房家齊 吳曉風(fēng)

遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 遼寧鞍山 114051

1 設(shè)計(jì)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(shù)人出行時(shí)和宿舍生活之中必不可少的工具。

在大學(xué)宿舍之中床上桌有著“宿舍學(xué)習(xí)利器”的美名。而對(duì)于傳統(tǒng)的宿舍床上桌而言,其大多從下鋪?zhàn)鳛槌霭l(fā)點(diǎn),很少有床上桌以上鋪使用為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)大多數(shù)的床上桌均具有占據(jù)床上空間、安裝困難等缺點(diǎn)。

盡管在市場(chǎng)上存在著筆記本支撐架等產(chǎn)品,如程濤[2]等人研發(fā)的床用筆記本支撐架,這些產(chǎn)品仍具有不利于上鋪使用,并且存在著專用能力強(qiáng)、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(dòng)設(shè)備,來為他們提供幫助,這個(gè)領(lǐng)域急需新產(chǎn)品、新設(shè)計(jì)進(jìn)行填充。

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

綜上所述,研發(fā)并設(shè)計(jì)一款可以不占據(jù)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(shí)代意義和發(fā)展前景。

2 床上桌的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

2.1 簡(jiǎn)介

本文所述床上桌的主要結(jié)構(gòu)可分為桌面、移動(dòng)部分、支撐和固定部分,桌面具有三自由度電動(dòng)機(jī)構(gòu),使用電機(jī)、齒輪—齒輪、齒輪—齒條機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠抬升機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了桌面的旋轉(zhuǎn)、平移、上升;控制系統(tǒng)基于STM32單片機(jī),供電采取220V交流電源,通過降壓直流電源模塊給各機(jī)構(gòu)供電。由于采用了STM32單片機(jī),可以通過按鈕實(shí)現(xiàn)本地控制,也可以采用藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制的方式來控制桌面的移動(dòng)。

圖2 STM32單片機(jī)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(diǎn)。

下文將以各部分結(jié)構(gòu)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(gè),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(shí)將鋼板與方管固定在宿舍床鋪一側(cè),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(cè)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(cè)兩顆螺絲固定。

2.3 桌面旋轉(zhuǎn)裝置

桌面旋轉(zhuǎn)裝置如圖4所示,其中圖4(a)一側(cè)使用大小齒輪一對(duì),步進(jìn)電機(jī)鏈接驅(qū)動(dòng)小齒輪,大齒輪鏈接軸,軸通過支撐架中軸承進(jìn)而連接到桌面伸縮與抬升平臺(tái)上;另一側(cè)則直接通過軸承固定在支撐架上。通過控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)齒輪組,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了桌面角度的調(diào)節(jié)。利用步進(jìn)電機(jī)的保持扭矩保證了桌子在不受到角度調(diào)節(jié)命令時(shí)保證角度的不改變。

圖4 桌面旋轉(zhuǎn)裝置

圖4(b)側(cè)則使用單個(gè)軸直接將桌面伸縮與抬升平臺(tái)連接至支撐架。

2.4 桌面伸縮與抬升平臺(tái)

桌面支撐與抬升平臺(tái)是主體為一個(gè)橫置C形平臺(tái),如圖5所示,安裝在一對(duì)滑軌上,滑軌在一段左右伸出兩軸,一側(cè)軸長(zhǎng),穿過固定架后安裝大齒輪與桌面旋轉(zhuǎn)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(tái)

圖6 伸縮滑軌

滑軌為兩段設(shè)計(jì),其中在外側(cè)導(dǎo)軌上方布置有齒條,與C形平臺(tái)有旋轉(zhuǎn)裝置的一側(cè)臂平臺(tái)上固定地裝有小齒輪的步進(jìn)電機(jī)嚙合,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),即可推動(dòng)C形平臺(tái)在導(dǎo)軌支撐下前后移動(dòng)。

倒C形的兩臂上均有鉆安裝孔與通孔,每個(gè)臂上安裝了一對(duì)光桿與絲桿,絲桿部分用聯(lián)軸器與一個(gè)步進(jìn)電機(jī)相連接,且電機(jī)被固定在C形平臺(tái)上。

絲桿光桿與桌面支撐平臺(tái)上的螺母與直線軸承相配合,同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī),即可控制桌面的上下移動(dòng)。

C形平臺(tái)下部安裝有一個(gè)抽屜,可以用于儲(chǔ)物。

2.5 桌面支撐平臺(tái)與桌面

桌面支撐平臺(tái)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(qū)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(jī)構(gòu)

桌面的升降機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 升降機(jī)構(gòu)

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(jìn)電機(jī)組成。工作時(shí),由電機(jī)提供動(dòng)力,控制或是限制絲杠旋轉(zhuǎn),進(jìn)而帶動(dòng)滾珠螺母旋轉(zhuǎn),滾珠螺母將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)桌面上下運(yùn)動(dòng)。

2.7 控制系統(tǒng)與電源以及其外包殼

控制系統(tǒng)與電源利用外包殼固定在支撐架內(nèi)側(cè),利用多輸出交流轉(zhuǎn)直流電源、32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、藍(lán)牙模塊以及所需要的連接線,起到給電機(jī)供電、控制驅(qū)動(dòng)電機(jī),進(jìn)而控制及機(jī)械機(jī)構(gòu)的作用,同時(shí)還具有鏈接兩支撐架、調(diào)節(jié)重心的作用,在其側(cè)面有開孔,安裝控制按鈕,并伸出供電線。

2.8 機(jī)械機(jī)構(gòu)保護(hù)殼

塑料和軟質(zhì)套管制成的保護(hù)殼,用于避免人體和衣物等物品進(jìn)入機(jī)械機(jī)構(gòu)受傷,保證機(jī)械機(jī)構(gòu)清潔,減少磨損。

3 三維結(jié)構(gòu)示意圖

如下圖9所示,圖中為了顯示方便,隱藏了電機(jī)架與外部包裹塑料。

圖9 三維結(jié)構(gòu)圖

4 創(chuàng)新點(diǎn)、不足及應(yīng)用

(1)創(chuàng)新點(diǎn)。①填補(bǔ)了市場(chǎng)上沒有智能床上桌的空白。②桌子具有三自由度點(diǎn)動(dòng)控制,方便了使用者調(diào)節(jié)。③可以使用藍(lán)牙進(jìn)行桌子的遙控,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。④使用滾珠絲桿,有較大的承載能力。⑤機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單便于生產(chǎn)制造。

(2)不足。①價(jià)格較為高昂,市場(chǎng)相對(duì)較小。②多自由度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)體積較大仍需優(yōu)化。③機(jī)械機(jī)構(gòu)較多,不易于維護(hù)。

(3)應(yīng)用。本設(shè)備有著智能化的、操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn),可以有效彌補(bǔ)老人智能化服務(wù)體系的不足,可以與其他智能設(shè)備配合用于改善臥床老人床上生活不便的問題,甚至進(jìn)入醫(yī)療系統(tǒng)。在安裝一些醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備后有效地改善住院病人的生活,改善大學(xué)生的宿舍的學(xué)習(xí)體驗(yàn),可以提高長(zhǎng)途火車旅途便利性。因此,本設(shè)備具有較大的發(fā)展前景。