徐愛群，劉倩玉，顧前行，李 聰，楊浩燃

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源學(xué)院，杭州 310023)

城市居民住房大多為高層建筑，近十年來，全國各地常有監(jiān)護(hù)人一時(shí)疏于照看、兒童找玩具、防盜窗未及時(shí)鎖上等原因，導(dǎo)致2～8歲兒童爬窗墜樓傷亡的事件發(fā)生[1]，實(shí)為惋惜。3～6歲是孩子第一次自我意識(shí)的覺醒期[2]，在這個(gè)階段他們心里充滿了探索的欲望，好動(dòng)、好奇心特別強(qiáng)，然而對(duì)危險(xiǎn)的感知能力特別弱，無法判斷危險(xiǎn)程度，所以也并不能意識(shí)到危險(xiǎn)[3-4]。目前市場(chǎng)上專門防兒童爬窗墜樓的裝置比較少，類似裝置以電動(dòng)窗戶為主，多數(shù)為防雨、防煙、防盜等[5-7]其他智能窗戶的附帶功能，防兒童墜樓的針對(duì)性和功能性不強(qiáng)。有研究者[8-9]提出高樓層安裝防護(hù)網(wǎng)和監(jiān)控設(shè)施的方法來防止兒童墜樓，但存在防護(hù)網(wǎng)不牢固，監(jiān)控未及時(shí)查看等情況，兒童墜樓的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。鑒于此，為防范兒童墜樓惡性事件的發(fā)生，我們?cè)O(shè)計(jì)的裝置從室內(nèi)對(duì)兒童爬窗行為進(jìn)行防范，當(dāng)該裝置檢測(cè)到兒童靠近窗戶后自動(dòng)調(diào)節(jié)窗戶開口大小，以防止兒童翻窗，從而保障他們的生命安全。

1 總體設(shè)計(jì)方案及工作原理分析

圖1為防幼兒爬窗跌落裝置的示意圖，圖2為絲杠與運(yùn)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)示意圖，其中開合螺母組件包括：開合螺母、T形滑柱、豎直滑柱、圓柱銷(連接銷)。圖1中身高檢測(cè)裝置由2根檢測(cè)桿上的2組對(duì)射式光電傳感器組成，安裝在距離窗戶正前方1 m的位置，分別在兩根檢測(cè)桿的0.8 m和1.3 m高度各安裝一組對(duì)射式光電傳感器，當(dāng)身高檢測(cè)裝置檢測(cè)出身高在0.8～1.3 m的孩童靠近窗戶時(shí)，身高檢測(cè)桿上的對(duì)射式光電傳感器獲得信號(hào)輸入，經(jīng)過邏輯電路和控制器傳遞至電機(jī)處，控制器發(fā)出關(guān)窗的執(zhí)行指令，控制系統(tǒng)控制內(nèi)藏于墻體中的交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)兩條絲杠中的右邊絲杠順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過一對(duì)圓柱斜齒輪使左側(cè)絲杠朝逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)與絲杠嚙合的開合螺母帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)箱作平移運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)箱與窗扇剛性連接并隨著運(yùn)動(dòng)箱做平移運(yùn)動(dòng)完成關(guān)窗動(dòng)作。當(dāng)兩邊的開合螺母移動(dòng)到末端，窗扇與窗套內(nèi)側(cè)接觸，觸動(dòng)窗套內(nèi)側(cè)的限位開關(guān)，則限位開關(guān)發(fā)出2個(gè)信號(hào)，其中一個(gè)信號(hào)給圓盤內(nèi)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)開槽偏心圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使得開合螺母打開，完成行程；另一個(gè)信號(hào)傳遞給墻體內(nèi)的交流電機(jī)，使得控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠運(yùn)動(dòng)停止，關(guān)窗動(dòng)作結(jié)束。開合螺母打開后，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)對(duì)窗戶和電機(jī)造成損害，并且不影響手動(dòng)開關(guān)窗戶。手動(dòng)開關(guān)可控制圓盤內(nèi)交流電機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，以方便窗扇的手動(dòng)打開和關(guān)閉。當(dāng)螺母與絲杠需要重新嚙合時(shí)，只需觸碰一下窗套內(nèi)側(cè)的限位開關(guān)，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心圓盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)，開合螺母閉合與絲杠重新嚙合，以備再次檢測(cè)兒童是否靠近窗戶。同時(shí)，由于本設(shè)計(jì)使用的是絲杠與開合螺母?jìng)鲃?dòng)，若出現(xiàn)窗戶卡住等特殊情況，絲杠仍能保持旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)正常輸出，不會(huì)像有些電動(dòng)窗戶那樣出現(xiàn)燒壞電機(jī)的情況，從而有效地保護(hù)了電機(jī)的安全。

1—身高檢測(cè)裝置；2—手動(dòng)開關(guān)；3—絲杠；4—一對(duì)圓柱齒輪；5—內(nèi)藏于墻體的交流電機(jī)；6—運(yùn)動(dòng)箱；7—窗扇；8—窗套內(nèi)限位開關(guān)。

1—窗扇；2—下T形滑槽；3—下開合螺母組件；4—內(nèi)置電機(jī)的開槽圓盤；5—運(yùn)動(dòng)箱支架；6—上開合螺母組件；7—上T形滑槽；8—一對(duì)圓柱齒輪。

2 兒童身高檢測(cè)傳感裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置的組成

圖3 傳感器布置示意圖

檢測(cè)傳感裝置主要由1對(duì)身高檢測(cè)桿、2組對(duì)射式光電傳感器與相對(duì)應(yīng)的邏輯電路組成，傳感器布置如圖3所示。以離窗臺(tái)所在墻面正前方1 m的距離為長(zhǎng)，以窗戶寬度為寬設(shè)置1組對(duì)射式光電傳感器檢測(cè)桿機(jī)架。由文獻(xiàn)[10]知，中國2歲男童的身高約為88.5 cm，2歲女童的身高約為87.2 cm，8歲男童的身高約為130 cm，8歲女童的身高約為128.5 cm。因此，在檢測(cè)桿上的0.8 m和1.3 m位置安裝2組光電管，可以檢測(cè)到9歲以下兒童靠近窗戶的信息。通常光電傳感器的響應(yīng)時(shí)間在20～30 ms，所以傳感器信號(hào)能夠快速傳送至邏輯控制電路中。

圖4 兒童身高檢測(cè)流程

光電耦合器件是光電傳感器的一種，是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并組成，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件[11]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，它又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無物體的光電開關(guān)。光電開關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得控制信號(hào)的開關(guān)。因此，本研究采用能檢測(cè)有無物體遮擋的光電開關(guān)。在檢測(cè)桿機(jī)架的0.8、1.3 m位置分別裝1組光電傳感器，用來判別是成人還是兒童靠近窗戶。當(dāng)檢測(cè)到經(jīng)過傳感器的人身高處于0.8～1.3 m時(shí)，控制系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)閉窗戶的動(dòng)作；否則窗戶開口保持不變。兒童身高檢測(cè)流程如圖4所示。

2.2 邏輯電路設(shè)計(jì)

圖5 控制邏輯電路圖

控制系統(tǒng)中的邏輯電路采用異或門電路[12-13]，控制邏輯電路如圖5所示，A、B分別為0.8、1.3 m處的對(duì)射式光電傳感器信號(hào)輸出端。無人經(jīng)過時(shí)輸出信號(hào)為1，有人擋住對(duì)射光線時(shí)輸出信號(hào)為0。當(dāng)邏輯電路最終輸出為高電平1時(shí)，內(nèi)藏于墻的電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠執(zhí)行關(guān)窗動(dòng)作；當(dāng)邏輯電路最終輸出為低電平0時(shí)，不執(zhí)行任何操作，繼續(xù)等待信號(hào)指令。

3 窗戶開口大小自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

窗戶開口大小自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置包括動(dòng)力輸出、絲杠傳動(dòng)、運(yùn)動(dòng)箱三部分。動(dòng)力輸出部分為交流電機(jī)。絲杠傳動(dòng)部分包括1對(duì)絲杠及位于絲杠頭部的1對(duì)齒輪。運(yùn)動(dòng)箱部分由運(yùn)動(dòng)箱支架、內(nèi)置電機(jī)的開槽圓盤、連接銷、開合螺母及上下開合螺母滑移T形槽組成。圖6為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框架。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3.1 電機(jī)的選擇

表1絲杠基本參數(shù)

Table1Basic parameters of lead screw

mm

動(dòng)力輸出的交流電機(jī)裝在窗戶頂部右側(cè)的墻內(nèi)，采用內(nèi)藏式放置，不影響美觀。家用窗戶的單扇窗寬度為700 mm左右，8歲小孩走動(dòng)10 m的時(shí)間約為20 s，則走動(dòng)1 m所需平均時(shí)間約為2 s(小于8歲的孩子速度更慢)，身高檢測(cè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間為20～30 ms。身高檢測(cè)桿放在距離窗臺(tái)1 m的位置，這就要求運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在接收到光電傳感器發(fā)出控制信號(hào)的2 s內(nèi)完成關(guān)窗動(dòng)作，即完成窗扇最大的移動(dòng)距離700 mm。選用絲杠的型號(hào)為FFZD3210-3，其基本參數(shù)見表1。

窗扇移動(dòng)速度

v=L/t=0.7/2=0.35(m/s)。

(1)

絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)速度

N=v/Ph=0.35/0.01=35(r/s)=21 00(r/min)。

(2)

式(1)～(2)中：L為窗扇寬度和窗扇移動(dòng)距離，m；t為關(guān)窗所需時(shí)間，s；Ph為絲杠導(dǎo)程，m。

絲杠副平均工作的載荷

Fm=(M1+M2)g=(12.5+1.02)×9.8=132.5(N)。

(3)

式(3)中：M1為單扇窗戶的質(zhì)量，kg；M2為運(yùn)動(dòng)箱的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，N/kg。

絲杠副的計(jì)算載荷

Fc=KFKHKAFm=1.2×1.56×1.1×132.5≈272.84(N)。

(4)

式(4)中：KF為載荷系數(shù)(無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn))；KH為硬度系數(shù)(滾道實(shí)際硬度HRC)；KA為精度系數(shù)。

實(shí)際驅(qū)動(dòng)扭矩

Ta=(FaPh)/(2×3.14×η1)=272.22×0.01/(2×3.14×0.94)≈0.47(N·m)。

(5)

式(5)中：Fa為軸向負(fù)載，N；η1為效率。

實(shí)際功率

P=(TaN)/9 550=(0.47×2 100)/9 550≈0.11(kW)。

(6)

經(jīng)上述公式計(jì)算得出絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)速約為2 100 r/min，交流電機(jī)所需功率為0.11 kW,考慮到運(yùn)行中可能出現(xiàn)不良過載情況，會(huì)超過正常實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率，所以選擇額定功率為0.12 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 150 r/min，型號(hào)為57BYG250FA的交流電機(jī)。

3.2 運(yùn)動(dòng)箱設(shè)計(jì)

3.2.1 運(yùn)動(dòng)箱工作原理

運(yùn)動(dòng)箱部分是本裝置設(shè)計(jì)的核心，它剛性連接在窗扇上。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與絲杠嚙合的螺母可以在絲杠軸向做水平直線運(yùn)動(dòng)并且拉動(dòng)窗戶移動(dòng)。圖7為運(yùn)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)裝配圖。

1—圓盤；2—運(yùn)動(dòng)箱支架；3—上滑柱(開合螺母打開時(shí)的導(dǎo)軌)；4—上T形滑槽；5—上T形滑柱；6—上圓柱銷；7—上開合螺母；8—絲杠；9—窗扇連接部分。

1—運(yùn)動(dòng)箱支架；2—豎直滑柱；3—下開合螺母；4—圓柱銷(連接銷)；5—下T形滑柱；6—圓盤內(nèi)滑槽；7—內(nèi)置電機(jī)的圓盤。

圖8為運(yùn)動(dòng)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。內(nèi)置交流電機(jī)的圓盤中心開有孔，圓盤通過軸承安裝在運(yùn)動(dòng)支架上可以繞圓心旋轉(zhuǎn)。圓盤上還開有兩道精心設(shè)計(jì)的滑槽，圓柱銷一端正好能嵌入滑槽內(nèi)，圓柱銷另一端嵌入開合螺母上的圓孔內(nèi)。連接銷保持圓盤與開合螺母的剛性連接，在運(yùn)動(dòng)箱整體運(yùn)動(dòng)時(shí)與開合螺母保持相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。滑槽沿圓盤中心對(duì)稱，其起始位置距圓心較近，其底部距圓心較遠(yuǎn)，從圓盤滑槽一端到另一端，與圓心的距離依次增大或減小，滑槽分別占圓盤90°圓心角。當(dāng)圓盤內(nèi)電機(jī)接收到運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，圓盤旋轉(zhuǎn)，兩根連接銷在滑槽位置進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使連接銷間距改變，從而起到分離與閉合開合螺母的作用。當(dāng)圓盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，即開合螺母做分離動(dòng)作時(shí)，兩根連接銷間距最大，開合螺母被分開；當(dāng)圓盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，即開合螺母做閉合動(dòng)作時(shí)，兩根連接銷間距最小，開合螺母被閉合。

運(yùn)動(dòng)箱通過圓盤的設(shè)計(jì)控制開合螺母的打開和閉合。運(yùn)動(dòng)箱中運(yùn)動(dòng)箱支架與窗戶剛性連接，開合螺母內(nèi)螺紋與絲杠外螺紋嚙合，開合螺母上下部分均設(shè)計(jì)有T形滑柱，可以分別在開合螺母上下滑槽內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)。而開合螺母上下滑槽在豎直方向的深度有預(yù)留量，在開合螺母分離的過程中，T形滑柱能帶動(dòng)開合螺母在T形滑槽的豎直方向上運(yùn)動(dòng)。開合螺母分離的極限位置即T形滑柱到達(dá)T形滑槽的底部。

3.2.2 圓盤的設(shè)計(jì)

1—圓盤；2—圓盤內(nèi)滑槽；3—圓盤背面安裝的電機(jī)。

圖9為圓盤及其內(nèi)開滑槽輪廓，連接銷為圓柱銷，滑槽的寬度正好容納圓柱銷插入并在圓盤內(nèi)交流電機(jī)的帶動(dòng)下滑動(dòng)到滑槽的另一端。在設(shè)計(jì)前期，我們綜合比較過滑槽弧形、開合螺母打開的驅(qū)動(dòng)力安裝位置，均存在一些運(yùn)動(dòng)阻礙或磨損較大的情況，因此最終選擇將圓盤內(nèi)滑槽設(shè)計(jì)成橢圓弧。圖9中虛線表示的是圓柱銷在圓盤滑槽內(nèi)中心線的運(yùn)動(dòng)軌跡，兩段圓柱銷在圓盤滑槽內(nèi)中心線的運(yùn)動(dòng)軌跡的4個(gè)端點(diǎn)分別為(0,50)、(0，-50)、(70,0)、(-70,0)，一根圓柱銷每次運(yùn)動(dòng)90°的角度，將此軌跡設(shè)計(jì)成橢圓弧，得到軌跡方程

當(dāng)兩根圓柱銷分別位于圖9所示y軸上下位置時(shí)，開合螺母處于閉合狀態(tài)，與絲杠嚙合；當(dāng)兩根圓柱銷分別位于x軸位置時(shí)，開合螺母處于打開狀態(tài)，與絲杠分離。開合螺母用于防幼兒爬窗墜樓裝置的傳動(dòng)裝置中，一方面是為了利用開合螺母閉合時(shí)使螺母能夠?qū)崿F(xiàn)與絲杠的嚙合，完成傳動(dòng)功能；另一方面是為了利用開合螺母打開時(shí)分為兩半，能夠與絲杠脫開，結(jié)束傳動(dòng)功能，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)過程的控制。運(yùn)動(dòng)箱圓盤的設(shè)計(jì)輔助開合螺母將其功能自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，橢圓弧從可靠的機(jī)械設(shè)計(jì)中巧妙地實(shí)現(xiàn)了開合螺母的打開、閉合。

由表1可知絲杠外徑與底徑只差5.2 mm，再由圖9可知橢圓弧的長(zhǎng)短軸之差為20 mm，因此當(dāng)開合螺母松開后，能使開合螺母與絲桿完全脫開。圓盤內(nèi)滑槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)利用橢圓長(zhǎng)軸、短軸之差的特性，實(shí)現(xiàn)了開合螺母的打開和閉合，使得該設(shè)計(jì)獨(dú)特且運(yùn)行可靠。

3.3 限位開關(guān)和手動(dòng)開關(guān)

限位開關(guān)安裝在窗戶內(nèi)側(cè)窗框上，它由2塊圓形鐵片、連接鐵片的導(dǎo)線和彈簧及圓形軟管組成[14]。導(dǎo)線和彈簧的兩端各連接一塊圓形鐵片，在彈簧和導(dǎo)線的外面套有圓形軟管(絕緣體)，彈簧的長(zhǎng)度為10 mm。當(dāng)窗戶完全關(guān)閉時(shí)，受彈簧作用，兩塊鐵片不接觸，不導(dǎo)電；當(dāng)窗扇移動(dòng)到完全閉合的位置時(shí)，彈簧被壓縮，兩塊鐵片相互接觸，產(chǎn)生電流，限位開關(guān)被觸發(fā)，控制運(yùn)動(dòng)箱圓盤內(nèi)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，連接銷從圓盤滑槽距圓心最短端移動(dòng)到距圓心最長(zhǎng)的另一端，從而帶動(dòng)位于絲杠正上方和正下方的兩個(gè)半開合螺母與絲杠分離，窗扇停止移動(dòng)。同時(shí)，限位開關(guān)還具有控制交流電機(jī)的作用，當(dāng)窗扇移動(dòng)至完全閉合處，限位開關(guān)被觸發(fā)，交流電機(jī)電路斷開，交流電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

手動(dòng)開關(guān)安裝在窗邊墻體部分，有打開與閉合2個(gè)按鍵。分別控制圓盤內(nèi)置交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，起到人為控制開合螺母分離與閉合的作用。

4 結(jié) 論

為防止兒童爬上窗戶墜樓事件的發(fā)生，我們針對(duì)目前居民樓窗戶的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了防幼兒跌落的窗戶開口自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。即對(duì)普通智能窗戶，設(shè)計(jì)了由身高檢測(cè)裝置、開合螺母絲杠傳動(dòng)和圓盤運(yùn)動(dòng)箱連接的自動(dòng)窗戶開度調(diào)節(jié)裝置。當(dāng)兒童靠近窗戶時(shí)裝置能自動(dòng)完成關(guān)窗動(dòng)作，更大程度地防范了兒童因各種原因爬窗墜樓造成傷亡的事件發(fā)生。此裝置的優(yōu)勢(shì)在于：1)對(duì)射式光電傳感器、交流電機(jī)、絲杠與開合螺母均為成熟產(chǎn)品，運(yùn)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易制作，因此，本調(diào)節(jié)裝置經(jīng)濟(jì)成本低，普通工薪家庭均可安裝使用。2)絲杠與開合螺母嚙合傳動(dòng)，把電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成螺母帶動(dòng)窗扇的平移運(yùn)動(dòng)，兩根絲杠的接頭處用一對(duì)圓柱齒輪連接，使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、工作壽命長(zhǎng)。3)圓盤運(yùn)動(dòng)箱橢圓弧槽利用橢圓長(zhǎng)短軸之差的特性來控制開合螺母與絲杠嚙合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，在智能窗戶設(shè)計(jì)中具有新穎性，能為防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)提供參考。