一種自動撲克機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

姜付兵， 王麗芳， 朱剛賢

（蘇州大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院，b.工程訓(xùn)練中心，江蘇 蘇州215021）

0 引言

撲克牌作為一種娛樂和比賽工具，由于其玩法可千變?nèi)f化，深受大眾的喜愛。在現(xiàn)有使用撲克牌進(jìn)行的娛樂和比賽活動中，洗牌、理牌、順牌、切牌和發(fā)牌雖然不是娛樂活動本身，但卻是撲克牌游戲比賽過程中必不可少的一部分［1］。目前市場上并沒有功能齊全的全自動撲克機(jī)產(chǎn)品，為解決上述出現(xiàn)的問題，本文通過理論分析和試驗研究，利用Pro/E軟件建模和“慧魚”模型平臺設(shè)計出一種集洗牌、分牌、識別、理牌和送牌等功能于一體的全自動撲克機(jī)系統(tǒng)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)

整個結(jié)構(gòu)裝置如圖1所示，由洗牌機(jī)構(gòu)1、分牌機(jī)構(gòu)2、識別機(jī)構(gòu) 3、理牌機(jī)構(gòu)4、送牌機(jī)構(gòu)5五大部分組成，相互配合實現(xiàn)預(yù)期的功能。

圖1 自動撲克機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖

1.1 洗牌機(jī)構(gòu)設(shè)計

洗牌機(jī)構(gòu)見圖2包括洗牌筒、輸送裝置、一號電機(jī)及支架，洗牌筒由外殼、表面設(shè)置有多個齒狀結(jié)構(gòu)的洗牌輪和傳動軸組成，輸送裝置主要包括大小帶輪，傳送帶，二號電機(jī)和送牌通道I。洗牌機(jī)構(gòu)的功能在于將打完的牌混亂并呈倒立狀態(tài)送出。其中混亂撲克牌主要依靠洗牌輪外表面設(shè)置的多個齒狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，將撲克牌翻轉(zhuǎn)并呈倒立狀態(tài)送出主要依靠洗牌筒下端設(shè)置的出牌槽實現(xiàn)［2-3］。

圖2 洗牌機(jī)構(gòu)示意圖

出牌槽的高度設(shè)置要求如下，洗牌機(jī)構(gòu)的側(cè)面示意圖如圖3所示。其中出牌口至傳送帶的垂直高度為H，撲克牌長寬分別為a和b，兩帶輪之間的水平距離為L，傳送帶傾斜角為θ。為保證站立的牌能實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，倒立的牌能順利被送出，則必須滿足：

圖3 洗牌機(jī)構(gòu)側(cè)面示意圖

經(jīng)進(jìn)一步試驗得出，當(dāng)4a/5時，撲克牌能順利翻轉(zhuǎn)和送出。另外，傾斜角θ的確定也至關(guān)重要，θ過大或過小均會導(dǎo)致牌在出牌槽的阻擋下原地“打滑”而不易翻轉(zhuǎn)，不僅會損壞牌的端面，而且破壞洗牌進(jìn)程，經(jīng)多次試驗確定θ 的范圍為 15°～30°為宜。

1.2 分牌機(jī)構(gòu)設(shè)計

分牌機(jī)構(gòu)如圖4所示，包括支撐板、三對分牌輪及三至六號電機(jī)，具體功能體現(xiàn)為將一疊撲克牌分成單張并連續(xù)送至識別機(jī)構(gòu)和理牌機(jī)構(gòu)，其中支撐板呈長條形，安裝高度略低于輸送結(jié)構(gòu)中小帶輪側(cè)高度，三對分牌輪均為橡膠材質(zhì)，每一對在安裝過程中保證相切于支撐板中心對稱面，橡膠輪上端面至支撐板高度約為牌寬b的一半，確保撲克牌在輸送過程中不會倒偏［4-6］。

圖4 分牌機(jī)構(gòu)示意圖

每對分牌輪之間的間距要求及每對分牌輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向設(shè)置如下，為保證輸送過程中撲克牌能夠在每對分牌輪之間順利銜接，故要求每對分牌輪之間的間距為（3/4～4/5）a，小于3a/4會導(dǎo)致?lián)淇伺埔蚯昂蠓峙戚喌臄D壓而損壞，大于4a/5會導(dǎo)致?lián)淇伺撇灰醉樌暯佣鴾粼诜峙戚喼g；三對分牌輪從洗牌機(jī)構(gòu)至理牌機(jī)構(gòu)方向依次標(biāo)號一、二、三，分牌輪轉(zhuǎn)速設(shè)定如下：第一、二兩對分牌輪連接電機(jī)側(cè)設(shè)置為轉(zhuǎn)動（兩對分牌輪連接電機(jī)側(cè)為同一側(cè)），未連接電機(jī)側(cè)設(shè)置為從動，第三對分牌輪兩側(cè)均連接電機(jī)，轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反，三對分牌的轉(zhuǎn)向設(shè)置要求為實現(xiàn)將撲克牌從洗牌機(jī)構(gòu)送往理牌機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)速設(shè)定依據(jù)撲克牌的數(shù)目及識別機(jī)構(gòu)的靈敏度確定。

1.3 識別機(jī)構(gòu)設(shè)計

識別機(jī)構(gòu)由光電傳感器構(gòu)成，功能在于準(zhǔn)確識別牌的正反面。傳感器安裝有發(fā)光口和接收口，其工作原理為根據(jù)發(fā)射光照射牌面后反射光的強(qiáng)弱判別牌的正反（原理：撲克牌背面一般有紋理，故反射光較弱，正面紋理較少且呈白色，故反射光較強(qiáng)），傳感器安裝于第二、三兩對分牌輪之間，安裝高度與分牌輪齊平。設(shè)計過程中，經(jīng)多次試驗確定傳感器對于撲克牌正面反光強(qiáng)度最小測試值和背面最大測試值，控制程序中將兩者的平均值作為傳感器的工作閾值。

1.4 理牌機(jī)構(gòu)設(shè)計

理牌機(jī)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)（如圖5所示），主要由特殊的雙斜面結(jié)構(gòu)、蝸輪蝸桿、收牌盒、擋牌板、下方送牌通道II及七至九號電機(jī)組成，功能在于將識別好的牌先按正反分成均為背面朝上的兩疊牌再合并成一副完整的牌。雙斜面結(jié)構(gòu)形狀似三棱柱，可繞中心軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度；收牌盒由底部收牌板和側(cè)面盒壁組成，盒壁固定于支架上，收牌板通過連桿及蝸輪蝸桿連接于電機(jī)，且收牌板在電機(jī)帶動下可實現(xiàn)繞外側(cè)邊旋轉(zhuǎn)［7-8］。

圖5 理牌機(jī)構(gòu)示意圖

理牌機(jī)構(gòu)實現(xiàn)理牌的工作原理為經(jīng)識別后送出的牌均能以正面接觸斜面的方式滑入左右兩個收牌盒內(nèi)，確保進(jìn)入收牌盒的撲克牌均是背面朝上。雙斜面結(jié)構(gòu)安裝于分牌輪的中心線方向，轉(zhuǎn)動角度設(shè)置成正負(fù)15°，角度設(shè)置為確保撲克牌能以較好的姿態(tài)沿斜面滑入收牌盒內(nèi)，雙斜面結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)動作務(wù)必在識別傳感器發(fā)出信號和第三對分牌輪將牌送出之間完成。收牌板傾斜角度設(shè)定依據(jù)牌面與板面的摩擦情況，確保一疊撲克牌能夠平穩(wěn)順利地從收牌板滑入下方送牌通道內(nèi)的三號收牌板上，為保證撲克牌能夠在較小的傾斜角度下順利滑出，必須減小板面與牌面的摩擦因數(shù)，因此在收牌板表面貼附透明膠帶，減小摩擦。經(jīng)多次分析及試驗，最終設(shè)置收牌板傾斜角度為30°，另外左右兩收牌板旋轉(zhuǎn)動作間隔10 s，確保合牌過程不發(fā)生干涉。

1.5 送牌機(jī)構(gòu)設(shè)計

送牌機(jī)構(gòu)見圖6，主要組成部分為收牌板、齒輪齒條、十至十二號電機(jī)及立柱，功能在于將合成好的牌沿送牌通道從理牌機(jī)構(gòu)下方抽出并向上送往桌面。水平運(yùn)動及豎直運(yùn)動均由齒輪齒條傳動實現(xiàn)，豎直方向由兩側(cè)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動實現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動［9］。

撲克機(jī)系統(tǒng)動作執(zhí)行過程中，均由行程限位開關(guān)檢測各機(jī)構(gòu)/部件是否到達(dá)預(yù)定位置。

2 撲克機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計及電機(jī)選型

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要采用“慧魚”模型提供的智能ROBO控制板，該控制板內(nèi)部集成16 MHz微處理器和存儲器，外部設(shè)置有8路數(shù)字信號和4路模擬信號（電阻量和電壓量各2個）輸入接口，并通過4個功率輸出接口控制電機(jī)。控制程序通過“慧魚”公司提供的專用編程軟件（ROBO Pro）進(jìn)行編寫，該軟件內(nèi)部集成各種功能函數(shù)并以不同圖框形式顯示，編程人員只需進(jìn)行各功能函數(shù)之間的連接和內(nèi)部功能參數(shù)的設(shè)定，編寫完成的程序以流程圖的形式呈現(xiàn)。

圖6 送牌機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 電機(jī)選型

通過計算，對系統(tǒng)中的十二個電機(jī)進(jìn)行選型，其中兩個電機(jī)（56、57）對功率要求較小，故選用“慧魚”模型中的普通直流電機(jī)，參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速1200r/min，額定電壓12V，額定功率6 W，其余十個電機(jī)對功率要求較高，故選用大功率直流電機(jī)，參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速2400r/min，額定電壓12V，額定功率12 W。減速箱選用普通二級直齒輪減速箱和錐齒輪減速箱，傳動比均為i=18。

3 撲克機(jī)工作流程及試驗結(jié)果

3.1 撲克機(jī)工作流程

撲克機(jī)的工作過程由5個步驟構(gòu)成，依次稱為洗牌、分牌、識牌、理牌和送牌。下面針對5個動作作詳細(xì)介紹：

1）首先當(dāng)打完的牌經(jīng)進(jìn)牌口（進(jìn)入洗牌機(jī)構(gòu)1后，洗牌筒內(nèi)的洗牌輪11在一號電機(jī)13帶動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將牌混亂實現(xiàn)洗牌，洗完的牌落在出牌口下方的傳送帶17上并且呈正立或倒立狀態(tài)，傳送帶將牌送往分牌機(jī)構(gòu)2，傳送過程中由于出牌口處擋牌槽高度的影響，使得牌均呈倒立狀態(tài)進(jìn)入分牌機(jī)構(gòu)。

2）倒立的牌依靠摩擦因數(shù)較高的橡膠輪實現(xiàn)單張分開，牌經(jīng)第一21和第二22對分牌輪實現(xiàn)單張分開，單張牌經(jīng)由光電傳感器組成的識別裝置3識別正反，傳感器將得到的信號傳送給理牌機(jī)構(gòu)的七號電機(jī)46，第三對分牌輪23在五、六號電機(jī)27、28帶動下將識別好的單張牌送往理牌機(jī)構(gòu)4。

3）理牌機(jī)構(gòu)的七號電機(jī)46接受傳感器信號，帶動雙斜面結(jié)構(gòu)42左旋或右旋，上述由分牌機(jī)構(gòu)2送出的牌經(jīng)擋牌板43阻擋后沿斜面下滑進(jìn)入一、二號收牌盒40、41內(nèi)（落入收牌盒內(nèi)的牌均背面朝上），當(dāng)所有的牌都落入收牌盒中后，一、二號收牌盒40、41下方的八、九號電機(jī)47、48接收控制信號依次帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)45，使收牌板傾斜一定角度，使左右兩疊牌相繼滑入位于斜下方的三號收牌盒51中，組成一副完整的牌。

4）送牌機(jī)構(gòu)5接收到完整的撲克牌，先由十號電機(jī)55帶動齒條52將疊好的牌沿送牌通道II49從理牌機(jī)構(gòu)4中運(yùn)出，再由十一、十二號電機(jī)56、57同時作用，帶動連接板58將牌垂直送到桌面，完成一次完整的洗牌過程。

3.2 試驗結(jié)果

對“慧魚”模型搭建的洗牌機(jī)（見圖7）進(jìn)行各項性能測試各100次（包括洗牌輪檔牌槽擋牌效果測試、分牌輪單張分牌效果測試、識別裝置識別效果測試、斜面機(jī)構(gòu)理牌效果測試）。經(jīng)試驗得出，擋牌成功率為100%，分牌成功率為98%，識別成功率為96%，理牌成功率為94%，綜合成功率為88.4%，基本滿足設(shè)計要求。

圖7 洗牌機(jī)“慧魚”模型

4 結(jié)論

通過Pro/E軟件建模和"慧魚"模型平臺，設(shè)計并搭建了一種新型自動撲克機(jī)系統(tǒng)，詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的組成、工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計、主要工作流程等。為了實現(xiàn)撲克牌呈倒立狀態(tài)輸出，對出牌槽高度進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計和試驗，最終確定出牌槽高度H=4a/5；創(chuàng)新設(shè)計的兩級分牌輪結(jié)構(gòu)可將一疊撲克牌分成單張；由光電傳感器組成的識別機(jī)構(gòu)和特殊的雙斜面結(jié)構(gòu)相配合實現(xiàn)了對不同朝向的撲克牌進(jìn)行識別和整理。經(jīng)多次試驗，該撲克機(jī)設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)合理、切實可行，綜合成功率達(dá)88.4%，是一種全新的自動撲克機(jī)。

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