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助老型全自動“方便閱讀架”機械、控制結構的設計與制作
1. 論文題目
助老型全自動“方便閱讀架”機械，控制結構的設計與制作
2. 論文結構
2.1 總體結構的設想
論文的總體結構將做如下安排：
1.綜述目前機電一體化發(fā)展和應用的現(xiàn)狀，社會老齡化問題出來的各方面問題以及機電一體化技術的應用與發(fā)展。
2.將服務老年人的任務和機械產(chǎn)品相結合，開發(fā)設計出一種能夠幫助高齡老人，總結市場上現(xiàn)有閱讀書架的結構特征和特點，將其與機械結構巧妙結合，以實現(xiàn)預期的功能，對其整體結構進行設計與優(yōu)化。
3.對于助老型全自動“方便閱讀架”結構特點以及工作原理進行研究及闡述。
4.對“方便閱讀架”的結構和零部件進行設計、加工、裝配。為該方便閱讀架進行程序的編寫及調試，使其按預定的工作狀態(tài)運行。
2.2 選題研究的目的、意義
人口老齡化問題是當今世界各國都要而臨的一個嚴峻挑戰(zhàn)。人口老齡化的發(fā)展導致老年人口過多，影響人口年齡結構，結養(yǎng)老事業(yè)造成巨大壓力。對于我國，這尤為突出，一是我國老年人曰的絕對數(shù)量很大，1996年我國65歲以上的老年人曰已達0. 86億，同年60歲以上的老人已達1. 30億;二是我國人口老齡化的發(fā)展速度快，一般西方國家從人口成年型國家進入老年型國家要經(jīng)過50--80年，而我國大約用不了20年。[1]
目前高齡老年人閱讀是他們了解社會的一種主要渠道，但是高齡老人閱讀確實存在不小的困難，高齡老人的眼睛已經(jīng)嚴重老花，他們閱讀時不僅需要帶上高深的老花鏡，還要手拿放大鏡，這樣才能勉強閱讀，這種閱讀方式不僅勞累，還要隨著閱讀的部位的不同手持放大鏡不斷改變位置，增加了不少的閱讀負擔。本設計擬設計一種老年人閱讀時使用的放大鏡擱置的擺放支架，它不僅可以按照老人閱讀的速度自動調整縱向（y）/橫向（x）的位置，實現(xiàn)類似我們利用電腦閱讀時的自動滾屏操作，還可以按照手動控制的方式來實現(xiàn)手動控制改變放大鏡的位置，以實現(xiàn)閱讀不同的區(qū)域。
2.3 主要解決的問題
目前市場上的閱讀架，功能比較單一，大多只單單提供了固定書籍位置的功能，并不能滿足高齡老年人閱讀的需求，本設計要解決的問題主要是為老年人閱讀看報提供一個操作簡單，方便實用的自動化機械產(chǎn)品，以幫助老年人在視力受老花眼限制的狀況下更好地閱讀。有了既定結構的放大鏡閱讀架能夠免去老年人手持放大鏡的不便，可以讓雙手解放出來去做其它事情，還能避免佩戴眼鏡的不適。閱讀架可以通過調節(jié)按鈕實現(xiàn)放大鏡上下左右平移，同時能夠保證移動速度均勻，優(yōu)化老年人的讀書條件。整個控制過程使用紅外遙控實現(xiàn)，讓使用者可以通過按鍵選擇放大鏡的移動狀態(tài)。讓產(chǎn)品充分發(fā)揮機電一體化產(chǎn)品的特點，使其運行簡單可靠，結構簡易輕便，滿足老年人的讀書看報需求。
2.4 主要工作
主要任務是利用直線電機設計一種新穎的機械結構，控制放大鏡的擺放之間能在x和y方向自如的移動，其移動的速度是可調的，其不僅可以實現(xiàn)不同速度自動移動，還可以實現(xiàn)利用手動的控制手動移動。本設計要求學生能按照設計的基本要求，設計出裝配的零件圖，還應當對控制系統(tǒng)有一個初步的設計，同時還建議本設計最好能制作出實物。
1.繪制該“方便閱讀架”裝配圖一張
2.根據(jù)裝配圖繪制全套零件圖
3.進行閱讀架采購零件和制作全過程
4.編制該閱讀架的全部控制程序
5.對閱讀架進行調試
2.5 主要創(chuàng)新點
1.該閱讀書架將傳統(tǒng)書架與放大鏡，單片機控制系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)自動化方式從而解放雙手，極大提升了老年人閱讀體驗。
2.該閱讀書架結構簡單輕便，攜帶方便，成本低廉，易于生產(chǎn)制造，適合推廣，是一款經(jīng)濟實用型產(chǎn)品。
3.該閱讀書架固定板與移動板之間的距離可以調節(jié)，以適應不同書脊厚度的放置，提高了書籍的放置平整度，書架的傾斜角度還可以根據(jù)不同的閱讀習慣進行調節(jié)，從而達到良好的閱讀效果。
4.結構輕便，加工簡單方便、成本低。
3. 文獻綜述
3.1 步進電機基本原理
步進電機作為執(zhí)行元件.是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展.步進電機的需求量與日俱增.在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號.它就驅動步進電機按設定的力向轉動一個固定的角度(稱為“步距角’).它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量.從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度.從而達到調速的日的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機.利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點.廣泛應用于各種開環(huán)控制現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(VR) . 永磁式步
進電機(PM).混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。[6]
3.2 機電一體化技術的相關應用與發(fā)展
機電一體化發(fā)展至今已經(jīng)成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內容。其基本特征可概括為:機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。
機電一體化基本結構要素：
1.1 機械本體部分 機械本體就像人體的身軀骨架，它是系統(tǒng)所有功能元素的機械支持結構包括機身框架機械連接等。
1.2 動力部分 動力部分與人體內臟產(chǎn)生能量去維持生命運動一樣，為系統(tǒng)提供能量和動力功能驅動執(zhí)行機構使系統(tǒng)按照控制要求正常運行。
1.3 傳感部分 傳感部分就像人的眼鼻耳口等感覺器官將系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測變成可識別的信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過分析處理后產(chǎn)生相應的控制信息。
1.4 驅動部分 驅動部分就像人體的肌肋腱接受大腦指揮驅動四肢運動一樣，在控制信息作用下驅動執(zhí)行機構完成各種動作和功能。
1.5 執(zhí)行部分 執(zhí)行部分如同人的四肢由大腦支配完成各項工作任務一樣，根據(jù)控制信息和指令完成各種動作和功能執(zhí)行機構是運動部件一般采用機械電磁電液等機構。
1.6 控制及信息處理部分 控制及信息處理部分猶如人的大腦指揮和控制全身運動并能記憶思考和判斷問題一樣，將來自各傳感器的檢測信息集中存儲分析加工并根據(jù)信息處理的結果按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令控制整個系統(tǒng)。有目的的運行它一般由計算機可編程序控制器數(shù)控裝置以及邏輯電路A/D 與D/A 轉換I/O 輸入輸出接口和計算機外部設備等組成。[2]
3.6 同步齒形帶的相關應用與發(fā)展
帶傳動按功能可分為摩擦傳動和嚙合傳動。摩擦傳動包括:平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動等;嚙合傳動有同步齒形帶(簡稱同步帶或齒形帶)傳動。20世紀70年代以前，平帶傳動在動力帶傳動中占有一定地位，但70年代后期開始，平帶傳動的生產(chǎn)急速下降，到了80年代，同步帶傳動的生產(chǎn)和應用逐漸增加，同步帶傳動從以往統(tǒng)計上被列在“其它帶傳動”里，單獨分類出來。
與傳統(tǒng)的帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動相比較，同步齒形帶傳動中，同步帶的工作面有齒，帶輪的輪緣表面也制有相應的齒槽，依靠帶與帶輪之間的嚙合傳遞運動和動力，無滑動，能保證恒定的傳動比，預緊力小。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為承載層，氯丁橡膠或聚氨醋為機體，帶薄而且輕，故可用于高速度，傳動時效率可達98%，使用方便，用途廣泛，集帶、鏈傳動的優(yōu)點于一體。故在機械、儀器儀表、化工、生物醫(yī)療器械、辦公自動化設備、紡織機械等方面有廣泛的應用前景。[3]
3.7 同步齒形帶功能和應用
同步齒形帶按功能來分有以下兒種:
(1>動力傳動:這種以傳遞動力(能量)為主，傳遞運動(信息)為輔的傳動裝置，一般要求傳動的承載能力高，抗疲勞性能好、壽命長，所以對齒帶的骨架材料要求強度高，曲撓疲勞性好。常用的傳動方式為轉動一轉動，在這種傳動方式中，帶呈封閉狀，主從動軸傳動比恒定。如汽車發(fā)動機上曲軸與凸輪軸之間的傳動，數(shù)控機床的主傳動裝置，均為動力傳動，通過齒形帶傳動將原動機的動力傳遞到各運動部件。
(2>運動傳遞:這種傳動以傳遞運動(信息)為主，傳遞動力(能量)為輔，傳動過程中，外載荷較小，但要求運動精確。所以對齒帶的材料要求在力的作用下帶的變形量小。這種傳動常用的傳動方式為轉動一移動或步進式移動。通常又有二種結構形式:(d>直線機頭:同步帶與被驅動的機頭固聯(lián)時，同步帶夾持在移動機頭上，組成一個閉環(huán)(如圖la); Cb)直線工作臺:同步帶的兩端與工作臺固定在一起，主動輪的回轉軸線固定并通過兩個滾子保證輪與帶的嚙合，輪轉動后帶動齒帶與工作臺一起移動(圖1b); Cc)直線臺車:齒帶的兩端固定在機架上，而主動輪則配置在托架上，由兩個彎曲的滾子來保證輪與帶的嚙合，輪轉動后，使與主動輪聯(lián)接在一起的托架一起作直線移動(圖c)(見Breco公司產(chǎn)品說明(1),(2), (3))。圖2為德國Stoll公司的CMS系列電腦控制高性能釗一織橫機機頭運動小意圖，機頭與同步齒形帶固聯(lián)，齒帶輪由伺服電機驅動，使帶作來回直線運動，從而帶動機頭在有實際作用的織釗一上來回作步進運動，最高線速度可達3米每秒橫機由傳動機構確保機頭的定位精度。保證織物質量(見St011公司產(chǎn)品說明(德))。除此以外，利用同步齒形帶傳遞運動的實際應用還有很多，如機器人的機械手的運動控制、繪圖儀中筆尖的運動控制、噴墨打印機中噴墨頭的位置控制、數(shù)控機床中的進給裝置都屬于這類運動。
(3)特殊功能:在這類傳動中，通常在齒形帶的背而鑄造一些特別外形，如在帶背后做成輸送帶等，完成特殊功能。圖3中(a)為輸送帶，(b)為牽引帶，(c)為存儲帶。
3.8 老年人情感產(chǎn)品設計原則
老年人讀報器的設計采用情感設計的設計方法，老年人的情感體驗作為整個
產(chǎn)品設計的出發(fā)點和最終落腳點。將老年人讀報的每一個細節(jié)需求點和每一個設
計策略相結合，把他們的意識到的和他們下意識的情感需求放到首位。所以整個
產(chǎn)品的開發(fā)應遵循以下五點基本原則:
1.安全性原則
我們都知道，老年人的身體機能逐漸衰退，對產(chǎn)品的使用能力和反應都不如從前。產(chǎn)品的設計開發(fā)要考慮到老年人使用時的各種不便和危險情況事先做出預防，根據(jù)他們的生理特征和使用的環(huán)境場所避免不利的因素發(fā)生。產(chǎn)品的材質上要盡可能運用防滑，耐摩系數(shù)較高的材料方便拿握，即使摔也不易損壞。材料的環(huán)保性上要安全綠色，以防他們較低的免疫系統(tǒng)易受到侵襲。屏幕的光亮度要適中，太亮會對老年人的眼睛產(chǎn)生刺激，太暗則對他們的眼睛造成負擔，容易出現(xiàn)疲勞。
2.易用作原則
易用強調的是在不看任何說明書，無人指導的情況下，就可以自然的適應和
使用。使用的方法應當是十分自然的，采用多渠道的設計提示方法，輸入和提示
語言不僅從視覺上還將從聽覺、肢體語言等多方面進行引導，從產(chǎn)品形態(tài)就能理
解使用方法。在他們年輕的時候沒有太多使用電器的經(jīng)歷，上網(wǎng)的經(jīng)驗更少，這一點尤其重要。
3.合理性原則
合理性原則是產(chǎn)品設計時必須遵守的一點，它是既是最基本的也是很必要的。老年人產(chǎn)品的合理性就要求產(chǎn)品符合老年的年齡特點、老年人的人體工程學、行為習慣等要素，以這些為參考標準開展設計方案，修改設一計細節(jié)，在形態(tài)、材料、顏色、結構、功能等方功}做出相對應的調整來完善產(chǎn)品。
4. 實效性原則
老年人都有著勤儉節(jié)約的美德，他們不習慣鋪張浪費，堅守著務實的生活態(tài)
度和樸素的消費理念。在功能設置上不要畫蛇添足應以實用為主，形態(tài)和界面設
計上也不必過于花哨，復雜的功能設計和華而不實的形態(tài)界面不僅增加了產(chǎn)品的
售價更加大了產(chǎn)品的操作難度。老年人產(chǎn)品設計應在耐用性、可靠性和穩(wěn)定性上
多下功夫。
5.適當性原則
適當設計理論實際上是一種適度設計的理論，它主張為滿足消費者合理的、
適度的消費需求，讓產(chǎn)品引導消費者正確的消費觀念。老年人產(chǎn)品功能上的適當
J勝體現(xiàn)在功能實用、簡便，減少使用頻率低的附加功能設置。形態(tài)上的適當性體
現(xiàn)在清晰而明確的按鍵設計及樸素大方的造型特點。
4. 參考文獻
[1] 李日邦，王五一，譚見安，何洋，楊林生. 我國人口老齡化發(fā)展的階段、趨勢和區(qū)域差異[J].1999,(06),No 2,Vol 18.
[2] .章 浩，張西良，周士沖.機電一體化技術的發(fā)展和應用[A].2006（07）第七期
[3] 張汝琦，樊智敏，王憲民，同步齒形帶傳動的現(xiàn)狀與展望.[A].結構與零件,?pp.593~594
[4] 黃鶴.基于老年人電子讀報器產(chǎn)品情感化設計[D].中央美術學院，2013（5）
[5] 楊玉萍，曹清林，沈世德，同步齒形帶的研究使用現(xiàn)狀與發(fā)展，[J]16(1)，2003-01
[6] 張明，步進電機的基本原理.[D]天津工業(yè)大學計算機學院自動化 機械與電子??2007 第9期.
[7] 徐海枝.[J].裝備制造技術,?2012,?(07).
[8] 羅慶生?,?羅洪堅?,?王耀煉[J].計算機測量與控制,?2003,?(10).
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