自动翻书机的设计

王岳齐 李晓燕 宫晓阳 郭 廓

青岛黄海学院 山东 青岛266427

引言

对于双手残疾的朋友们来说,想要看书相对比较困难。这是因为他们无法像正常人一样用手翻书。虽然报刊杂志报道曾有残疾朋友历尽千辛万苦学会用脚翻书,但是书离眼睛的距离太远,不利于阅读。虽然他们也可以选择用电脑和特质的鼠标阅读电子书,但是长时间面对电脑会对眼睛造成一定的伤害,而且不太经济,同样,对于双手被束缚的伤员来说翻书这样简单的动作也成为一个很不方便的事情。于是,自动翻书机应需而生。

新型自动翻书机,主要针对残障人士无法翻书问题进行设计。该设备以STM32单片机作为控制核心,具备自动翻书功能,以及电子时钟、LED补光灯等辅助功能。其中,控制系统设计采用自动控制和半自动两种控制方式,在自动控制模式下,翻书机械手可根据预先设定好的时间间隔,在达到翻书间隔时间的条件下,自主完成翻书动作;在半自动控制模式下,信号的产生是由读者感触光电传感器而产生,经过机械手和吸附机构可实现自由翻书。该设备结构简单、自动化程度高、价格低的翻书机,解决了残障人士的读书问题。具有一定很有市场前景。

正式走进市场的自动翻书机为数不多,最具代表是BOOK TI ME 5000自动翻书机。BOOK TIME 5000自动翻书机是国外最具代表性的一款翻书机。这台自动翻书机大小和21寸电视机相仿,适用于大部分规格的书籍,按钮控制翻页。同时也具备自动模式,翻页间隔时间可随意调整。价格高达3000美金。此翻书机过于庞大,不够简便,价格过于昂贵,对于大部分人不能接受他的价格。该设备以STM32单片机作为控制核心,具备自动翻书功能,以及电子时钟、LED补光灯等辅助功能。其中,控制系统设计采用自动控制和半自动两种控制方式,该设备结构简单、自动化程度高、价格低的翻书机。

1 电源电路

自动翻书机器人在工作是电路控制部分主要需要两路电源,一路是主控芯片的电源电路,一路是传感器与舵机的供电电路,因此主要选用L M2596-5和AMS1117-3.3两种芯片为系统作电源设计。

图1 ams1117-3.3芯片

图2 LM2596-5芯片电路图

2 舵机控制

由于翻书动作的需要,翻书机在翻书臂两端装有辅助翻书的摆杆,该摆杆末端与舵机相连,通过舵机的打角来控制摆杆的收起与放下。舵机的控制部分主要与两类器件,第一类就是产生PWM的主控芯片STM32F103RBT6,二类就是舵机信隔离控制器SL74 HC32D。

3 电机控制

电机驱动模块是翻书机整体性能的关键部分,电机驱动模块主要功能是驱动翻书机械臂的左右和上下运动。丝杠传动的驱动不仅要求不仅具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性、而且电机的转矩—转速特性受电源功率的影响、这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。

4 信号产生与传输

光电传感器又称光电开关,发光器和收光器装入同一个装置内,在它的前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下,发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。这个信号输入到单片机里面后,进行处理后给又电机驱动,驱动电机进行相应的动作。

5 减速电机

减速电机是指减速机和电机(马达)的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速电机广泛应用于钢铁行业、机械行业等。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。

6 丝杠传动

滚珠丝杠传动的原理是:滚珠丝杠作为主动体,螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动,被动工件可以通过螺母座和螺母连接,从而实现对应的直线运动。

7 动力元件

动力元件影响着机构的正常运转和工作效率。在本设计中,由于终端受力对象为书页,而且执行机构各构件材料为铝合金,尺寸也小,质量较轻,所需功率不大,另外机构运动方式为直线往复运动,所以选择减速直流电机作为动力元件。

8 固定执行机构

固定执行机构用于保证书本翻页扫描过程中不发生滑动现象。根据翻页的流程可知,只要对书本左右两端固定,可有效防止整体书本滑动,对书页上端进行钢性固定,可在翻页的同时固定未执行翻页操作的书页,防止干扰正在执行的翻书操作。

9 气动元件

气泵主要分为电动气泵和手动气泵,脚动气泵。电动气泵。以电力为动力的气泵,通过电力不停压缩空气,产生气压。主要应用于气动打胶,汽车充气等气泵的工作原理是:气泵曲轴运动从而驱动活塞进行打气,打出的气体通过导气管导入储气筒。另一方面储气筒又通过一根导气管将储气筒内的气体导入固定在气泵上的调压阀内,从而控制储气筒内的气压。当储气筒内的气压未达到调压阀调定的压力时,从储气筒内进入调压阀的气体不能顶开调压阀阀门;当储气筒内的气压达到调压阀调定的压力时,从储气筒内进入调压阀的气体顶开调压阀阀门,进入气泵内与调压阀相通的气道,并通过气道控制气泵的进气口常开,从而使气泵空负荷运转,达到减少动力损耗,保护气泵的目的。当储气筒内的气压因损耗而低于调压阀调定的压力时,调压阀内的阀门由回位弹簧将其回位,断开气泵的控制气路,气泵又重新开始打气。