吹氣感應(yīng)式自動翻頁器設(shè)計(jì)

陶超齡， 周岳斌， 李 寒

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 襄陽 441053）

引言

現(xiàn)代的生活都離不開文字閱讀，對于肢體殘障人士來說，閱讀相對比較困難；樂器彈奏者也常需翻轉(zhuǎn)樂譜而中斷演奏。目前的自動翻書裝置有的體積大，噪音大，操作不便；有的通過機(jī)械操縱實(shí)現(xiàn)翻書功能，動作機(jī)構(gòu)占用的空間過大；有的通過機(jī)電控制實(shí)現(xiàn)，但電路比較復(fù)雜；還有的價(jià)格昂貴，不適于大眾消費(fèi)。大多不能自如地實(shí)現(xiàn)左右翻書的互換，也不能根據(jù)個(gè)人喜好調(diào)節(jié)書籍放置角度，適應(yīng)性不強(qiáng)。用戶使用時(shí)必須通過一定機(jī)械觸碰才能觸發(fā)翻書命令，這樣會影響用戶閱讀興致，對于肢體殘障人士和樂器彈奏人員具有局限性。因此，有必要設(shè)計(jì)一款反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)緊湊、控制電路簡單，無需機(jī)械觸碰，適于肢體殘障人士和樂器彈奏者的自動翻頁器［1－3］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

自動翻頁器整體視圖如圖1所示，主要包括傾斜機(jī)構(gòu)、夾書機(jī)構(gòu)、擦頁機(jī)構(gòu)和翻頁機(jī)構(gòu)。采用步進(jìn)電機(jī)帶動翻頁桿的轉(zhuǎn)動模擬人手在書頁上的滑動，翻頁桿一頭帶著軟膠材質(zhì)磨球。由步進(jìn)電機(jī)帶動的翻頁片插入因磨球摩擦而拱起的書頁空隙，旋轉(zhuǎn)壓過書籍另一側(cè)，翻頁片停留在翻過書頁上，可防止書頁回翻。

為配合讀者的看書習(xí)慣，在上下書板間加上了合頁以及抵齒尖板，下層書板設(shè)置階梯狀直角齒條，抵齒尖板可調(diào)定在任意兩齒間從而改變上層書板的傾斜角度。為使書籍固定在書板上，采用壓簧連接兩平行板夾住書籍的裝訂線，通過彈簧反推力將書面擠壓豎直，保持書籍裝訂側(cè)面與底板重合。

翻書不需要讀者動手翻頁，采取吹氣感應(yīng)話筒控制。用戶佩戴一個(gè)耳夾，感應(yīng)吹氣的話筒調(diào)放在用戶嘴巴前方。感應(yīng)吹氣的話筒通過電路轉(zhuǎn)化發(fā)出無線信號，以單片機(jī)控制各機(jī)構(gòu)動作，翻頁轉(zhuǎn)換按鈕與話筒分岔相接在耳夾上，與其協(xié)同工作，同樣不需要動手，通過無線信號控制。

圖1 整體視圖

2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 傾斜機(jī)構(gòu)

自動翻頁器的傾斜機(jī)構(gòu)如圖2所示。翻頁器包括上下兩塊書板，上書板的尺寸為：長500mm×寬400mm×高10mm，下書板與上書板等長，寬可以少150mm，厚度也可減為5mm，可減輕裝置整體重量。下書板可支撐上書板以及放置電路控制系統(tǒng)，電源開關(guān)、按鍵等；上書板可用于夾放書籍，放置翻頁各個(gè)機(jī)構(gòu)；兩書板間用兩片合頁連在一起，在上書板背面有一鉸鏈連接抵齒尖板，尖端頂在下書板上的直角齒條間，阻止上書板轉(zhuǎn)動，可依用戶喜好隨意調(diào)節(jié)翻頁器的傾斜角度。

圖2 傾斜機(jī)構(gòu)

2.2 夾書機(jī)構(gòu)

自動翻頁器的夾書機(jī)構(gòu)如圖3所示。上書板中間有一細(xì)長條凹槽，凹槽內(nèi)部兩側(cè)對稱部分各有3個(gè)壓縮彈簧，3個(gè)彈簧分別連接一塊夾書板，兩夾板平行并且底部沿著凹槽底部滑動，兩平行板兩側(cè)各有2根繩子牽引，牽引端掛鉤可掛住書板上兩側(cè)不遠(yuǎn)處孔板。在放置書籍前拉線掛上掛鉤張開兩平行板距離。書本放置好后解開，由壓縮彈簧產(chǎn)生作用力抵緊兩夾板。兩平行板兩頭各插入1根細(xì)軸，防止夾板竄動，控制抵齒尖板夾板必須沿著凹槽地面滑動，書本裝訂線側(cè)面就與凹槽底平面重合，書籍固定完畢。

2.3 擦頁機(jī)構(gòu)

圖3 夾書機(jī)構(gòu)

自動翻頁器的擦頁機(jī)構(gòu)如圖4所示。采用連桿與磨球連接，磨球選用軟膠材質(zhì)，較人手翻頁更為精準(zhǔn)。磨球桿在不工作時(shí)在書本之外，與書本上沿平行，自動旋轉(zhuǎn)到書本上會因書本厚度而堵在外側(cè)，可以增加一個(gè)豎桿，豎桿一頭與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸是水平的，在與豎直桿連接時(shí)加上一對90°配合的錐齒輪，改變力的傳動方向；另一頭采用鉸鏈與磨桿相連，磨桿可圍繞鉸鏈連接點(diǎn)上下旋轉(zhuǎn)。另外，磨桿下方與書板空間內(nèi)設(shè)有一塊圓滑凸臺，磨桿旋轉(zhuǎn)時(shí)遇到凸臺，改變運(yùn)動路徑，沿著圓滑凸臺表面輪廓移動。由杠桿原理，磨球所在端翹起，越過書本厚度阻礙，便順利滑移到頁面上。

圖4 擦頁機(jī)構(gòu)

2.4 翻頁機(jī)構(gòu)

自動翻頁器的翻頁機(jī)構(gòu)如下頁圖5所示。翻頁片為一個(gè)整體，有三片，均為扁平長方體硬片，在同一平面，相互間夾角為120°，與上書板平行安裝。翻頁片的孔軸線豎直，與電機(jī)輸出軸采用一對成90°的錐齒輪連接。預(yù)備狀態(tài)時(shí)，翻頁片1與書本上沿平行，且高出書面一定高度，翻頁片2為壓頁片，翻頁片3為準(zhǔn)備片。翻頁時(shí)，翻頁片1插入磨球擦起的頁面拱起空間轉(zhuǎn)動翻頁，當(dāng)翻頁片1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°到原達(dá)翻頁片2位置，翻頁片3到達(dá)原翻頁片1位置，作為下次的翻頁片，翻頁片2懸空在外，作為準(zhǔn)備片，形成交叉翻頁。當(dāng)書頁一角被磨球擦起，下側(cè)書頁受擠壓拱起，硬薄片就可隨著步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)插入書頁拱起空間內(nèi)，帶著書頁翻到另一邊。

圖5 翻頁機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動翻頁器的控制系統(tǒng)如圖6所示。駐極體話筒感應(yīng)吹氣信號，經(jīng)過放大調(diào)制成可使用的音頻電信號，經(jīng)無線發(fā)射器將信號發(fā)送至無線接收器。單片機(jī)設(shè)計(jì)成最小系統(tǒng)，接收到翻頁操作信號便運(yùn)行對應(yīng)驅(qū)動程序，步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定功能動作。另有電源總開關(guān)控制電源通斷，初始置位按鈕開始程序使磨球和翻頁片停在右翻頁預(yù)備狀態(tài)，終止回位按鈕開始程序使磨球平行書板上沿，順利將書籍收下；獨(dú)立臺燈旋鈕調(diào)整燈光明暗。主控芯片采用AT89C51單片機(jī)，其有4個(gè)8位I／O口，3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器分別接4個(gè)接口；另有一個(gè)電源開關(guān)預(yù)備（右翻狀態(tài)）按鈕、一個(gè)結(jié)束回位按鈕，一個(gè)臺燈開關(guān)獨(dú)立工作，2根無線接收模塊輸出線。感應(yīng)吹氣的是無線駐極體話筒，感應(yīng)吹氣，將聲波信號轉(zhuǎn)變成音頻電信號。吹氣作為翻頁的指令開關(guān)，話筒因吹氣氣壓受迫振動，相比人說話時(shí)的振幅大，輸出電壓值就大，通過比較電壓值大小可區(qū)別說話和吹氣。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

圖7 為無線接收模塊與單片機(jī)電路。無線發(fā)射和接收模塊內(nèi)包含PT2262編碼器和PT2272解碼器，2片芯片配合工作。要使VT腳輸出高電平，解碼芯片PT2272接收到PT2262的地址碼需要經(jīng)過兩次比較核對，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，同時(shí)PT2272相應(yīng)數(shù)據(jù)引腳也輸出高電平［4］。沒有按鍵按下時(shí)，PT2262與電源斷開，其17引腳為低電平，高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262通電工作，其第17引腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號。

圖7 無線接收模塊與單片機(jī)電路

單片機(jī)系統(tǒng)需要控制左磨球桿電機(jī)、右磨球桿電機(jī)、翻頁片電機(jī)共3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，圖8為一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。由單片機(jī)程序控制各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的脈沖指令個(gè)數(shù)、頻率控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度、轉(zhuǎn)動速度，依據(jù)每個(gè)機(jī)構(gòu)的動作目的，在需要其工作的時(shí)候給出相應(yīng)的脈沖控制信號［5］。

圖8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

4 結(jié)語

吹氣感應(yīng)式自動翻頁器采用無線駐極體話筒感應(yīng)操作者的吹氣動作，無需肢體接觸就可實(shí)現(xiàn)閱讀翻頁。整個(gè)設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置機(jī)構(gòu)緊湊，控制電路簡單，便于攜帶，可以有效地解決肢體殘障人士和樂器彈奏人員的閱讀翻頁問題，具有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

［1］ 冶建科，趙群飛，周毅.一種自動翻頁掃描機(jī)器人的研制［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009（1）：27-30.

［2］ 宜亞麗，武岳，趙三猛等.全自動可調(diào)式翻頁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（6）：79-81.

［3］ 顏定祎，譚華，肖鵬遞等.遞送式自動翻頁蓋章機(jī)研究［J］.機(jī)械，2014（3）：40-42.

［4］ 姜覓.基于步進(jìn)電機(jī)的自動翻頁掃描設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢科技大學(xué)：2012.

［5］ 周紹平，杜洪林.PT2262／PT2272無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊應(yīng)用的改進(jìn)方法［J］.江西科學(xué)，2009（4）：596-607.