自動翻書機的設計

王岳齊 李曉燕 宮曉陽 郭 廓

青島黃海學院 山東 青島266427

引言

對于雙手殘疾的朋友們來說,想要看書相對比較困難。這是因為他們無法像正常人一樣用手翻書。雖然報刊雜志報道曾有殘疾朋友歷盡千辛萬苦學會用腳翻書,但是書離眼睛的距離太遠,不利于閱讀。雖然他們也可以選擇用電腦和特質(zhì)的鼠標閱讀電子書,但是長時間面對電腦會對眼睛造成一定的傷害,而且不太經(jīng)濟,同樣,對于雙手被束縛的傷員來說翻書這樣簡單的動作也成為一個很不方便的事情。于是,自動翻書機應需而生。

新型自動翻書機,主要針對殘障人士無法翻書問題進行設計。該設備以STM32單片機作為控制核心,具備自動翻書功能,以及電子時鐘、LED補光燈等輔助功能。其中,控制系統(tǒng)設計采用自動控制和半自動兩種控制方式,在自動控制模式下,翻書機械手可根據(jù)預先設定好的時間間隔,在達到翻書間隔時間的條件下,自主完成翻書動作;在半自動控制模式下,信號的產(chǎn)生是由讀者感觸光電傳感器而產(chǎn)生,經(jīng)過機械手和吸附機構可實現(xiàn)自由翻書。該設備結構簡單、自動化程度高、價格低的翻書機,解決了殘障人士的讀書問題。具有一定很有市場前景。

正式走進市場的自動翻書機為數(shù)不多,最具代表是BOOK TI ME 5000自動翻書機。BOOK TIME 5000自動翻書機是國外最具代表性的一款翻書機。這臺自動翻書機大小和21寸電視機相仿,適用于大部分規(guī)格的書籍,按鈕控制翻頁。同時也具備自動模式,翻頁間隔時間可隨意調(diào)整。價格高達3000美金。此翻書機過于龐大,不夠簡便,價格過于昂貴,對于大部分人不能接受他的價格。該設備以STM32單片機作為控制核心,具備自動翻書功能,以及電子時鐘、LED補光燈等輔助功能。其中,控制系統(tǒng)設計采用自動控制和半自動兩種控制方式,該設備結構簡單、自動化程度高、價格低的翻書機。

1 電源電路

自動翻書機器人在工作是電路控制部分主要需要兩路電源,一路是主控芯片的電源電路,一路是傳感器與舵機的供電電路,因此主要選用L M2596-5和AMS1117-3.3兩種芯片為系統(tǒng)作電源設計。

圖1 ams1117-3.3芯片

圖2 LM2596-5芯片電路圖

2 舵機控制

由于翻書動作的需要,翻書機在翻書臂兩端裝有輔助翻書的擺桿,該擺桿末端與舵機相連,通過舵機的打角來控制擺桿的收起與放下。舵機的控制部分主要與兩類器件,第一類就是產(chǎn)生PWM的主控芯片STM32F103RBT6,二類就是舵機信隔離控制器SL74 HC32D。

3 電機控制

電機驅(qū)動模塊是翻書機整體性能的關鍵部分,電機驅(qū)動模塊主要功能是驅(qū)動翻書機械臂的左右和上下運動。絲杠傳動的驅(qū)動不僅要求不僅具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性、而且電機的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響、這就要求驅(qū)動具有盡可能寬的高效率區(qū)。

4 信號產(chǎn)生與傳輸

光電傳感器又稱光電開關,發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi),在它的前方裝一塊反光板,利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下,發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住,收光器收不到光時,光電開關就動作,輸出一個開關控制信號。這個信號輸入到單片機里面后,進行處理后給又電機驅(qū)動,驅(qū)動電機進行相應的動作。

5 減速電機

減速電機是指減速機和電機(馬達)的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達或齒輪電機。通常由專業(yè)的減速機生產(chǎn)廠進行集成組裝好后成套供貨。減速電機廣泛應用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè)等。使用減速電機的優(yōu)點是簡化設計、節(jié)省空間。

6 絲杠傳動

滾珠絲杠傳動的原理是:滾珠絲杠作為主動體,螺母就會隨絲桿的轉(zhuǎn)動角度按照對應規(guī)格的導程轉(zhuǎn)化成直線運動,被動工件可以通過螺母座和螺母連接,從而實現(xiàn)對應的直線運動。

7 動力元件

動力元件影響著機構的正常運轉(zhuǎn)和工作效率。在本設計中,由于終端受力對象為書頁,而且執(zhí)行機構各構件材料為鋁合金,尺寸也小,質(zhì)量較輕,所需功率不大,另外機構運動方式為直線往復運動,所以選擇減速直流電機作為動力元件。

8 固定執(zhí)行機構

固定執(zhí)行機構用于保證書本翻頁掃描過程中不發(fā)生滑動現(xiàn)象。根據(jù)翻頁的流程可知,只要對書本左右兩端固定,可有效防止整體書本滑動,對書頁上端進行鋼性固定,可在翻頁的同時固定未執(zhí)行翻頁操作的書頁,防止干擾正在執(zhí)行的翻書操作。

9 氣動元件

氣泵主要分為電動氣泵和手動氣泵,腳動氣泵。電動氣泵。以電力為動力的氣泵,通過電力不停壓縮空氣,產(chǎn)生氣壓。主要應用于氣動打膠,汽車充氣等氣泵的工作原理是:氣泵曲軸運動從而驅(qū)動活塞進行打氣,打出的氣體通過導氣管導入儲氣筒。另一方面儲氣筒又通過一根導氣管將儲氣筒內(nèi)的氣體導入固定在氣泵上的調(diào)壓閥內(nèi),從而控制儲氣筒內(nèi)的氣壓。當儲氣筒內(nèi)的氣壓未達到調(diào)壓閥調(diào)定的壓力時,從儲氣筒內(nèi)進入調(diào)壓閥的氣體不能頂開調(diào)壓閥閥門;當儲氣筒內(nèi)的氣壓達到調(diào)壓閥調(diào)定的壓力時,從儲氣筒內(nèi)進入調(diào)壓閥的氣體頂開調(diào)壓閥閥門,進入氣泵內(nèi)與調(diào)壓閥相通的氣道,并通過氣道控制氣泵的進氣口常開,從而使氣泵空負荷運轉(zhuǎn),達到減少動力損耗,保護氣泵的目的。當儲氣筒內(nèi)的氣壓因損耗而低于調(diào)壓閥調(diào)定的壓力時,調(diào)壓閥內(nèi)的閥門由回位彈簧將其回位,斷開氣泵的控制氣路,氣泵又重新開始打氣。