可調整式書本翻頁機的機械結構設計

余 杭，盧孔寶，陳慶輝，吳利兵，彭 潔，趙鴻瑞

（浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018）

隨著現代社會的發展與進步，人們對生活品質的關注度不斷提高。但由于越來越多的科技產品加入到人們的生活中去，使人們漸漸遠離了傳統的紙質書籍閱讀，隨之而來即產生了一系列問題如：青少年近視、對科技產品的依賴等。據調查數據顯示青少年不愿意接受傳統紙質閱讀的最重要一個因素為傳統閱讀無法滿足該群體的興趣，紙質閱讀乏味等[1]。

目前，國內外也有不少學者對自動翻書裝置進行研究，例如大連交通大學研究的腳踏式翻書機構，美國一位學者研制的Page turner等。各類翻書機都具有一定特色，都能夠較好地完成基本的翻書動作，但是還存在一些問題，如翻書裝置只能實現單向翻書、書本仍需人工進行放置、無法做到完全自動地換書、閱讀角度也無法自動調節等，且制造成本相對較高，并不能大范圍地推廣使用。

為了優化現有翻書機的缺陷，項目組成員經過調查、分析，結合市場所需，擬定了可調整式書本翻頁機的研制的課題，同時申報了2018年國家級大學生創新訓練計劃并獲批，經過機械結構創新設計、樣機模型搭建、裝置調試等，研制了一款可調整式的自動翻書機，適用于咖啡廳、圖書館等場合，以此來提高青少年對紙質閱讀的吸引力。

1 可調整式書本翻頁機的整體功能設計

可調整式書本翻頁機主要適用休閑場所如：咖啡吧、甜品店等，也適合圖書館等常規閱讀場所，該裝置具有翻頁、自動換書、角度調節等三項主要功能；多項輔助功能如：書頁自動壓緊、智能臺燈等。改變傳統紙質書籍閱讀模式，借助該裝置可以在閱讀中解放雙手，也適用于手臂殘障的人士進行紙質書籍，使用者可利用身體的特定部位（可任意調節）或語音，觸發信號開關，利用單片機控制器執行所需功能。解放休閑閱讀人士的雙手，達到翻書閱讀效果，為閱讀人群帶來極大的便利同時為閱讀增加樂趣。同時該翻書裝置還能解決手臂有殘障的人士閱讀紙質書籍問題[2]。

可調整式書本翻頁機包括桌體、角度調節機構、撐書機構、翻書機構、底板升降機構、選書機構可調整式書本翻頁機整體結構如圖1所示。

圖1 可調整式書本翻頁機三維圖

2 可調整式書本翻頁機機械結構設計

2.1 對稱式翻頁機構的設計

為解決休閑閱讀時解放雙手的問題，實現雙向逐張翻頁的功能，提出了對稱式書本翻頁機構設計，翻頁機構主要由兩個撥書機構組成，其由兩種撥桿，壓書橡膠，翻頁轉盤等組成，由伺服電機進行驅動，撥桿一與撥桿二之間通過軸連接，可以根據書本的厚度、寬度等其他信息進行相應的運動設定。兩個撥書機構分別安裝于桌面的左、右上角，實現靈活正反翻頁。轉盤底盤中心位置裝有距離傳感器，當書本經推桿運動到與距離傳感器相平行的位置后，絲桿控制的彈簧會隨之發生相應的移動，從而使撥書機構準確實現翻書動作。撥桿一運動使頂部的壓書橡膠將書的頁角處壓住，之后撥桿二由伺服電機帶動向前伸，利用壓書橡膠和書之間的摩擦將書頁推起，形成一個較大的空隙。轉盤由微型電機控制，其由三個撥書支撐桿、撥桿和撥書橡膠及其底盤組成，支撐桿由轉盤中的伺服電機控制，撥桿和支撐桿通過軸來連接，同時底盤上的距離傳感器感知書的厚度，控制壓書支撐桿的角度從而控制的撥桿的高度，轉盤帶動撥桿插入縫隙，旋轉實現翻書的功能。與此同時，左右兩組撥桿機構壓住左右兩邊的書頁，防止書本合攏。對稱式翻書機構如圖2所示。

圖2 對稱式翻頁機構

2.2 桌面角度可調機構的設計

為解決閱讀時姿勢不舒適宜導致的身體疲憊的問題，實現閱讀時書籍角度調節的功能，提出了桌面角度可調節的機構設計。角度調節機構設計主要由步進電機、滑塊模組、傳動桿、看書底板、看書桌面、連接軸、固定塊等組成。在選書、推送動作完成后，桌面通過導軌抬升至頂部，根據原先在屏幕內設定的角度，看書桌面自動調節相應的角度。角度調節機構用了步進電機驅動角度調節裝置，為了更好更方便的調節角度，設定可升降底板偏離可調節桌面10°左右，看書桌面與看書底板用連接軸進行固定，用步進電機驅動連桿滑動塊在看書底板的滑槽內進行移動，從而使得傳動桿在可調節桌面與可升降底板兩個空間內內進行運動，傳動桿由固定塊與看書桌面連接，從而實現桌面的角度調節。翻書機的桌面角度可調機構如圖3所示。

圖3 桌面角度可調機構

2.3 書籍推送機構的設計

為解決書籍的自動更換及其選用問題，實現自動推送功能，提出了書籍推送機構設計[3]。書籍推送機構由放置于桌體兩端的兩個推書器組成，其主要由T字形滑塊、導軌、十字推動器、電機組成。推書器一側的T字滑塊與桌體內的滑軌調節，十字推動器一側的一端與推書器轉動式連接，另一端與推書器內的滑塊三連接，十字推動器另一側一端與推桿轉動式連接，桌體上還設有控制顯示器，桌體下方的地面設有若干腳踏控制板。所述的滑塊一、移動塊、滑塊二、T字滑塊、滑塊三均分別與對應的絲桿螺紋嚙合套接，若干絲桿端部、與主動桿上齒輪二嚙合的主動齒輪上均連接有電機，且電機均連接至控制顯示器，可觀察顯示器通過腳踏控制板送出選用書籍。翻書機的書籍推送機構如圖4所示。

圖4 書籍推送機構

2.4 書籍自動更換機構的設計

為解決閱讀書籍時來回取書從而造成的時間成本的問題，實現書籍自動更換的功能，提出了書籍自動更換機構的設計，書籍自動更換機構的設計主要由存書板、滑軌、十字推動器、電機、放書板、位置傳感器、齒輪一、齒輪二組成。通過腳踏控制板選擇控制顯示器上錄入的書籍，底板升降機構會通過主動桿上的齒輪二帶動從動桿，利用齒帶帶動齒輪一，通過位置傳感器，底板會下降至對應的存書板位置，通過選書機構的十字推動器帶動推桿，即可將存書板上的書籍推入放書板上，同時書籍推入存書板上時通過定位機構的推條，可對書籍做一個緩沖，同時進行限位，方便后續翻書動作，反之需要還書，利用底板一側的推書器的推桿，推動放書板上的書籍移動至存書板上即可，選書換書完畢，通過底板升降機構復位。從而實現書籍自動更換的功能。翻書機自動更換書籍機構如圖5所示。

圖5 書籍自動更換機構

2.5 書本翻頁機的運動仿真

可調整式翻書機的主要機構設計完成后，為驗證機械結構的可行性，利用SolidWorks軟件進行了運動仿真演示。翻書機的對稱式翻頁機構仿真顯示，可以實現書籍的正向翻閱、反向翻閱，翻閱動作連貫、靈活可靠，書籍翻頁過程如圖6所示。

（續下圖）

（接上圖）

圖6 書籍翻閱仿真過程

翻書機的桌面角度調節運動仿真顯示，利用滑動模組與絲桿等運動副工作可以實現角度的變化，適合不同閱讀群體、需求所需。翻書機的桌面角度調節仿真過程如圖7所示。

圖7 翻書機的桌面角度調節仿真過程

翻書機的書籍自動更換包括書籍推送機構、取書機構、還書機構等運動，運動仿真顯示，該機構通過推桿、滑軌、位置傳感器、存書機構、放書機構等運動，可以實現將指定的書籍在存書板和放書板上進行交換，實現書籍自動更換的目的。該機構運動平穩、無干涉，書籍自動更換過程如圖8所示。

（續下圖）

（接上圖）

圖8 書籍自動更換過程仿真

3 裝置的創新與特色

本翻頁機的所有機構均通過SolidWorks進行軟件分析，機構件運動平穩、無干涉、均滿足設計要求，可行性高。可調整式翻書機具有自動翻頁、自動換書、角度調節等三項主要功能，書頁壓緊裝置、智能臺燈等多項輔助功能，使作品更加完善，更加人性化。該作品可以完成向左翻頁以及向右翻頁這兩個動作，翻頁完成后書頁壓緊裝置將會對書頁進行壓緊，防止書頁返回。該產品還具有角度調節功能，可以對置書板進行一定的角度變換，適應不同人群的閱讀要求。該翻書機的創新與特色如下：

（1）桌體上控制顯示器與桌體下方腳踏控制板的設計，對于閱讀不便的人，只需觀察控制顯示器，腳踏控制即可進行更換書籍與閱讀書籍；

（2）角度調節機構與撐書機構的設計，可控制放書板調節至適合閱讀人閱讀的角度；

（3）利用翻書機構，可對放置在放書板上的書籍進行自動翻頁；

（4）底板升降機構與選書機構的設計，當閱讀完畢或需要閱讀書籍時，通過將存書板上的預存書籍送入放書板上即可獲得所需閱讀的書籍，自動選書。

4 結束語

通過本次大學生創新訓練計劃的鍛煉，結合市場所需研發設計了一款可調整式的自動翻書機，鍛煉了實踐創新能力，提升了操作技能。所設計的可調整式自動翻書機申報了國家實用新型專利，具有一定的創新性和實用性，為同類產品的開發提供技術指導，可適用于咖啡廳、圖書館等場合，該翻頁機機械結構巧妙，性能穩定，制作成本低，對于同類產品具有一定的借鑒意義