余 杭，盧孔寶，陳慶輝，吳利兵，彭 潔，趙鴻瑞

（浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)生活品質(zhì)的關(guān)注度不斷提高。但由于越來(lái)越多的科技產(chǎn)品加入到人們的生活中去，使人們漸漸遠(yuǎn)離了傳統(tǒng)的紙質(zhì)書籍閱讀，隨之而來(lái)即產(chǎn)生了一系列問(wèn)題如：青少年近視、對(duì)科技產(chǎn)品的依賴等。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示青少年不愿意接受傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀的最重要一個(gè)因素為傳統(tǒng)閱讀無(wú)法滿足該群體的興趣，紙質(zhì)閱讀乏味等[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者對(duì)自動(dòng)翻書裝置進(jìn)行研究，例如大連交通大學(xué)研究的腳踏式翻書機(jī)構(gòu)，美國(guó)一位學(xué)者研制的Page turner等。各類翻書機(jī)都具有一定特色，都能夠較好地完成基本的翻書動(dòng)作，但是還存在一些問(wèn)題，如翻書裝置只能實(shí)現(xiàn)單向翻書、書本仍需人工進(jìn)行放置、無(wú)法做到完全自動(dòng)地?fù)Q書、閱讀角度也無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)等，且制造成本相對(duì)較高，并不能大范圍地推廣使用。

為了優(yōu)化現(xiàn)有翻書機(jī)的缺陷，項(xiàng)目組成員經(jīng)過(guò)調(diào)查、分析，結(jié)合市場(chǎng)所需，擬定了可調(diào)整式書本翻頁(yè)機(jī)的研制的課題，同時(shí)申報(bào)了2018年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃并獲批，經(jīng)過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、樣機(jī)模型搭建、裝置調(diào)試等，研制了一款可調(diào)整式的自動(dòng)翻書機(jī)，適用于咖啡廳、圖書館等場(chǎng)合，以此來(lái)提高青少年對(duì)紙質(zhì)閱讀的吸引力。

1 可調(diào)整式書本翻頁(yè)機(jī)的整體功能設(shè)計(jì)

可調(diào)整式書本翻頁(yè)機(jī)主要適用休閑場(chǎng)所如：咖啡吧、甜品店等，也適合圖書館等常規(guī)閱讀場(chǎng)所，該裝置具有翻頁(yè)、自動(dòng)換書、角度調(diào)節(jié)等三項(xiàng)主要功能；多項(xiàng)輔助功能如：書頁(yè)自動(dòng)壓緊、智能臺(tái)燈等。改變傳統(tǒng)紙質(zhì)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(jìn)行紙質(zhì)書籍，使用者可利用身體的特定部位（可任意調(diào)節(jié)）或語(yǔ)音，觸發(fā)信號(hào)開關(guān)，利用單片機(jī)控制器執(zhí)行所需功能。解放休閑閱讀人士的雙手，達(dá)到翻書閱讀效果，為閱讀人群帶來(lái)極大的便利同時(shí)為閱讀增加樂(lè)趣。同時(shí)該翻書裝置還能解決手臂有殘障的人士閱讀紙質(zhì)書籍問(wèn)題[2]。

可調(diào)整式書本翻頁(yè)機(jī)包括桌體、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、撐書機(jī)構(gòu)、翻書機(jī)構(gòu)、底板升降機(jī)構(gòu)、選書機(jī)構(gòu)可調(diào)整式書本翻頁(yè)機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可調(diào)整式書本翻頁(yè)機(jī)三維圖

2 可調(diào)整式書本翻頁(yè)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)稱式翻頁(yè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為解決休閑閱讀時(shí)解放雙手的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)雙向逐張翻頁(yè)的功能，提出了對(duì)稱式書本翻頁(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，翻頁(yè)機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)撥書機(jī)構(gòu)組成，其由兩種撥桿，壓書橡膠，翻頁(yè)轉(zhuǎn)盤等組成，由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，撥桿一與撥桿二之間通過(guò)軸連接，可以根據(jù)書本的厚度、寬度等其他信息進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)定。兩個(gè)撥書機(jī)構(gòu)分別安裝于桌面的左、右上角，實(shí)現(xiàn)靈活正反翻頁(yè)。轉(zhuǎn)盤底盤中心位置裝有距離傳感器，當(dāng)書本經(jīng)推桿運(yùn)動(dòng)到與距離傳感器相平行的位置后，絲桿控制的彈簧會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，從而使撥書機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)翻書動(dòng)作。撥桿一運(yùn)動(dòng)使頂部的壓書橡膠將書的頁(yè)角處壓住，之后撥桿二由伺服電機(jī)帶動(dòng)向前伸，利用壓書橡膠和書之間的摩擦將書頁(yè)推起，形成一個(gè)較大的空隙。轉(zhuǎn)盤由微型電機(jī)控制，其由三個(gè)撥書支撐桿、撥桿和撥書橡膠及其底盤組成，支撐桿由轉(zhuǎn)盤中的伺服電機(jī)控制，撥桿和支撐桿通過(guò)軸來(lái)連接，同時(shí)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(zhuǎn)盤帶動(dòng)撥桿插入縫隙，旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)翻書的功能。與此同時(shí)，左右兩組撥桿機(jī)構(gòu)壓住左右兩邊的書頁(yè)，防止書本合攏。對(duì)稱式翻書機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 對(duì)稱式翻頁(yè)機(jī)構(gòu)

2.2 桌面角度可調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為解決閱讀時(shí)姿勢(shì)不舒適宜導(dǎo)致的身體疲憊的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)閱讀時(shí)書籍角度調(diào)節(jié)的功能，提出了桌面角度可調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由步進(jìn)電機(jī)、滑塊模組、傳動(dòng)桿、看書底板、看書桌面、連接軸、固定塊等組成。在選書、推送動(dòng)作完成后，桌面通過(guò)導(dǎo)軌抬升至頂部，根據(jù)原先在屏幕內(nèi)設(shè)定的角度，看書桌面自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)的角度。角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)角度調(diào)節(jié)裝置，為了更好更方便的調(diào)節(jié)角度，設(shè)定可升降底板偏離可調(diào)節(jié)桌面10°左右，看書桌面與看書底板用連接軸進(jìn)行固定，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿滑動(dòng)塊在看書底板的滑槽內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，從而使得傳動(dòng)桿在可調(diào)節(jié)桌面與可升降底板兩個(gè)空間內(nèi)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)桿由固定塊與看書桌面連接，從而實(shí)現(xiàn)桌面的角度調(diào)節(jié)。翻書機(jī)的桌面角度可調(diào)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 桌面角度可調(diào)機(jī)構(gòu)

2.3 書籍推送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為解決書籍的自動(dòng)更換及其選用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推送功能，提出了書籍推送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。書籍推送機(jī)構(gòu)由放置于桌體兩端的兩個(gè)推書器組成，其主要由T字形滑塊、導(dǎo)軌、十字推動(dòng)器、電機(jī)組成。推書器一側(cè)的T字滑塊與桌體內(nèi)的滑軌調(diào)節(jié)，十字推動(dòng)器一側(cè)的一端與推書器轉(zhuǎn)動(dòng)式連接，另一端與推書器內(nèi)的滑塊三連接，十字推動(dòng)器另一側(cè)一端與推桿轉(zhuǎn)動(dòng)式連接，桌體上還設(shè)有控制顯示器，桌體下方的地面設(shè)有若干腳踏控制板。所述的滑塊一、移動(dòng)塊、滑塊二、T字滑塊、滑塊三均分別與對(duì)應(yīng)的絲桿螺紋嚙合套接，若干絲桿端部、與主動(dòng)桿上齒輪二嚙合的主動(dòng)齒輪上均連接有電機(jī)，且電機(jī)均連接至控制顯示器，可觀察顯示器通過(guò)腳踏控制板送出選用書籍。翻書機(jī)的書籍推送機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 書籍推送機(jī)構(gòu)

2.4 書籍自動(dòng)更換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為解決閱讀書籍時(shí)來(lái)回取書從而造成的時(shí)間成本的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)書籍自動(dòng)更換的功能，提出了書籍自動(dòng)更換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，書籍自動(dòng)更換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要由存書板、滑軌、十字推動(dòng)器、電機(jī)、放書板、位置傳感器、齒輪一、齒輪二組成。通過(guò)腳踏控制板選擇控制顯示器上錄入的書籍，底板升降機(jī)構(gòu)會(huì)通過(guò)主動(dòng)桿上的齒輪二帶動(dòng)從動(dòng)桿，利用齒帶帶動(dòng)齒輪一，通過(guò)位置傳感器，底板會(huì)下降至對(duì)應(yīng)的存書板位置，通過(guò)選書機(jī)構(gòu)的十字推動(dòng)器帶動(dòng)推桿，即可將存書板上的書籍推入放書板上，同時(shí)書籍推入存書板上時(shí)通過(guò)定位機(jī)構(gòu)的推條，可對(duì)書籍做一個(gè)緩沖，同時(shí)進(jìn)行限位，方便后續(xù)翻書動(dòng)作，反之需要還書，利用底板一側(cè)的推書器的推桿，推動(dòng)放書板上的書籍移動(dòng)至存書板上即可，選書換書完畢，通過(guò)底板升降機(jī)構(gòu)復(fù)位。從而實(shí)現(xiàn)書籍自動(dòng)更換的功能。翻書機(jī)自動(dòng)更換書籍機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 書籍自動(dòng)更換機(jī)構(gòu)

2.5 書本翻頁(yè)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

可調(diào)整式翻書機(jī)的主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，為驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性，利用SolidWorks軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真演示。翻書機(jī)的對(duì)稱式翻頁(yè)機(jī)構(gòu)仿真顯示，可以實(shí)現(xiàn)書籍的正向翻閱、反向翻閱，翻閱動(dòng)作連貫、靈活可靠，書籍翻頁(yè)過(guò)程如圖6所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖6 書籍翻閱仿真過(guò)程

翻書機(jī)的桌面角度調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真顯示，利用滑動(dòng)模組與絲桿等運(yùn)動(dòng)副工作可以實(shí)現(xiàn)角度的變化，適合不同閱讀群體、需求所需。翻書機(jī)的桌面角度調(diào)節(jié)仿真過(guò)程如圖7所示。

圖7 翻書機(jī)的桌面角度調(diào)節(jié)仿真過(guò)程

翻書機(jī)的書籍自動(dòng)更換包括書籍推送機(jī)構(gòu)、取書機(jī)構(gòu)、還書機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)仿真顯示，該機(jī)構(gòu)通過(guò)推桿、滑軌、位置傳感器、存書機(jī)構(gòu)、放書機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)將指定的書籍在存書板和放書板上進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)書籍自動(dòng)更換的目的。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)干涉，書籍自動(dòng)更換過(guò)程如圖8所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖8 書籍自動(dòng)更換過(guò)程仿真

3 裝置的創(chuàng)新與特色

本翻頁(yè)機(jī)的所有機(jī)構(gòu)均通過(guò)SolidWorks進(jìn)行軟件分析，機(jī)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)干涉、均滿足設(shè)計(jì)要求，可行性高?？烧{(diào)整式翻書機(jī)具有自動(dòng)翻頁(yè)、自動(dòng)換書、角度調(diào)節(jié)等三項(xiàng)主要功能，書頁(yè)壓緊裝置、智能臺(tái)燈等多項(xiàng)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(yè)以及向右翻頁(yè)這兩個(gè)動(dòng)作，翻頁(yè)完成后書頁(yè)壓緊裝置將會(huì)對(duì)書頁(yè)進(jìn)行壓緊，防止書頁(yè)返回。該產(chǎn)品還具有角度調(diào)節(jié)功能，可以對(duì)置書板進(jìn)行一定的角度變換，適應(yīng)不同人群的閱讀要求。該翻書機(jī)的創(chuàng)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(shè)計(jì)，對(duì)于閱讀不便的人，只需觀察控制顯示器，腳踏控制即可進(jìn)行更換書籍與閱讀書籍；

（2）角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與撐書機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可控制放書板調(diào)節(jié)至適合閱讀人閱讀的角度；

（3）利用翻書機(jī)構(gòu)，可對(duì)放置在放書板上的書籍進(jìn)行自動(dòng)翻頁(yè)；

（4）底板升降機(jī)構(gòu)與選書機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，當(dāng)閱讀完畢或需要閱讀書籍時(shí)，通過(guò)將存書板上的預(yù)存書籍送入放書板上即可獲得所需閱讀的書籍，自動(dòng)選書。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的鍛煉，結(jié)合市場(chǎng)所需研發(fā)設(shè)計(jì)了一款可調(diào)整式的自動(dòng)翻書機(jī)，鍛煉了實(shí)踐創(chuàng)新能力，提升了操作技能。所設(shè)計(jì)的可調(diào)整式自動(dòng)翻書機(jī)申報(bào)了國(guó)家實(shí)用新型專利，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，為同類產(chǎn)品的開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)，可適用于咖啡廳、圖書館等場(chǎng)合，該翻頁(yè)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)巧妙，性能穩(wěn)定，制作成本低，對(duì)于同類產(chǎn)品具有一定的借鑒意義