一種新型浮動式多功能嬰兒搖籃裝置的設計

韋 為 張佐璽 農昌涌 銀培杰 黃曉宇

（廣西大學，廣西 南寧530004）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對嬰兒產品的關注也逐漸增加[1-2]，尤其是嬰兒搖床，從人體功能學的角度來講，搖籃搖動的頻率要小于50次/分鐘,但是國內銷售的嬰兒床，無論是吊帶式的還是拉桿式的，搖動頻率通常在60-70次/分鐘，容易造成嬰兒的搖籃綜合癥，延緩嬰兒的智力和體力的發育，此外傳統的搖籃要么只能左右搖動，要么只能前后搖動，無法多自由度搖動[3]。

針對傳統搖籃存在的弊端，本文提出了一種由旋轉機構、搖擺機構、控制系統、支架四部分構成新型浮動式多功能嬰兒搖籃裝置。改裝置不僅可以將搖動頻率降低到50次/分鐘以下，而且利用浮動方式，實現了搖籃多自由度的搖動和緩慢的旋轉運動，大大的提高了搖籃搖動方式的多樣性，為嬰兒提供了更多更有健康樂趣的搖擺功能，是一種有較大應用前景的浮動式多功能嬰兒搖籃裝置。

1 結構和原理

1.1 基本結構

本文設計的浮動式多功能嬰兒搖籃裝置由旋轉機構、搖擺機構、控制系統、支架四部分構成。

1.1.1 旋轉機構

旋轉機構由內盤、電動機、齒輪、內盆齒條和套環等構成，電機帶動齒輪與內盆齒條嚙合，內盆齒條裝在內盤上，并通過套環安放在搖籃裝置的支架上，通過電機最終帶動內盆旋轉，內盤齒條機構如圖1所示。

圖1 內盤齒條機構圖

1.1.2 搖擺機構

搖擺部件由電動機、凸輪頂桿機構和齒輪減速機構構成。電動機帶動齒輪旋轉、進而凸輪旋轉，由于升程的變化，帶動挺桿上下往復運動，使內盆產生擺動，兩凸輪左右配合，通過配合旋轉機構，可實現內盤前后左右擺動，進而通過旋轉功能，實現相對而言的前后擺動。

1.2 工作原理

其工作原理如下：浮動式多功能嬰兒搖籃裝置根據阿基米德浮力定律，將傳統的嬰兒床變成嬰兒船，放置在注有水的托盆中，利用浮力抵消嬰兒的體重，使支撐塊上的滾輪受力相對很小，相對傳統嬰兒床，能耗明顯降低，利用單片機控制電路控制驅動旋轉和搖擺的電動機，控制電動機的轉動和停止以及轉速大小，既可手動控制，又可以自動控制。

搖擺功能的實現：是用電動機帶動齒輪轉動，進而讓凸輪旋轉，凸輪旋轉過程中，由于升程的變化，推動頂桿做上下的往復運動，頂桿又受限位孔的作用，只能上下運動，并且頂桿下方的滾輪的滾動方向也受到了制約。頂桿的上下運動不斷推動內盆在水上做搖擺運動，由于內盆上方導軌與支撐塊滾輪一起的限位作用，內盆只能按規定軌跡搖擺。

旋轉功能的實現：是將電動機的輸出經三級齒輪減速后與內盆上的齒條嚙合，帶動內盆旋轉，內盆上方有柔性導軌，下方有安裝著滾輪的套環，在導軌與套環的限位作用下，內盆旋轉位置不變，并且在水上旋轉，阻力很小，用來驅動的電動機的功率很小，且由于水的緩沖作用，能夠實現機構的平穩運動。

2 控制系統及測試

2.1 控制系統

控制系統主要由液晶顯示模塊、輸入模塊、旋轉模塊、搖擺模塊、循環模塊、報警模塊、微控制器、電機控制模塊、電源模塊等部分組成，如圖2所示。

整個運動的控制采用STC12C5A60S2單片機控制，芯片內具有豐富的內部資源[4－5]，有手動控制和自動控制兩種方案，供使用者選擇。手動控制有旋轉控制開關和搖擺控制開關。自動控制是旋轉控制和搖擺控制的結合，即擺動一段時間后停止，接著進行旋轉運動，不斷地進行往復運動。一個電動機控制擺動功能，另一個控制旋轉功能。并且兩個電動機分別有各自的調速按鈕，可以調節旋轉和搖擺的速度。調節支撐塊上的墊片數量，可以調節搖床的擺動幅度。

圖2 控制系統結構框圖

2.2 實驗測試

實驗中，將仿真嬰兒體放入內盆，開始測試：第一步按下操控板旋轉開關，在電機帶動下內盆正常旋轉，物塊沒有大幅搖晃，然后關閉旋轉開關；第二步按下操控板擺動開關，在凸輪頂桿作用下內盆正常擺動，然后關閉擺動開關；第三步按下循環開關，電機分時啟動，半分鐘旋轉和半分鐘擺動，記錄數次搖動頻率，結果搖動頻率均低于50次/分鐘。

3 結論

實驗表明，該浮動式多功能嬰兒搖籃裝置可通過自動控制實現多自由度搖擺和360°旋轉功能，具有諸多優點：

3.1 該搖籃裝置同時實現了左右搖擺、前后搖擺和緩慢的360°旋轉的功能，搖動頻率均低于50次/分鐘，安全舒適，對小兒進行有規律、舒緩的搖擺，達到提高小腦的平衡功能，有利于促進嬰兒的健康發育；

3.2 將嬰兒床放置在注有水的托盆中，利用浮力抵消嬰兒的體重，使傳統的嬰兒搖籃變成嬰兒船，具有阻力小，耗能低，搖擺和旋轉運動平穩等特點。

［1］延海霞.嬰兒搖籃產品設計開發與研究[J].機電產品開發與創新,23(4):84-86.

［2］黃春.嬰兒搖床自動晃動裝置[J].電子世界，1990,6：14-15.

［3］蘇成富.自制多功能嬰兒搖床[J].實用無線電，1995,6：12-14.

［4］楊凱，李鐘慎，黃春池.名優茶鮮葉智能養護機的設計[J].華僑大學學報，2013，10:13-15.

［5］鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2003:349-361.