多功能羽毛球拍共享機設計

侯 旭，王煦宇，張宇航，徐 成*

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

引言

在國家號召全民健身促進體育強國的大環境下，生活水平與質量有著很大提升，人們普遍存在著亞健康所帶來的身體問題，為此國家商討并制定全民健身計劃政策，來推動全民健身[1]。羽毛球運動運動強度相對較高，身體與身體間碰撞少，局與局間歇時間短[3]，能夠鍛煉身體各處的協調性，強化體能，得到了各年齡段人們的青睞。但是隨之而來的便是羽毛球裝備的價格過高，導致現實生活中很多羽毛球愛好者很難找到適合自己預算的羽毛球資源[3]，在共享經濟的思潮下，將羽毛球裝備設計成共享資源，為眾多羽毛球愛好者們提供用低成本換取高質量裝備的方式，從而獲得更好的運動體驗。羽毛球拍的共享部分的機械設計是該多功能羽毛球拍共享機的重要部分，影響著人們的共享體驗及租借效率，因此，研究重點就是對羽毛球拍共享裝置內羽毛球拍的填裝機械結構進行合理的設計，保證其工作可靠，提高租借效率，降低羽毛球運動的成本，對羽毛球運動裝備共享機器的發展有著重要的意義。

1 國內外研究現狀

目前環境下，想要進行羽毛球運動需要大量的資源，對于愛好者們來說進行羽毛球運動必不可少的三個條件就是羽毛球場、羽毛球裝備以及好的對手。在現實中消費者很難獲得全面的三要素。工欲善其事必先利其器，所以裝備問題成為了重要的一點，目前市場上售賣的體育用品租借設備設計簡單且技術含量不足，仍然存在較多設計上的缺陷。需要加大體育用品的回收力度[4]。

到目前為止并沒有與羽毛球拍共享相關的設計，大家都想用最低的成本，享受高質量的羽毛球運動。但是羽毛球運動的投入還是比較大的。一個專業的球拍需要1 000 元左右，中端的球拍也要600 元左右，入門的球拍也需要200 左右，且手感體驗與價格成正比。而羽毛球作為消耗品，通常一桶的規格為12 只，每只價格在7～8元[3]，且球桶體積較大，作為消耗品攜帶不方便，這樣看來參與羽毛球運動不僅價格不菲而且還存在著裝備攜帶不便的問題。這也是阻礙更多人打羽毛球的因素之一。當專業的羽毛球拍變成可以共享的資源，且羽毛球不需要自己攜帶時，參與羽毛球運動的成本會大大降低，消耗品的使用也會更加便利。人們只需要到達運動場地就可以隨時拿到共享的專業羽毛球拍和羽毛球進行鍛煉，綜上所述，該設計可以有效的解決人們參與羽毛球運動中裝備成本高的問題，減少裝備成本因素帶來的干擾。

2 總體方案

2.1 智能多功能一體化羽毛球拍共享機的基本結構設計 該設計整體主要由羽毛球拍共享區的球拍儲存箱、球拍填裝系統、羽毛球自助售賣區的填裝推進系統、飲品自助售賣區的填裝推進系統、上方教學屏幕、設備充電存放區及下方儲物箱等結構組成，見圖1。并用SolidWorks 進行了概念模型的建立，見圖2。

2.2 羽毛球拍共享區機械結構的設計 羽毛球拍存儲箱共有5 個，每個儲存箱內可以儲存5 把球拍，每把球拍均為拍面朝下，握把向上以方便人們拿取放回。為防止球拍在存儲過程中的磕碰，儲存箱的內部設計了橡膠內襯以保存羽毛球拍的完整性。為了適應不同的人群，根據走訪調查的結果進行匯總，得出了大多數人使用的球拍磅數，并將球拍根據纏線的磅數分別分到了5 個區域從左到右依次為18-20、20-22、22-24、24-26、26-28，方便不同的人群進行選擇，當用戶選擇租借球拍時，儲存箱會根據用戶的選擇發出指定的信號，機器收到信號后會帶動電機旋轉，將相應磅數的儲存箱旋開，同時夾取器解鎖，當用戶將球拍取出后，機器收到租借成功的指令后，電機會再次旋轉帶動儲存箱關閉。為滿足多數人同時鍛煉的需求，儲存箱后方設計了一個球拍填裝系統，當共享儲存箱內的球拍使用完后，機器能夠識別相應的信號，這時位于后方的備用球拍裝填結構會通過夾取器將后方備用拍儲存箱的球拍拿起，通過機械裝置帶動到達羽毛球拍共享取得儲存箱，同時當機械裝置到位后，共享區的儲存箱上的夾取器會形成閉鎖鎖住球拍，而負責裝填的機械裝置上的夾取器則會開鎖，當羽毛球拍裝填完畢后，機械裝置將會回位，并進行下一組球拍的填裝，從而實現羽毛球拍的連續填裝來提高球拍租借的續航能力，見圖3。當共享箱中的球拍已滿，已經沒有放置球拍的位置并且有人歸還球拍時，機器則會打開儲存箱直接將機械裝置推出，同時夾取器打開，歸還只需要將球拍放進夾取器，由機器實時掃描閉鎖，并將歸還的球拍重新填裝回備用箱中，若是歸還時共享儲存箱內有空余的位置，則會打開儲存箱內的夾取器實現歸還。

2.3 羽毛球及飲品自助售賣區的機械結構設計 羽毛球自主售賣區對于毛球的填裝及售賣和飲品區的自助與售賣均采用類似于槍械填裝子彈的方式進行裝貨與出貨，機器內的羽毛球會被預先裝進特制的圓筒內，機器內部會有若干這樣裝滿羽毛球的圓筒，可以將它們看作“彈夾”，把羽毛球看作“子彈”，見圖4，當使用者選擇購買羽毛球后，機械裝置會收到信號開始工作負責推送羽毛球的裝置將會向后運動并做好準備，隨后在下方的機械裝置會將這些“彈夾”推到高于出貨口的位置，待到達位置后位于左側的機械裝置會將圓桶推到出貨口上方，此時負責推送羽毛球的機械裝置會深入圓筒根據顧客需要的數量推動相應的距離將羽毛球從出貨口推出。當一桶羽毛球被推出后，右面的擋板會打開，當下一桶被填裝的時候，被使用過后的“彈夾”會從右側推出，落到回收箱內，循環此過程就可以實現羽毛球自主售賣及填裝的過程，見圖5。

飲品區自助售賣的原理也與上述原理類似，飲品被擺放在儲存箱內，當使用者購買飲品后，負責推送飲品的機械裝置會向后運動并做好準備，位于下方的推動板會將飲品推動到出貨口之上，之后左側的推動板會根據需求量依次將飲品從出貨口送出。

2.4 設備充電區的結構設計 2017 年公布并于2018年實施的GB/T35590-2017《信息技術 便攜式數字設備用移動電源通用規范》[5]中規定，便攜式數字設備用的輸入電壓不大于250 V，輸出直流電壓不大于220 V，單端口輸出電流不大于5 A，采用有線輸出方式的移動電源。為了適用大多數場景并且提供高效的充電服務，我們選擇了22V 為輸入電壓、60 V 輸出電壓、5 A 輸出電流的可移動式電源作為充電區域的電力來源。提供安全的充電服務時又使充電的效率大大增加。同時別為Type-C接口、安卓接口、蘋果接口，使用不同設備的用戶都可以根據自身需要在充電面板進行設備充電。同時充電接口面板下方的平臺上我們還設置了若干手機支架，見圖6，尺寸適應多種便攜設備。能夠使用戶的設備整齊安全的擺放，便于用戶進行拿取放置以及便于尋找。

2.5 儲物柜的機械設計 位于機器下方有若干個儲物柜，為了滿足用戶存放個人物品的需求，儲物柜設計成了獨立的艙室。當用戶租借儲物柜時，機器會收到信號并驅動柜門處的電機將插銷鎖拔出后，再驅動門軸處的電機打開柜門，當物品儲存完成后，由用戶選擇存儲完后，由電機反向完成上述兩步操作，完成柜門閉合及鎖定實現存儲功能。取出物品的步驟與上述步驟同理。

3 共享機配套羽毛球拍設計及要求

3.1 共享機配套羽毛球拍材料選擇 碳纖維復合材料是一種復合材料，力學性能比其他材質更好，它是一種增強纖維，更是一種特種纖維，它擁有碳元素的基本特征，而且又在一些特殊方面高于普通的碳元素[6]。同時經過長時間的市場調研發現，現在市面上所銷售的質量好且輕便的羽毛球拍都為碳纖維復合材料制成，各個廠商也將自己產品向著輕量化的方向發展，因此早期的金屬材質球拍早已被大多數生產廠商所淘汰。為了帶給用戶良好的運動體驗，本機內的羽毛球拍均選用強度高、質量輕的碳纖維復合材料進行制作。

3.2 碳纖維復合材料的性能及選擇原因（1） 碳纖維復合材料力學性能較好。適合制作輕質量高強度的器材，其在降低自身重量的同時還能保證器材的強度。表1為碳纖維復合材料與其他傳統金屬材料力學參數的對比，由此可以看出，碳纖維復合材料與傳統金屬材料相比，質量不但比金屬材料輕，而且強度還很接近金屬材料[7]。（2） 碳纖維復合材料擁有更好的減震性能。（3）碳纖維復合材料相對安全。從表1 可以看出，碳纖維復合材料擁有更好的強度和抗擊性。因此，碳纖維材料不會輕易斷裂，強度更高，能夠適應體育運動中給器材帶來的沖擊[8]。（4） 碳纖維復合材料的形狀大小尺寸可隨意設計。處理后，碳纖維復合材料具有更長的使用壽命，且更加的環保。因此，碳纖維復合材料是制作羽毛球拍的首選材料，能夠提升羽毛球拍強度、使用壽命等[6]。

表1 碳纖維復合材料與其他傳統金屬材料力學性能參數對比

3.3 球拍的尺寸與框型設計 經過對各大體育用品店所售賣的羽毛球拍的走訪調查發現，現階段絕大多數羽毛球拍的總體長度都在675 mm，即使有出入，也并不會相差太多，為了適配機器且做到整齊規范，本機內羽毛球拍的長度均設計成675mm 標準長度，以適應絕大多數人群的使用習慣。

且根據調查，羽毛球拍的框型也影響著球拍的效果，經過對比不同框型的結構、特點，并進行了上手體驗，最終選擇了結構簡單、穩定性強、可以提高擊球穩定性和抗扭力、可以承受較高拉線磅數的盒式拍框（見圖7）作為本機內羽毛球的框型設計，該設計盡可能地保證了羽毛球拍在使用過程中的強度，降低了運動過程中帶來的損傷。同時作為萬金油框型，在各方面的能力較為均衡，符合大多數人的使用習慣，也做到了整齊劃一。

4 結論

綜合考慮確定羽毛球拍的材質、框型、尺寸以及羽毛球拍的租借機械結構和填裝機械結構，實現了羽毛球拍共享與歸還的設計；又設計了羽毛球拍售賣填裝部分和飲品自助售賣部分的的機械結構，實現了羽毛球拍和飲品的自助售賣；充電區域的設備支架也為設備的擺放提供了便利條件；同時下方的儲存柜，也滿足了使用者對私人物品存放的需求。并利用SolidWorks 軟件進行建模最終確定了智能多功能一體化羽毛球拍共享機的概念設計圖，滿足了小組設計之初想要達到的設計要求。