论文部分内容阅读
摘 要：随着城市化的进程越来越快，公共交通在城市出行中变得愈发重要。在公共交通出行中，公交车扶手杆和吊环扶手有着巨大的市场需求量，而传统的公交扶手存在一定的安全隐患，并且不能满足各种身高人群的使用需求。基于此，出于人性化考虑，笔者设计了一种可调节升降式公交车扶手，以满足不同乘客对高度的需求，使人们乘坐公共交通出行时更加便利。
关键词：公交扶手;升降式;可调节
中图分类号：TB18;U469.13 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）07-099-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.048
1 研究背景
1.1 项目背景
目前，国内尚未发布关于公交车扶手设计的详细国家行业标准，笔者参照《工业设计人机工程》一书，按乘客“抓得住”和“不碰头”的要求计算，可得横杆高度应小于1 696mm，大于1 904mm。显然，通过“抓得住”和“不碰头”计算出的横杆高度不可能同时满足。因此，在公交车上施加可伸缩扶手，通过改变吊环高度，可以满足不同身高乘客对扶手的需求[1]。
1.2 社会背景
随着中国城市化的不断发展，很多市民都有过在交通高峰时期每一辆公交车上几乎都挤满了乘客的经历，其中体会最深的是抓不到扶手，没有扶手可抓，导致在车上来回晃动。基于公交车扶手设计的现状，国内学者进行了大量研究。目前，国内主流公交车扶手设计虽考虑到了身高问题，但不适用于不同身高的乘客，不仅降低了乘客的舒适感，而且降低了扶手使用率[2]。基于此，本项目拟开发设计一种自动升降扶手，既能解决身高问题，又可增加其稳定性。
2 设计原理
2.1 设计思路
在公交车上，使站立的乘客也有舒适的乘车体验是非常重要的。因此，笔者通过人因工程学计算出最适握取高度，并且将扶手设计为高低式。相比传统的公交车扶手，伸缩式扶手采用电机齿轮锁，伸缩灵活性大，启闭平稳，增加了乘客的稳定性，同时高低式分布又解决了各种身高乘客的需求[3]。
2.2 具体工作流程
自动升降公交扶手工作流程如图1所示。
2.3 公交扶手组成
2.3.1 伸缩杆升降装置
系统组成。伸缩杆装置由升降主体、限位开关、电机及升降控制器组成。
升降主体：升降主体采用镀锌圆管，在兼顾安全耐用的前提下又减少了使用经费，外面用氟碳喷涂，可以防锈、防脱落且耐磨。
限位开关：笔者在伸缩杆底部和顶部设计限位开关，当伸缩杆到达终点时会自动停止，可以防止电机空烧。
电机：通过太阳能供电系统对电机进行供电，从而对伸缩杆伸缩进行控制。为了节约材料与美观，笔者拟将电机进行简化并且安装到上方横杆内。
升降控制器：用以控制伸缩杆的上升与下降。
系统原理。首先，通过太阳能供电系统对蓄电池进行充电，再利用蓄电池对电机进行供电。通过电机运作对伸缩杆进行伸长控制，当想要进行回缩时，将正负极进行对调即可实现。当伸缩杆伸缩到极限时，通过齿轮进行停止，可以防止电机空烧。
2.3.2 红外感应装置
系统原理。整个系统由电源电路、红外感应电路、延时电路及开关控制电路四大部分组成。
电源电路：J2输入12V电源，D1可以防止电源极性接反，R3为限流电阻，C2和C3滤波。
红外感应电路：由U1C、R10、R13、D5、C5构成振荡器，从U1的10脚输出脉冲信号，经Q3放大后驱动红外发射管D6向空间发射红外信号。此信号如果没有被障碍物挡住，红外接收管D2无法接收到信号，故后面的电路不工作;当D6前面有障碍物时，发射的红外信号被障碍物发射回来，就会被D2接收到，接收的信号经Q1、Q2放大，最后在R4端输出放大的红外信号，再由U1A进行选频、U1D进行整形后在U1的11脚输出。
延时电路：R7、VR1、C4构成延时电路，调节VR1可以调节每次动作后的延时时间，本电路设计延时时间在0～30s范围可调，由于元件参数有一定的误差，所以延时时间会略有差别。
开关控制电路：Q4、Q5、K1构成开关控制电路。若D2接收到信号后，最后会在U1的4脚输出延时后的低电平信号，使Q4、Q5导通，K1吸合。D3为继电器工作状态指示灯。
2.3.3 各配置参数
吊环。考虑到耐久等问题，笔者决定用PC+abs塑料制作吊环，运用该塑料既可以防止因使用金属而出现乘客碰伤问题，又可以解决普通塑料耐久性差的问题。且考虑到吊环的稳定性，笔者将吊环设计为长12.5cm、高12.3cm。在吊环与升降装置的连接处，用尼龙织带将电线包裹起来，且其中的电线应足够长（应时刻处于松弛状态），从而在吊环摇晃时，只有外层的尼龙织带受力而保护电线。
伸缩杆。笔者将伸缩杆同样设置成高、低两种样式，根据不同的样式设计不同的尺寸。
高：笔者将伸缩杆设置成六个节段，由内到外分别是3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm（不计算各节段连接处），其中8cm的节段是最外层的外壳，在伸缩时不参与进去。当伸缩杆伸长时，由外到内以此伸出，最终可以伸长25cm。当回缩时，则反之由内到外以此回缩。
低：筆者同样将此伸缩杆设置成六个节段，由内到外分别是2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm，工作原理与高的伸缩杆相同，最终可伸长20cm。
高扶手与低扶手，伸缩杆的直径都为4cm。
通过调查和统计，笔者得知成年人所适应的公交扶手高度应≥1 885mm，未成年人所适应的公交扶手约为1 655mm，因此，取高低扶手距离地面高度分别为1 885mm与1 655mm。 2.3.4 太阳能供电系统
系统组成。太阳能供电系统由太阳能电池组、光伏控制器、蓄电池等组成。
太阳能电池组：太阳能电池组是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中也可用镍氢电池等。其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来，到需要时再释放出来。
系统原理。当太阳能供电系统的蓄电池大于11V时，光伏控制器和功能控制器会发出指令，使太阳能电池给蓄电池进行充电（即使在阴天等天气时也可以使用）。在车上可以直接安装太阳能电池板。将太阳能电池板安装到车上，再接入电机中，即可对电机进行供电。该系统将太阳能转换为电能，对车内电机进行供电，可以充分利用自然资源，保护环境，节约资源。
3 创新特色与应用前景
3.1 创新特色
打破原有的吊环设计，将吊环与伸缩装置结合，伸缩杆刚度大，提高其抗弯曲能力，更加灵活美观。按钮设置在手柄下方，公交自动升降扶手装置中一个按钮便可控制，老人小孩都易使用，高低分布确保乘客都能轻松按到按钮。采用红外感应装置，可以在乘客离开后自动升至初始位置，防止扶手过长发生碰撞。材料采用环保舒适的材质，采用太阳能供电装置，安全无风险，使用寿命长，可以储能。
3.2 推广前景
隨着国家基础设施投入的加大和绿色出行的号召，以公交车为代表的公共交通将会更加普遍。扶手作为这些公共交通工具中必不可少的配件设施，拥有国家政策支持，自动升降扶手应把握市场机遇，不断进行创新，完善产品自身功能，发挥自身长处，以创造更好的前景[4]。
4 结语
自动升降扶手与传统扶手相比更加合理，并且更能满足不同身高人群的出行需求。该项技术紧紧结合人们的实际出行需求，以人性化角度出发，为了使人们在公共交通上有更好的乘坐体验而进一步拓展技术。并且在国家节能倡议的号召下，采用太阳能供电装置也更具市场优势，适宜在我国推广使用，进而在已有基础上不断完善改进。
参考文献
[1] 池清清.新型公共交通滑动扶手装置市场分析[J].科技经济市场，2019（3）：154-156.
[2] 谭茜.立体城市交通无障碍系统化设计研究[D].广州：华南理工大学，2019.
[3] 陈朝泽.城市公交客车扶手设计研究[J].现代制造技术与装备，2018（6）：45-46，50.
[4] 黄鹏鹏，伍松松.基于人因工程的公交车内设施环境分析与改善[J].人类工效学，2015，21（5）：62-66.
关键词：公交扶手;升降式;可调节
中图分类号：TB18;U469.13 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）07-099-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.048
1 研究背景
1.1 项目背景
目前，国内尚未发布关于公交车扶手设计的详细国家行业标准，笔者参照《工业设计人机工程》一书，按乘客“抓得住”和“不碰头”的要求计算，可得横杆高度应小于1 696mm，大于1 904mm。显然，通过“抓得住”和“不碰头”计算出的横杆高度不可能同时满足。因此，在公交车上施加可伸缩扶手，通过改变吊环高度，可以满足不同身高乘客对扶手的需求[1]。
1.2 社会背景
随着中国城市化的不断发展，很多市民都有过在交通高峰时期每一辆公交车上几乎都挤满了乘客的经历，其中体会最深的是抓不到扶手，没有扶手可抓，导致在车上来回晃动。基于公交车扶手设计的现状，国内学者进行了大量研究。目前，国内主流公交车扶手设计虽考虑到了身高问题，但不适用于不同身高的乘客，不仅降低了乘客的舒适感，而且降低了扶手使用率[2]。基于此，本项目拟开发设计一种自动升降扶手，既能解决身高问题，又可增加其稳定性。
2 设计原理
2.1 设计思路
在公交车上，使站立的乘客也有舒适的乘车体验是非常重要的。因此，笔者通过人因工程学计算出最适握取高度，并且将扶手设计为高低式。相比传统的公交车扶手，伸缩式扶手采用电机齿轮锁，伸缩灵活性大，启闭平稳，增加了乘客的稳定性，同时高低式分布又解决了各种身高乘客的需求[3]。
2.2 具体工作流程
自动升降公交扶手工作流程如图1所示。
2.3 公交扶手组成
2.3.1 伸缩杆升降装置
系统组成。伸缩杆装置由升降主体、限位开关、电机及升降控制器组成。
升降主体：升降主体采用镀锌圆管，在兼顾安全耐用的前提下又减少了使用经费，外面用氟碳喷涂，可以防锈、防脱落且耐磨。
限位开关：笔者在伸缩杆底部和顶部设计限位开关，当伸缩杆到达终点时会自动停止，可以防止电机空烧。
电机：通过太阳能供电系统对电机进行供电，从而对伸缩杆伸缩进行控制。为了节约材料与美观，笔者拟将电机进行简化并且安装到上方横杆内。
升降控制器：用以控制伸缩杆的上升与下降。
系统原理。首先，通过太阳能供电系统对蓄电池进行充电，再利用蓄电池对电机进行供电。通过电机运作对伸缩杆进行伸长控制，当想要进行回缩时，将正负极进行对调即可实现。当伸缩杆伸缩到极限时，通过齿轮进行停止，可以防止电机空烧。
2.3.2 红外感应装置
系统原理。整个系统由电源电路、红外感应电路、延时电路及开关控制电路四大部分组成。
电源电路：J2输入12V电源，D1可以防止电源极性接反，R3为限流电阻，C2和C3滤波。
红外感应电路：由U1C、R10、R13、D5、C5构成振荡器，从U1的10脚输出脉冲信号，经Q3放大后驱动红外发射管D6向空间发射红外信号。此信号如果没有被障碍物挡住，红外接收管D2无法接收到信号，故后面的电路不工作;当D6前面有障碍物时，发射的红外信号被障碍物发射回来，就会被D2接收到，接收的信号经Q1、Q2放大，最后在R4端输出放大的红外信号，再由U1A进行选频、U1D进行整形后在U1的11脚输出。
延时电路：R7、VR1、C4构成延时电路，调节VR1可以调节每次动作后的延时时间，本电路设计延时时间在0～30s范围可调，由于元件参数有一定的误差，所以延时时间会略有差别。
开关控制电路：Q4、Q5、K1构成开关控制电路。若D2接收到信号后，最后会在U1的4脚输出延时后的低电平信号，使Q4、Q5导通，K1吸合。D3为继电器工作状态指示灯。
2.3.3 各配置参数
吊环。考虑到耐久等问题，笔者决定用PC+abs塑料制作吊环，运用该塑料既可以防止因使用金属而出现乘客碰伤问题，又可以解决普通塑料耐久性差的问题。且考虑到吊环的稳定性，笔者将吊环设计为长12.5cm、高12.3cm。在吊环与升降装置的连接处，用尼龙织带将电线包裹起来，且其中的电线应足够长（应时刻处于松弛状态），从而在吊环摇晃时，只有外层的尼龙织带受力而保护电线。
伸缩杆。笔者将伸缩杆同样设置成高、低两种样式，根据不同的样式设计不同的尺寸。
高：笔者将伸缩杆设置成六个节段，由内到外分别是3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm（不计算各节段连接处），其中8cm的节段是最外层的外壳，在伸缩时不参与进去。当伸缩杆伸长时，由外到内以此伸出，最终可以伸长25cm。当回缩时，则反之由内到外以此回缩。
低：筆者同样将此伸缩杆设置成六个节段，由内到外分别是2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm，工作原理与高的伸缩杆相同，最终可伸长20cm。
高扶手与低扶手，伸缩杆的直径都为4cm。
通过调查和统计，笔者得知成年人所适应的公交扶手高度应≥1 885mm，未成年人所适应的公交扶手约为1 655mm，因此，取高低扶手距离地面高度分别为1 885mm与1 655mm。 2.3.4 太阳能供电系统
系统组成。太阳能供电系统由太阳能电池组、光伏控制器、蓄电池等组成。
太阳能电池组：太阳能电池组是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中也可用镍氢电池等。其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来，到需要时再释放出来。
系统原理。当太阳能供电系统的蓄电池大于11V时，光伏控制器和功能控制器会发出指令，使太阳能电池给蓄电池进行充电（即使在阴天等天气时也可以使用）。在车上可以直接安装太阳能电池板。将太阳能电池板安装到车上，再接入电机中，即可对电机进行供电。该系统将太阳能转换为电能，对车内电机进行供电，可以充分利用自然资源，保护环境，节约资源。
3 创新特色与应用前景
3.1 创新特色
打破原有的吊环设计，将吊环与伸缩装置结合，伸缩杆刚度大，提高其抗弯曲能力，更加灵活美观。按钮设置在手柄下方，公交自动升降扶手装置中一个按钮便可控制，老人小孩都易使用，高低分布确保乘客都能轻松按到按钮。采用红外感应装置，可以在乘客离开后自动升至初始位置，防止扶手过长发生碰撞。材料采用环保舒适的材质，采用太阳能供电装置，安全无风险，使用寿命长，可以储能。
3.2 推广前景
隨着国家基础设施投入的加大和绿色出行的号召，以公交车为代表的公共交通将会更加普遍。扶手作为这些公共交通工具中必不可少的配件设施，拥有国家政策支持，自动升降扶手应把握市场机遇，不断进行创新，完善产品自身功能，发挥自身长处，以创造更好的前景[4]。
4 结语
自动升降扶手与传统扶手相比更加合理，并且更能满足不同身高人群的出行需求。该项技术紧紧结合人们的实际出行需求，以人性化角度出发，为了使人们在公共交通上有更好的乘坐体验而进一步拓展技术。并且在国家节能倡议的号召下，采用太阳能供电装置也更具市场优势，适宜在我国推广使用，进而在已有基础上不断完善改进。
参考文献
[1] 池清清.新型公共交通滑动扶手装置市场分析[J].科技经济市场，2019（3）：154-156.
[2] 谭茜.立体城市交通无障碍系统化设计研究[D].广州：华南理工大学，2019.
[3] 陈朝泽.城市公交客车扶手设计研究[J].现代制造技术与装备，2018（6）：45-46，50.
[4] 黄鹏鹏，伍松松.基于人因工程的公交车内设施环境分析与改善[J].人类工效学，2015，21（5）：62-66.