狀態(tài)），從而在吊環(huán)搖晃時(shí)，只有外層的尼龍織帶受力而保護(hù)電線。

伸縮桿。筆者將伸縮桿同樣設(shè)置成高、低兩種樣式，根據(jù)不同的樣式設(shè)計(jì)不同的尺寸。

高：筆者將伸縮桿設(shè)置成六個(gè)節(jié)段，由內(nèi)到外分別是3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm（不計(jì)算各節(jié)段連接處），其中8cm的節(jié)段是最外層的外殼，在伸縮時(shí)不參與進(jìn)去。當(dāng)伸縮桿伸長(zhǎng)時(shí)，由外到內(nèi)以此伸出，最終可以伸長(zhǎng)25cm。當(dāng)回縮時(shí)，則反之由內(nèi)到外以此回縮。

低：筆者同樣將此伸縮桿設(shè)置成六個(gè)節(jié)段，由內(nèi)到外分別是2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm，工作原理與高的伸縮桿相同，最終可伸長(zhǎng)20cm。

高扶手與低扶手，伸縮桿的直徑都為4cm。

通過(guò)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，筆者得知成年人所適應(yīng)的公交扶手高度應(yīng)≥1 885mm，未成年人所適應(yīng)的公交扶手約為1 655mm，因此，取高低扶手距離地面高度分別為1 885mm與1 655mm。

2.3.4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

系統(tǒng)組成。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組、光伏控制器、蓄電池等組成。

太陽(yáng)能電池組：太陽(yáng)能電池組是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。

控制器：太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。

蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中也可用鎳氫電池等。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池組件所供出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要時(shí)再釋放出來(lái)。

系統(tǒng)原理。當(dāng)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的蓄電池大于11V時(shí)，光伏控制器和功能控制器會(huì)發(fā)出指令，使太陽(yáng)能電池給蓄電池進(jìn)行充電（即使在陰天等天氣時(shí)也可以使用）。在車上可以直接安裝太陽(yáng)能電池板。將太陽(yáng)能電池板安裝到車上，再接入電機(jī)中，即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電。該系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，對(duì)車內(nèi)電機(jī)進(jìn)行供電，可以充分利用自然資源，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源。

3 創(chuàng)新特色與應(yīng)用前景

3.1 創(chuàng)新特色

打破原有的吊環(huán)設(shè)計(jì)，將吊環(huán)與伸縮裝置結(jié)合，伸縮桿剛度大，提高其抗彎曲能力，更加靈活美觀。按鈕設(shè)置在手柄下方，公交自動(dòng)升降扶手裝置中一個(gè)按鈕便可控制，老人小孩都易使用，高低分布確保乘客都能輕松按到按鈕。采用紅外感應(yīng)裝置，可以在乘客離開(kāi)后自動(dòng)升至初始位置，防止扶手過(guò)長(zhǎng)發(fā)生碰撞。材料采用環(huán)保舒適的材質(zhì)，采用太陽(yáng)能供電裝置，安全無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，使用壽命長(zhǎng)，可以儲(chǔ)能。

3.2 推廣前景

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施投入的加大和綠色出行的號(hào)召，以公交車為代表的公共交通將會(huì)更加普遍。扶手作為這些公共交通工具中必不可少的配件設(shè)施，擁有國(guó)家政策支持，自動(dòng)升降扶手應(yīng)把握市場(chǎng)機(jī)遇，不斷進(jìn)行創(chuàng)新，完善產(chǎn)品自身功能，發(fā)揮自身長(zhǎng)處，以創(chuàng)造更好的前景[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)升降扶手與傳統(tǒng)扶手相比更加合理，并且更能滿足不同身高人群的出行需求。該項(xiàng)技術(shù)緊緊結(jié)合人們的實(shí)際出行需求，以人性化角度出發(fā)，為了使人們?cè)诠步煌ㄉ嫌懈玫某俗w驗(yàn)而進(jìn)一步拓展技術(shù)。并且在國(guó)家節(jié)能倡議的號(hào)召下，采用太陽(yáng)能供電裝置也更具市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，適宜在我國(guó)推廣使用，進(jìn)而在已有基礎(chǔ)上不斷完善改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 池清清.新型公共交通滑動(dòng)扶手裝置市場(chǎng)分析[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2019（3）：154-156.

[2] 譚茜.立體城市交通無(wú)障礙系統(tǒng)化設(shè)計(jì)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2019.

[3] 陳朝澤.城市公交客車扶手設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（6）：45-46，50.

[4] 黃鵬鵬，伍松松.基于人因工程的公交車內(nèi)設(shè)施環(huán)境分析與改善[J].人類工效學(xué)，2015，21（5）：62-66.