可调整式书本翻页机的机械结构设计

余 杭，卢孔宝，陈庆辉，吴利兵，彭 洁，赵鸿瑞

（浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

随着现代社会的发展与进步，人们对生活品质的关注度不断提高。但由于越来越多的科技产品加入到人们的生活中去，使人们渐渐远离了传统的纸质书籍阅读，随之而来即产生了一系列问题如：青少年近视、对科技产品的依赖等。据调查数据显示青少年不愿意接受传统纸质阅读的最重要一个因素为传统阅读无法满足该群体的兴趣，纸质阅读乏味等[1]。

目前，国内外也有不少学者对自动翻书装置进行研究，例如大连交通大学研究的脚踏式翻书机构，美国一位学者研制的Page turner等。各类翻书机都具有一定特色，都能够较好地完成基本的翻书动作，但是还存在一些问题，如翻书装置只能实现单向翻书、书本仍需人工进行放置、无法做到完全自动地换书、阅读角度也无法自动调节等，且制造成本相对较高，并不能大范围地推广使用。

为了优化现有翻书机的缺陷，项目组成员经过调查、分析，结合市场所需，拟定了可调整式书本翻页机的研制的课题，同时申报了2018年国家级大学生创新训练计划并获批，经过机械结构创新设计、样机模型搭建、装置调试等，研制了一款可调整式的自动翻书机，适用于咖啡厅、图书馆等场合，以此来提高青少年对纸质阅读的吸引力。

1 可调整式书本翻页机的整体功能设计

可调整式书本翻页机主要适用休闲场所如：咖啡吧、甜品店等，也适合图书馆等常规阅读场所，该装置具有翻页、自动换书、角度调节等三项主要功能；多项辅助功能如：书页自动压紧、智能台灯等。改变传统纸质书籍阅读模式，借助该装置可以在阅读中解放双手，也适用于手臂残障的人士进行纸质书籍，使用者可利用身体的特定部位（可任意调节）或语音，触发信号开关，利用单片机控制器执行所需功能。解放休闲阅读人士的双手，达到翻书阅读效果，为阅读人群带来极大的便利同时为阅读增加乐趣。同时该翻书装置还能解决手臂有残障的人士阅读纸质书籍问题[2]。

可调整式书本翻页机包括桌体、角度调节机构、撑书机构、翻书机构、底板升降机构、选书机构可调整式书本翻页机整体结构如图1所示。

图1 可调整式书本翻页机三维图

2 可调整式书本翻页机机械结构设计

2.1 对称式翻页机构的设计

为解决休闲阅读时解放双手的问题，实现双向逐张翻页的功能，提出了对称式书本翻页机构设计，翻页机构主要由两个拨书机构组成，其由两种拨杆，压书橡胶，翻页转盘等组成，由伺服电机进行驱动，拨杆一与拨杆二之间通过轴连接，可以根据书本的厚度、宽度等其他信息进行相应的运动设定。两个拨书机构分别安装于桌面的左、右上角，实现灵活正反翻页。转盘底盘中心位置装有距离传感器，当书本经推杆运动到与距离传感器相平行的位置后，丝杆控制的弹簧会随之发生相应的移动，从而使拨书机构准确实现翻书动作。拨杆一运动使顶部的压书橡胶将书的页角处压住，之后拨杆二由伺服电机带动向前伸，利用压书橡胶和书之间的摩擦将书页推起，形成一个较大的空隙。转盘由微型电机控制，其由三个拨书支撑杆、拨杆和拨书橡胶及其底盘组成，支撑杆由转盘中的伺服电机控制，拨杆和支撑杆通过轴来连接，同时底盘上的距离传感器感知书的厚度，控制压书支撑杆的角度从而控制的拨杆的高度，转盘带动拨杆插入缝隙，旋转实现翻书的功能。与此同时，左右两组拨杆机构压住左右两边的书页，防止书本合拢。对称式翻书机构如图2所示。

图2 对称式翻页机构

2.2 桌面角度可调机构的设计

为解决阅读时姿势不舒适宜导致的身体疲惫的问题，实现阅读时书籍角度调节的功能，提出了桌面角度可调节的机构设计。角度调节机构设计主要由步进电机、滑块模组、传动杆、看书底板、看书桌面、连接轴、固定块等组成。在选书、推送动作完成后，桌面通过导轨抬升至顶部，根据原先在屏幕内设定的角度，看书桌面自动调节相应的角度。角度调节机构用了步进电机驱动角度调节装置，为了更好更方便的调节角度，设定可升降底板偏离可调节桌面10°左右，看书桌面与看书底板用连接轴进行固定，用步进电机驱动连杆滑动块在看书底板的滑槽内进行移动，从而使得传动杆在可调节桌面与可升降底板两个空间内内进行运动，传动杆由固定块与看书桌面连接，从而实现桌面的角度调节。翻书机的桌面角度可调机构如图3所示。

图3 桌面角度可调机构

2.3 书籍推送机构的设计

为解决书籍的自动更换及其选用问题，实现自动推送功能，提出了书籍推送机构设计[3]。书籍推送机构由放置于桌体两端的两个推书器组成，其主要由T字形滑块、导轨、十字推动器、电机组成。推书器一侧的T字滑块与桌体内的滑轨调节，十字推动器一侧的一端与推书器转动式连接，另一端与推书器内的滑块三连接，十字推动器另一侧一端与推杆转动式连接，桌体上还设有控制显示器，桌体下方的地面设有若干脚踏控制板。所述的滑块一、移动块、滑块二、T字滑块、滑块三均分别与对应的丝杆螺纹啮合套接，若干丝杆端部、与主动杆上齿轮二啮合的主动齿轮上均连接有电机，且电机均连接至控制显示器，可观察显示器通过脚踏控制板送出选用书籍。翻书机的书籍推送机构如图4所示。

图4 书籍推送机构

2.4 书籍自动更换机构的设计

为解决阅读书籍时来回取书从而造成的时间成本的问题，实现书籍自动更换的功能，提出了书籍自动更换机构的设计，书籍自动更换机构的设计主要由存书板、滑轨、十字推动器、电机、放书板、位置传感器、齿轮一、齿轮二组成。通过脚踏控制板选择控制显示器上录入的书籍，底板升降机构会通过主动杆上的齿轮二带动从动杆，利用齿带带动齿轮一，通过位置传感器，底板会下降至对应的存书板位置，通过选书机构的十字推动器带动推杆，即可将存书板上的书籍推入放书板上，同时书籍推入存书板上时通过定位机构的推条，可对书籍做一个缓冲，同时进行限位，方便后续翻书动作，反之需要还书，利用底板一侧的推书器的推杆，推动放书板上的书籍移动至存书板上即可，选书换书完毕，通过底板升降机构复位。从而实现书籍自动更换的功能。翻书机自动更换书籍机构如图5所示。

图5 书籍自动更换机构

2.5 书本翻页机的运动仿真

可调整式翻书机的主要机构设计完成后，为验证机械结构的可行性，利用SolidWorks软件进行了运动仿真演示。翻书机的对称式翻页机构仿真显示，可以实现书籍的正向翻阅、反向翻阅，翻阅动作连贯、灵活可靠，书籍翻页过程如图6所示。

（续下图）

（接上图）

图6 书籍翻阅仿真过程

翻书机的桌面角度调节运动仿真显示，利用滑动模组与丝杆等运动副工作可以实现角度的变化，适合不同阅读群体、需求所需。翻书机的桌面角度调节仿真过程如图7所示。

图7 翻书机的桌面角度调节仿真过程

翻书机的书籍自动更换包括书籍推送机构、取书机构、还书机构等运动，运动仿真显示，该机构通过推杆、滑轨、位置传感器、存书机构、放书机构等运动，可以实现将指定的书籍在存书板和放书板上进行交换，实现书籍自动更换的目的。该机构运动平稳、无干涉，书籍自动更换过程如图8所示。

（续下图）

（接上图）

图8 书籍自动更换过程仿真

3 装置的创新与特色

本翻页机的所有机构均通过SolidWorks进行软件分析，机构件运动平稳、无干涉、均满足设计要求，可行性高。可调整式翻书机具有自动翻页、自动换书、角度调节等三项主要功能，书页压紧装置、智能台灯等多项辅助功能，使作品更加完善，更加人性化。该作品可以完成向左翻页以及向右翻页这两个动作，翻页完成后书页压紧装置将会对书页进行压紧，防止书页返回。该产品还具有角度调节功能，可以对置书板进行一定的角度变换，适应不同人群的阅读要求。该翻书机的创新与特色如下：

（1）桌体上控制显示器与桌体下方脚踏控制板的设计，对于阅读不便的人，只需观察控制显示器，脚踏控制即可进行更换书籍与阅读书籍；

（2）角度调节机构与撑书机构的设计，可控制放书板调节至适合阅读人阅读的角度；

（3）利用翻书机构，可对放置在放书板上的书籍进行自动翻页；

（4）底板升降机构与选书机构的设计，当阅读完毕或需要阅读书籍时，通过将存书板上的预存书籍送入放书板上即可获得所需阅读的书籍，自动选书。

4 结束语

通过本次大学生创新训练计划的锻炼，结合市场所需研发设计了一款可调整式的自动翻书机，锻炼了实践创新能力，提升了操作技能。所设计的可调整式自动翻书机申报了国家实用新型专利，具有一定的创新性和实用性，为同类产品的开发提供技术指导，可适用于咖啡厅、图书馆等场合，该翻页机机械结构巧妙，性能稳定，制作成本低，对于同类产品具有一定的借鉴意义