吹气感应式自动翻页器设计

陶超龄， 周岳斌， 李 寒

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 441053；2.汽车零部件制造装备数字化湖北省协同创新中心，湖北 襄阳 441053）

引言

现代的生活都离不开文字阅读，对于肢体残障人士来说，阅读相对比较困难；乐器弹奏者也常需翻转乐谱而中断演奏。目前的自动翻书装置有的体积大，噪音大，操作不便；有的通过机械操纵实现翻书功能，动作机构占用的空间过大；有的通过机电控制实现，但电路比较复杂；还有的价格昂贵，不适于大众消费。大多不能自如地实现左右翻书的互换，也不能根据个人喜好调节书籍放置角度，适应性不强。用户使用时必须通过一定机械触碰才能触发翻书命令，这样会影响用户阅读兴致，对于肢体残障人士和乐器弹奏人员具有局限性。因此，有必要设计一款反应灵敏、结构紧凑、控制电路简单，无需机械触碰，适于肢体残障人士和乐器弹奏者的自动翻页器［1－3］。

1 系统设计方案

自动翻页器整体视图如图1所示，主要包括倾斜机构、夹书机构、擦页机构和翻页机构。采用步进电机带动翻页杆的转动模拟人手在书页上的滑动，翻页杆一头带着软胶材质磨球。由步进电机带动的翻页片插入因磨球摩擦而拱起的书页空隙，旋转压过书籍另一侧，翻页片停留在翻过书页上，可防止书页回翻。

为配合读者的看书习惯，在上下书板间加上了合页以及抵齿尖板，下层书板设置阶梯状直角齿条，抵齿尖板可调定在任意两齿间从而改变上层书板的倾斜角度。为使书籍固定在书板上，采用压簧连接两平行板夹住书籍的装订线，通过弹簧反推力将书面挤压竖直，保持书籍装订侧面与底板重合。

翻书不需要读者动手翻页，采取吹气感应话筒控制。用户佩戴一个耳夹，感应吹气的话筒调放在用户嘴巴前方。感应吹气的话筒通过电路转化发出无线信号，以单片机控制各机构动作，翻页转换按钮与话筒分岔相接在耳夹上，与其协同工作，同样不需要动手，通过无线信号控制。

图1 整体视图

2 主要机构设计与仿真

2.1 倾斜机构

自动翻页器的倾斜机构如图2所示。翻页器包括上下两块书板，上书板的尺寸为：长500mm×宽400mm×高10mm，下书板与上书板等长，宽可以少150mm，厚度也可减为5mm，可减轻装置整体重量。下书板可支撑上书板以及放置电路控制系统，电源开关、按键等；上书板可用于夹放书籍，放置翻页各个机构；两书板间用两片合页连在一起，在上书板背面有一铰链连接抵齿尖板，尖端顶在下书板上的直角齿条间，阻止上书板转动，可依用户喜好随意调节翻页器的倾斜角度。

图2 倾斜机构

2.2 夹书机构

自动翻页器的夹书机构如图3所示。上书板中间有一细长条凹槽，凹槽内部两侧对称部分各有3个压缩弹簧，3个弹簧分别连接一块夹书板，两夹板平行并且底部沿着凹槽底部滑动，两平行板两侧各有2根绳子牵引，牵引端挂钩可挂住书板上两侧不远处孔板。在放置书籍前拉线挂上挂钩张开两平行板距离。书本放置好后解开，由压缩弹簧产生作用力抵紧两夹板。两平行板两头各插入1根细轴，防止夹板窜动，控制抵齿尖板夹板必须沿着凹槽地面滑动，书本装订线侧面就与凹槽底平面重合，书籍固定完毕。

2.3 擦页机构

图3 夹书机构

自动翻页器的擦页机构如图4所示。采用连杆与磨球连接，磨球选用软胶材质，较人手翻页更为精准。磨球杆在不工作时在书本之外，与书本上沿平行，自动旋转到书本上会因书本厚度而堵在外侧，可以增加一个竖杆，竖杆一头与步进电机相连，步进电机的输出轴是水平的，在与竖直杆连接时加上一对90°配合的锥齿轮，改变力的传动方向；另一头采用铰链与磨杆相连，磨杆可围绕铰链连接点上下旋转。另外，磨杆下方与书板空间内设有一块圆滑凸台，磨杆旋转时遇到凸台，改变运动路径，沿着圆滑凸台表面轮廓移动。由杠杆原理，磨球所在端翘起，越过书本厚度阻碍，便顺利滑移到页面上。

图4 擦页机构

2.4 翻页机构

自动翻页器的翻页机构如下页图5所示。翻页片为一个整体，有三片，均为扁平长方体硬片，在同一平面，相互间夹角为120°，与上书板平行安装。翻页片的孔轴线竖直，与电机输出轴采用一对成90°的锥齿轮连接。预备状态时，翻页片1与书本上沿平行，且高出书面一定高度，翻页片2为压页片，翻页片3为准备片。翻页时，翻页片1插入磨球擦起的页面拱起空间转动翻页，当翻页片1顺时针旋转120°到原达翻页片2位置，翻页片3到达原翻页片1位置，作为下次的翻页片，翻页片2悬空在外，作为准备片，形成交叉翻页。当书页一角被磨球擦起，下侧书页受挤压拱起，硬薄片就可随着步进电机的旋转插入书页拱起空间内，带着书页翻到另一边。

图5 翻页机构

3 控制系统设计

自动翻页器的控制系统如图6所示。驻极体话筒感应吹气信号，经过放大调制成可使用的音频电信号，经无线发射器将信号发送至无线接收器。单片机设计成最小系统，接收到翻页操作信号便运行对应驱动程序，步进电机按设定功能动作。另有电源总开关控制电源通断，初始置位按钮开始程序使磨球和翻页片停在右翻页预备状态，终止回位按钮开始程序使磨球平行书板上沿，顺利将书籍收下；独立台灯旋钮调整灯光明暗。主控芯片采用AT89C51单片机，其有4个8位I／O口，3个步进电机的驱动器分别接4个接口；另有一个电源开关预备（右翻状态）按钮、一个结束回位按钮，一个台灯开关独立工作，2根无线接收模块输出线。感应吹气的是无线驻极体话筒，感应吹气，将声波信号转变成音频电信号。吹气作为翻页的指令开关，话筒因吹气气压受迫振动，相比人说话时的振幅大，输出电压值就大，通过比较电压值大小可区别说话和吹气。

图6 控制系统框图

图7 为无线接收模块与单片机电路。无线发射和接收模块内包含PT2262编码器和PT2272解码器，2片芯片配合工作。要使VT脚输出高电平，解码芯片PT2272接收到PT2262的地址码需要经过两次比较核对，编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，同时PT2272相应数据引脚也输出高电平［4］。没有按键按下时，PT2262与电源断开，其17引脚为低电平，高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262通电工作，其第17引脚输出经调制的串行数据信号。

图7 无线接收模块与单片机电路

单片机系统需要控制左磨球杆电机、右磨球杆电机、翻页片电机共3个步进电机，图8为一个步进电机驱动电路。由单片机程序控制各个步进电机的脉冲指令个数、频率控制步进电机转动角度、转动速度，依据每个机构的动作目的，在需要其工作的时候给出相应的脉冲控制信号［5］。

图8 步进电机驱动电路

4 结语

吹气感应式自动翻页器采用无线驻极体话筒感应操作者的吹气动作，无需肢体接触就可实现阅读翻页。整个设计的机械装置机构紧凑，控制电路简单，便于携带，可以有效地解决肢体残障人士和乐器弹奏人员的阅读翻页问题，具有较好的实用价值和应用前景。

［1］ 冶建科，赵群飞，周毅.一种自动翻页扫描机器人的研制［J］.机器人技术与应用，2009（1）：27-30.

［2］ 宜亚丽，武岳，赵三猛等.全自动可调式翻页机构设计［J］.机械研究与应用，2011（6）：79-81.

［3］ 颜定祎，谭华，肖鹏递等.递送式自动翻页盖章机研究［J］.机械，2014（3）：40-42.

［4］ 姜觅.基于步进电机的自动翻页扫描设备的研究和设计［D］.武汉：武汉科技大学：2012.

［5］ 周绍平，杜洪林.PT2262／PT2272无线数据收发模块应用的改进方法［J］.江西科学，2009（4）：596-607.