一種新型智能電動床上桌的設計與研究

房家齊 吳曉風

遼寧科技大學材料與冶金學院 遼寧鞍山 114051

1 設計背景及目的

床上桌作為一種常見床上工作物品,其是大多數人出行時和宿舍生活之中必不可少的工具。

在大學宿舍之中床上桌有著“宿舍學習利器”的美名。而對于傳統的宿舍床上桌而言,其大多從下鋪作為出發點,很少有床上桌以上鋪使用為出發點進行設計。同時大多數的床上桌均具有占據床上空間、安裝困難等缺點。

盡管在市場上存在著筆記本支撐架等產品,如程濤[2]等人研發的床用筆記本支撐架,這些產品仍具有不利于上鋪使用,并且存在著專用能力強、通用性差的問題。

圖1 床用筆記本支架[2]

不僅如此,隨著人口老齡化的不斷加劇,由于各種原因的臥床老人需要一款智能電動設備,來為他們提供幫助,這個領域急需新產品、新設計進行填充。

注意到在許多人乘坐火車旅行時,臥鋪票特別是動車臥鋪等,由于空間原因,會出現沒有桌子作為飲食、工作和放置物品,同時其鋪位空間十分狹窄,安裝傳統床上桌并不適用。

綜上所述,研發并設計一款可以不占據床上空間,并且具有多種功能的一體安裝智能床上桌有著重要的時代意義和發展前景。

2 床上桌的結構組成及工作原理

2.1 簡介

本文所述床上桌的主要結構可分為桌面、移動部分、支撐和固定部分,桌面具有三自由度電動機構,使用電機、齒輪—齒輪、齒輪—齒條機構、滾珠絲杠抬升機構,實現了桌面的旋轉、平移、上升;控制系統基于STM32單片機,供電采取220V交流電源,通過降壓直流電源模塊給各機構供電。由于采用了STM32單片機,可以通過按鈕實現本地控制,也可以采用藍牙遠程控制的方式來控制桌面的移動。

圖2 STM32單片機建模

本床上桌具有操作方便,功能繁多,少占用床上方空間的特點。

下文將以各部分結構為順序,依次介紹各組成部分。

2.2 支撐架與上方固定式書架

支撐架兩個,布置在床上桌左右,由方管、鋼板焊接完成,下方呈A形,用于連接床架與床上桌,使用時將鋼板與方管固定在宿舍床鋪一側,用焊接或是軋帶扎緊的方式固定在床架上,上方后探出的橫向支架從欄桿后側通過扎帶固定在欄桿上,如圖3所示。

圖3 A形支撐架的固定方式

上方固定式書架采用貼片膠合板,采用自攻螺絲的方式,穿過支撐架擰入膠合板,每側兩顆螺絲固定。

2.3 桌面旋轉裝置

桌面旋轉裝置如圖4所示,其中圖4(a)一側使用大小齒輪一對,步進電機鏈接驅動小齒輪,大齒輪鏈接軸,軸通過支撐架中軸承進而連接到桌面伸縮與抬升平臺上;另一側則直接通過軸承固定在支撐架上。通過控制步進電機的旋轉,帶動齒輪組,進而驅動了桌面角度的調節。利用步進電機的保持扭矩保證了桌子在不受到角度調節命令時保證角度的不改變。

圖4 桌面旋轉裝置

圖4(b)側則使用單個軸直接將桌面伸縮與抬升平臺連接至支撐架。

2.4 桌面伸縮與抬升平臺

桌面支撐與抬升平臺是主體為一個橫置C形平臺,如圖5所示,安裝在一對滑軌上,滑軌在一段左右伸出兩軸,一側軸長,穿過固定架后安裝大齒輪與桌面旋轉裝置小齒輪嚙合,另一端軸則安裝在固定架上。

圖5 C形抬升平臺

圖6 伸縮滑軌

滑軌為兩段設計,其中在外側導軌上方布置有齒條,與C形平臺有旋轉裝置的一側臂平臺上固定地裝有小齒輪的步進電機嚙合,驅動步進電機,即可推動C形平臺在導軌支撐下前后移動。

倒C形的兩臂上均有鉆安裝孔與通孔,每個臂上安裝了一對光桿與絲桿,絲桿部分用聯軸器與一個步進電機相連接,且電機被固定在C形平臺上。

絲桿光桿與桌面支撐平臺上的螺母與直線軸承相配合,同時驅動兩個電機,即可控制桌面的上下移動。

C形平臺下部安裝有一個抽屜,可以用于儲物。

2.5 桌面支撐平臺與桌面

桌面支撐平臺成橫置的王字形如圖7所示,整體由方管焊接完成,中部十字狀區域上有通孔,利用自攻絲固定桌面,左右開出通孔與安裝孔,安裝滾珠絲杠螺母與直線軸承。

圖7 王字形支架

上部固定的桌面由塑料或是膠合板制成,使用自攻絲安裝于王字形支架上。

2.6 升降機構

桌面的升降機構如圖8所示。

圖8 升降機構

其自上而下分為螺桿光桿上支撐架、螺桿光桿、滾珠螺母、直線軸承、螺桿光桿下支撐架和步進電機組成。工作時,由電機提供動力,控制或是限制絲杠旋轉,進而帶動滾珠螺母旋轉,滾珠螺母將旋轉轉化為直線運動,驅動桌面上下運動。

2.7 控制系統與電源以及其外包殼

控制系統與電源利用外包殼固定在支撐架內側,利用多輸出交流轉直流電源、32單片機、步進電機驅動板、藍牙模塊以及所需要的連接線,起到給電機供電、控制驅動電機,進而控制及機械機構的作用,同時還具有鏈接兩支撐架、調節重心的作用,在其側面有開孔,安裝控制按鈕,并伸出供電線。

2.8 機械機構保護殼

塑料和軟質套管制成的保護殼,用于避免人體和衣物等物品進入機械機構受傷,保證機械機構清潔,減少磨損。

3 三維結構示意圖

如下圖9所示,圖中為了顯示方便,隱藏了電機架與外部包裹塑料。

圖9 三維結構圖

4 創新點、不足及應用

(1)創新點。①填補了市場上沒有智能床上桌的空白。②桌子具有三自由度點動控制,方便了使用者調節。③可以使用藍牙進行桌子的遙控,實現遠程控制。④使用滾珠絲桿,有較大的承載能力。⑤機械機構簡單便于生產制造。

(2)不足。①價格較為高昂,市場相對較小。②多自由度機構實現體積較大仍需優化。③機械機構較多,不易于維護。

(3)應用。本設備有著智能化的、操作簡便、實用性強的特點,可以有效彌補老人智能化服務體系的不足,可以與其他智能設備配合用于改善臥床老人床上生活不便的問題,甚至進入醫療系統。在安裝一些醫療監護設備后有效地改善住院病人的生活,改善大學生的宿舍的學習體驗,可以提高長途火車旅途便利性。因此,本設備具有較大的發展前景。