简易自动翻书机设计

摘要： 针对手部残疾者独立阅读的需要，本文设计一种简易自动翻书机，利用负压吸附原理，通过单片机控制电机实现翻书动作。主要进行翻书系统的总体设计，包括负压系统、传动系统以及电控系统设计。该简易自动翻书机能够实现声控翻书功能，为手部残疾者提供便利。

Abstract： For independent reading needs of the hand disabled， we design a simple automatic book machine. We use negative pressure adsorption principle and single-chip motor control to achieve the open book action. In this paper， the overall design of the open book system is carried on， mainly including negative pressure system， powertrain system and electrical control system design. This design can achieve open book function， facilitating the hand disabilities.

关键词： 翻书机；负压吸附；声音控制

Key words： book machine；negative pressure adsorption；sound control

中图分类号：TH702 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）21-0050-02

0 引言

独立阅读对于双手残疾的人是非常困难的。目前，国内外已经有了翻书结构的设计方案，例如日本的BOOK TIME5000型自动翻书机，美国Michael Donald Banks[1]的Page turner，燕山大学武岳[2]等人研究的全自动可调式翻页机构及大连交通大学董云美[3]等人研究的脚踏式翻书机构。但成本较高，且翻页速度及可靠性相对较低。因此，本文设计一种简易自动翻书机，能够通过用户的语音命令，实现自动翻页的功能，便于双手残疾者独立阅读。

1 自动翻书机总体设计

本文设计的简易自动翻书机，能够通过用户的语音命令，实现自动翻页的功能。基于负压吸附原理，利用真空吸盘实现对书页的吸持、脱开及传递等基本动作，其中吸持力靠真空系统维持，真空泵作为本系统的真空源，由系统抽取空气从而建立压力差吸附书页并将书页置于翻书棒上，进而实现翻书动作。翻页系统采用模块化设计，主要由负压吸附系统、传动系统、电气及控制系统组成。

2 负压系统的设计

2.1 负压吸附原理 真空吸盘[4]利用负压吸附技术来吸附书页，与其他方式相比，此种取纸的方式效率较高，而且对书页的损耗更小。

2.2 负压系统的选择 由于重力对吸盘的作用，本翻书系统大部分运动过程近似为吸盘水平安装在竖直方向上的运动。通过现有吸盘组的直径估算公式[5-6]进行估算，进而求出大概的吸盘直径与气压差，根据计算结果，采用？覫6mm的真空吸盘。

3 传动系统的设计

为让吸盘的运动轨迹满足一定的要求，以及满足翻书棒的运动规律，采用电力电子传动方式[2，8]，使机械结构大大简化，减少了整个系统的制造成本。通过在auto CAD中对书页以及吸盘运动轨迹的分析，并进一步将吸盘及吸盘连杆在adams[7]环境下建立简易模型进行动力学仿真，找出满足吸盘运动轨迹的设计尺寸。通过对所需功能及设计约束的分析，求解出其余各构件的适宜尺寸，并在solidworks环境中建立翻书系统模型如图1所示。

4 电气、控制系统的设计

控制系统采用以C语言编程的C51系列单片机作为控制核心[9]。

4.1 硬件设计 翻书系统通过语音信息采集命令，利用语音模块进行分析，将采集到的信息通过无线模块传递到单片机。语音识别模块是以LD3320语音识别芯片为核心的，是基于非特定人的语音识别，不需要事先进行训练，每条识别语句最多支持10个汉字或79个字节的拼音串。另外该芯片支持MP3语音播放功能，可满足播放语音提示的需求。

4.2 软件设计 控制部分的硬件设计需要搭配对应的控制程序设计，程序主要包括初始化部分，以及一个不断接受和执行控制命令的循环体。在整个翻书机系统中使用了两个等功率的电机及一个真空泵。电机1控制吸盘杆，电机2控制翻书棒。真空泵作为吸盘的真空源。对控制器完成初始化之后，语音模块将语音信息通过无线模块发送给控制节点，控制节点开启气泵，启动电机1，吸盘下降，当成功吸附到书页时，气泵的工作电流会发生变化，通过对电流的的变化信息分析，识别吸附状态，之后反转电机1，吸盘上升，当上升预定距离后，电机2开始运动，带动翻书棒运动，与此同时气泵停止工作，当翻书棒成功将书页翻转后，电机2反转，翻书棒回到预定位置，动作全部完成后，等待接收第二次命令。

5 结语

本文基于负压吸附原理，进行了简易自动翻书机的翻页系总体设计，通过负压系统，传动系统以及电控系统的设计实现了语音控制翻书动作，且设计可靠性高，价格低廉，具有一定的实际意义。

参考文献：

[1]Michael Donald Banks，Page turner，美国，US7750226 B2[P]，2010年7月6日.

[2]宜亚丽，武岳，赵三猛，吕国国.全自动可调式翻页机构设计[J].机械研究与应用，2011（06）：80-81.

[3]董美云，李培行.脚踏式翻书机构的设计及运动仿真[J].大连交通大学学报，2010（02）：24-27.

[4]Sommer-automatic公司，真空吸盘系统的完整模块[J].现代制造，2009（4）：46-47.

[5]赵艳妮.多唇边式真空吸盘的设计研究[D].昆明理工大学，2009.

[6]范增良.刚性真空吸盘拾取性能的研究[D].江南大学，2012.

[7]陈峰华.adams2012虚拟样机技术从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013.

[8]邱阿瑞.现代电力传动与控制[M].北京：电子工业出版社，2004.

[9]郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展（附光盘）[M].北京：电子工业出版社，2009.