一種新型浮動(dòng)式多功能嬰兒搖籃裝置的設(shè)計(jì)

韋 為 張佐璽 農(nóng)昌涌 銀培杰 黃曉宇

（廣西大學(xué)，廣西 南寧530004）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)嬰兒產(chǎn)品的關(guān)注也逐漸增加[1-2]，尤其是嬰兒搖床，從人體功能學(xué)的角度來講，搖籃搖動(dòng)的頻率要小于50次/分鐘,但是國(guó)內(nèi)銷售的嬰兒床，無論是吊帶式的還是拉桿式的，搖動(dòng)頻率通常在60-70次/分鐘，容易造成嬰兒的搖籃綜合癥，延緩嬰兒的智力和體力的發(fā)育，此外傳統(tǒng)的搖籃要么只能左右搖動(dòng)，要么只能前后搖動(dòng)，無法多自由度搖動(dòng)[3]。

針對(duì)傳統(tǒng)搖籃存在的弊端，本文提出了一種由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、搖擺機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、支架四部分構(gòu)成新型浮動(dòng)式多功能嬰兒搖籃裝置。改裝置不僅可以將搖動(dòng)頻率降低到50次/分鐘以下，而且利用浮動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了搖籃多自由度的搖動(dòng)和緩慢的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大大的提高了搖籃搖動(dòng)方式的多樣性，為嬰兒提供了更多更有健康樂趣的搖擺功能，是一種有較大應(yīng)用前景的浮動(dòng)式多功能嬰兒搖籃裝置。

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的浮動(dòng)式多功能嬰兒搖籃裝置由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、搖擺機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、支架四部分構(gòu)成。

1.1.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由內(nèi)盤、電動(dòng)機(jī)、齒輪、內(nèi)盆齒條和套環(huán)等構(gòu)成，電機(jī)帶動(dòng)齒輪與內(nèi)盆齒條嚙合，內(nèi)盆齒條裝在內(nèi)盤上，并通過套環(huán)安放在搖籃裝置的支架上，通過電機(jī)最終帶動(dòng)內(nèi)盆旋轉(zhuǎn)，內(nèi)盤齒條機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)盤齒條機(jī)構(gòu)圖

1.1.2 搖擺機(jī)構(gòu)

搖擺部件由電動(dòng)機(jī)、凸輪頂桿機(jī)構(gòu)和齒輪減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)、進(jìn)而凸輪旋轉(zhuǎn)，由于升程的變化，帶動(dòng)挺桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)盆產(chǎn)生擺動(dòng)，兩凸輪左右配合，通過配合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)盤前后左右擺動(dòng)，進(jìn)而通過旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)相對(duì)而言的前后擺動(dòng)。

1.2 工作原理

其工作原理如下：浮動(dòng)式多功能嬰兒搖籃裝置根據(jù)阿基米德浮力定律，將傳統(tǒng)的嬰兒床變成嬰兒船，放置在注有水的托盆中，利用浮力抵消嬰兒的體重，使支撐塊上的滾輪受力相對(duì)很小，相對(duì)傳統(tǒng)嬰兒床，能耗明顯降低，利用單片機(jī)控制電路控制驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)和搖擺的電動(dòng)機(jī)，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和停止以及轉(zhuǎn)速大小，既可手動(dòng)控制，又可以自動(dòng)控制。

搖擺功能的實(shí)現(xiàn)：是用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而讓凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)過程中，由于升程的變化，推動(dòng)頂桿做上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，頂桿又受限位孔的作用，只能上下運(yùn)動(dòng)，并且頂桿下方的滾輪的滾動(dòng)方向也受到了制約。頂桿的上下運(yùn)動(dòng)不斷推動(dòng)內(nèi)盆在水上做搖擺運(yùn)動(dòng)，由于內(nèi)盆上方導(dǎo)軌與支撐塊滾輪一起的限位作用，內(nèi)盆只能按規(guī)定軌跡搖擺。

旋轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)：是將電動(dòng)機(jī)的輸出經(jīng)三級(jí)齒輪減速后與內(nèi)盆上的齒條嚙合，帶動(dòng)內(nèi)盆旋轉(zhuǎn)，內(nèi)盆上方有柔性導(dǎo)軌，下方有安裝著滾輪的套環(huán)，在導(dǎo)軌與套環(huán)的限位作用下，內(nèi)盆旋轉(zhuǎn)位置不變，并且在水上旋轉(zhuǎn)，阻力很小，用來驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率很小，且由于水的緩沖作用，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)及測(cè)試

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由液晶顯示模塊、輸入模塊、旋轉(zhuǎn)模塊、搖擺模塊、循環(huán)模塊、報(bào)警模塊、微控制器、電機(jī)控制模塊、電源模塊等部分組成，如圖2所示。

整個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制采用STC12C5A60S2單片機(jī)控制，芯片內(nèi)具有豐富的內(nèi)部資源[4－5]，有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方案，供使用者選擇。手動(dòng)控制有旋轉(zhuǎn)控制開關(guān)和搖擺控制開關(guān)。自動(dòng)控制是旋轉(zhuǎn)控制和搖擺控制的結(jié)合，即擺動(dòng)一段時(shí)間后停止，接著進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不斷地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制擺動(dòng)功能，另一個(gè)控制旋轉(zhuǎn)功能。并且兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別有各自的調(diào)速按鈕，可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)和搖擺的速度。調(diào)節(jié)支撐塊上的墊片數(shù)量，可以調(diào)節(jié)搖床的擺動(dòng)幅度。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，將仿真嬰兒體放入內(nèi)盆，開始測(cè)試：第一步按下操控板旋轉(zhuǎn)開關(guān)，在電機(jī)帶動(dòng)下內(nèi)盆正常旋轉(zhuǎn)，物塊沒有大幅搖晃，然后關(guān)閉旋轉(zhuǎn)開關(guān)；第二步按下操控板擺動(dòng)開關(guān)，在凸輪頂桿作用下內(nèi)盆正常擺動(dòng)，然后關(guān)閉擺動(dòng)開關(guān)；第三步按下循環(huán)開關(guān)，電機(jī)分時(shí)啟動(dòng)，半分鐘旋轉(zhuǎn)和半分鐘擺動(dòng)，記錄數(shù)次搖動(dòng)頻率，結(jié)果搖動(dòng)頻率均低于50次/分鐘。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，該浮動(dòng)式多功能嬰兒搖籃裝置可通過自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)多自由度搖擺和360°旋轉(zhuǎn)功能，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

3.1 該搖籃裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)了左右搖擺、前后搖擺和緩慢的360°旋轉(zhuǎn)的功能，搖動(dòng)頻率均低于50次/分鐘，安全舒適，對(duì)小兒進(jìn)行有規(guī)律、舒緩的搖擺，達(dá)到提高小腦的平衡功能，有利于促進(jìn)嬰兒的健康發(fā)育；

3.2 將嬰兒床放置在注有水的托盆中，利用浮力抵消嬰兒的體重，使傳統(tǒng)的嬰兒搖籃變成嬰兒船，具有阻力小，耗能低，搖擺和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)。

［1］延海霞.嬰兒搖籃產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)與研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,23(4):84-86.

［2］黃春.嬰兒搖床自動(dòng)晃動(dòng)裝置[J].電子世界，1990,6：14-15.

［3］蘇成富.自制多功能嬰兒搖床[J].實(shí)用無線電，1995,6：12-14.

［4］楊凱，李鐘慎，黃春池.名優(yōu)茶鮮葉智能養(yǎng)護(hù)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，10:13-15.

［5］鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003:349-361.