吹氣感應式自動翻頁器設計

陶超齡， 周岳斌， 李 寒

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北 襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心，湖北 襄陽 441053）

引言

現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；有的通過機械操縱實現翻書功能，動作機構占用的空間過大；有的通過機電控制實現，但電路比較復雜；還有的價格昂貴，不適于大眾消費。大多不能自如地實現左右翻書的互換，也不能根據個人喜好調節書籍放置角度，適應性不強。用戶使用時必須通過一定機械觸碰才能觸發翻書命令，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，有必要設計一款反應靈敏、結構緊湊、控制電路簡單，無需機械觸碰，適于肢體殘障人士和樂器彈奏者的自動翻頁器［1－3］。

1 系統設計方案

自動翻頁器整體視圖如圖1所示，主要包括傾斜機構、夾書機構、擦頁機構和翻頁機構。采用步進電機帶動翻頁桿的轉動模擬人手在書頁上的滑動，翻頁桿一頭帶著軟膠材質磨球。由步進電機帶動的翻頁片插入因磨球摩擦而拱起的書頁空隙，旋轉壓過書籍另一側，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慣，在上下書板間加上了合頁以及抵齒尖板，下層書板設置階梯狀直角齒條，抵齒尖板可調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，保持書籍裝訂側面與底板重合。

翻書不需要讀者動手翻頁，采取吹氣感應話筒控制。用戶佩戴一個耳夾，感應吹氣的話筒調放在用戶嘴巴前方。感應吹氣的話筒通過電路轉化發出無線信號，以單片機控制各機構動作，翻頁轉換按鈕與話筒分岔相接在耳夾上，與其協同工作，同樣不需要動手，通過無線信號控制。

圖1 整體視圖

2 主要機構設計與仿真

2.1 傾斜機構

自動翻頁器的傾斜機構如圖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，電源開關、按鍵等；上書板可用于夾放書籍，放置翻頁各個機構；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，阻止上書板轉動，可依用戶喜好隨意調節翻頁器的傾斜角度。

圖2 傾斜機構

2.2 夾書機構

自動翻頁器的夾書機構如圖3所示。上書板中間有一細長條凹槽，凹槽內部兩側對稱部分各有3個壓縮彈簧，3個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，兩平行板兩側各有2根繩子牽引，牽引端掛鉤可掛住書板上兩側不遠處孔板。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，由壓縮彈簧產生作用力抵緊兩夾板。兩平行板兩頭各插入1根細軸，防止夾板竄動，控制抵齒尖板夾板必須沿著凹槽地面滑動，書本裝訂線側面就與凹槽底平面重合，書籍固定完畢。

2.3 擦頁機構

圖3 夾書機構

自動翻頁器的擦頁機構如圖4所示。采用連桿與磨球連接，磨球選用軟膠材質，較人手翻頁更為精準。磨球桿在不工作時在書本之外，與書本上沿平行，自動旋轉到書本上會因書本厚度而堵在外側，可以增加一個豎桿，豎桿一頭與步進電機相連，步進電機的輸出軸是水平的，在與豎直桿連接時加上一對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上下旋轉。另外，磨桿下方與書板空間內設有一塊圓滑凸臺，磨桿旋轉時遇到凸臺，改變運動路徑，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 擦頁機構

2.4 翻頁機構

自動翻頁器的翻頁機構如下頁圖5所示。翻頁片為一個整體，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，與電機輸出軸采用一對成90°的錐齒輪連接。預備狀態時，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為準備片。翻頁時，翻頁片1插入磨球擦起的頁面拱起空間轉動翻頁，當翻頁片1順時針旋轉120°到原達翻頁片2位置，翻頁片3到達原翻頁片1位置，作為下次的翻頁片，翻頁片2懸空在外，作為準備片，形成交叉翻頁。當書頁一角被磨球擦起，下側書頁受擠壓拱起，硬薄片就可隨著步進電機的旋轉插入書頁拱起空間內，帶著書頁翻到另一邊。

圖5 翻頁機構

3 控制系統設計

自動翻頁器的控制系統如圖6所示。駐極體話筒感應吹氣信號，經過放大調制成可使用的音頻電信號，經無線發射器將信號發送至無線接收器。單片機設計成最小系統，接收到翻頁操作信號便運行對應驅動程序，步進電機按設定功能動作。另有電源總開關控制電源通斷，初始置位按鈕開始程序使磨球和翻頁片停在右翻頁預備狀態，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；獨立臺燈旋鈕調整燈光明暗。主控芯片采用AT89C51單片機，其有4個8位I／O口，3個步進電機的驅動器分別接4個接口；另有一個電源開關預備（右翻狀態）按鈕、一個結束回位按鈕，一個臺燈開關獨立工作，2根無線接收模塊輸出線。感應吹氣的是無線駐極體話筒，感應吹氣，將聲波信號轉變成音頻電信號。吹氣作為翻頁的指令開關，話筒因吹氣氣壓受迫振動，相比人說話時的振幅大，輸出電壓值就大，通過比較電壓值大小可區別說話和吹氣。

圖6 控制系統框圖

圖7 為無線接收模塊與單片機電路。無線發射和接收模塊內包含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的地址碼需要經過兩次比較核對，編碼芯片PT2262發出的編碼信號由地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，同時PT2272相應數據引腳也輸出高電平［4］。沒有按鍵按下時，PT2262與電源斷開，其17引腳為低電平，高頻發射電路不工作，當有按鍵按下時，PT2262通電工作，其第17引腳輸出經調制的串行數據信號。

圖7 無線接收模塊與單片機電路

單片機系統需要控制左磨球桿電機、右磨球桿電機、翻頁片電機共3個步進電機，圖8為一個步進電機驅動電路。由單片機程序控制各個步進電機的脈沖指令個數、頻率控制步進電機轉動角度、轉動速度，依據每個機構的動作目的，在需要其工作的時候給出相應的脈沖控制信號［5］。

圖8 步進電機驅動電路

4 結語

吹氣感應式自動翻頁器采用無線駐極體話筒感應操作者的吹氣動作，無需肢體接觸就可實現閱讀翻頁。整個設計的機械裝置機構緊湊，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，具有較好的實用價值和應用前景。

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

［2］ 宜亞麗，武岳，趙三猛等.全自動可調式翻頁機構設計［J］.機械研究與應用，2011（6）：79-81.

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

［4］ 姜覓.基于步進電機的自動翻頁掃描設備的研究和設計［D］.武漢：武漢科技大學：2012.

［5］ 周紹平，杜洪林.PT2262／PT2272無線數據收發模塊應用的改進方法［J］.江西科學，2009（4）：596-607.