多功能羽毛球拍共享机设计

侯 旭，王煦宇，张宇航，徐 成*

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

引言

在国家号召全民健身促进体育强国的大环境下，生活水平与质量有着很大提升，人们普遍存在着亚健康所带来的身体问题，为此国家商讨并制定全民健身计划政策，来推动全民健身[1]。羽毛球运动运动强度相对较高，身体与身体间碰撞少，局与局间歇时间短[3]，能够锻炼身体各处的协调性，强化体能，得到了各年龄段人们的青睐。但是随之而来的便是羽毛球装备的价格过高，导致现实生活中很多羽毛球爱好者很难找到适合自己预算的羽毛球资源[3]，在共享经济的思潮下，将羽毛球装备设计成共享资源，为众多羽毛球爱好者们提供用低成本换取高质量装备的方式，从而获得更好的运动体验。羽毛球拍的共享部分的机械设计是该多功能羽毛球拍共享机的重要部分，影响着人们的共享体验及租借效率，因此，研究重点就是对羽毛球拍共享装置内羽毛球拍的填装机械结构进行合理的设计，保证其工作可靠，提高租借效率，降低羽毛球运动的成本，对羽毛球运动装备共享机器的发展有着重要的意义。

1 国内外研究现状

目前环境下，想要进行羽毛球运动需要大量的资源，对于爱好者们来说进行羽毛球运动必不可少的三个条件就是羽毛球场、羽毛球装备以及好的对手。在现实中消费者很难获得全面的三要素。工欲善其事必先利其器，所以装备问题成为了重要的一点，目前市场上售卖的体育用品租借设备设计简单且技术含量不足，仍然存在较多设计上的缺陷。需要加大体育用品的回收力度[4]。

到目前为止并没有与羽毛球拍共享相关的设计，大家都想用最低的成本，享受高质量的羽毛球运动。但是羽毛球运动的投入还是比较大的。一个专业的球拍需要1 000 元左右，中端的球拍也要600 元左右，入门的球拍也需要200 左右，且手感体验与价格成正比。而羽毛球作为消耗品，通常一桶的规格为12 只，每只价格在7～8元[3]，且球桶体积较大，作为消耗品携带不方便，这样看来参与羽毛球运动不仅价格不菲而且还存在着装备携带不便的问题。这也是阻碍更多人打羽毛球的因素之一。当专业的羽毛球拍变成可以共享的资源，且羽毛球不需要自己携带时，参与羽毛球运动的成本会大大降低，消耗品的使用也会更加便利。人们只需要到达运动场地就可以随时拿到共享的专业羽毛球拍和羽毛球进行锻炼，综上所述，该设计可以有效的解决人们参与羽毛球运动中装备成本高的问题，减少装备成本因素带来的干扰。

2 总体方案

2.1 智能多功能一体化羽毛球拍共享机的基本结构设计 该设计整体主要由羽毛球拍共享区的球拍储存箱、球拍填装系统、羽毛球自助售卖区的填装推进系统、饮品自助售卖区的填装推进系统、上方教学屏幕、设备充电存放区及下方储物箱等结构组成，见图1。并用SolidWorks 进行了概念模型的建立，见图2。

2.2 羽毛球拍共享区机械结构的设计 羽毛球拍存储箱共有5 个，每个储存箱内可以储存5 把球拍，每把球拍均为拍面朝下，握把向上以方便人们拿取放回。为防止球拍在存储过程中的磕碰，储存箱的内部设计了橡胶内衬以保存羽毛球拍的完整性。为了适应不同的人群，根据走访调查的结果进行汇总，得出了大多数人使用的球拍磅数，并将球拍根据缠线的磅数分别分到了5 个区域从左到右依次为18-20、20-22、22-24、24-26、26-28，方便不同的人群进行选择，当用户选择租借球拍时，储存箱会根据用户的选择发出指定的信号，机器收到信号后会带动电机旋转，将相应磅数的储存箱旋开，同时夹取器解锁，当用户将球拍取出后，机器收到租借成功的指令后，电机会再次旋转带动储存箱关闭。为满足多数人同时锻炼的需求，储存箱后方设计了一个球拍填装系统，当共享储存箱内的球拍使用完后，机器能够识别相应的信号，这时位于后方的备用球拍装填结构会通过夹取器将后方备用拍储存箱的球拍拿起，通过机械装置带动到达羽毛球拍共享取得储存箱，同时当机械装置到位后，共享区的储存箱上的夹取器会形成闭锁锁住球拍，而负责装填的机械装置上的夹取器则会开锁，当羽毛球拍装填完毕后，机械装置将会回位，并进行下一组球拍的填装，从而实现羽毛球拍的连续填装来提高球拍租借的续航能力，见图3。当共享箱中的球拍已满，已经没有放置球拍的位置并且有人归还球拍时，机器则会打开储存箱直接将机械装置推出，同时夹取器打开，归还只需要将球拍放进夹取器，由机器实时扫描闭锁，并将归还的球拍重新填装回备用箱中，若是归还时共享储存箱内有空余的位置，则会打开储存箱内的夹取器实现归还。

2.3 羽毛球及饮品自助售卖区的机械结构设计 羽毛球自主售卖区对于毛球的填装及售卖和饮品区的自助与售卖均采用类似于枪械填装子弹的方式进行装货与出货，机器内的羽毛球会被预先装进特制的圆筒内，机器内部会有若干这样装满羽毛球的圆筒，可以将它们看作“弹夹”，把羽毛球看作“子弹”，见图4，当使用者选择购买羽毛球后，机械装置会收到信号开始工作负责推送羽毛球的装置将会向后运动并做好准备，随后在下方的机械装置会将这些“弹夹”推到高于出货口的位置，待到达位置后位于左侧的机械装置会将圆桶推到出货口上方，此时负责推送羽毛球的机械装置会深入圆筒根据顾客需要的数量推动相应的距离将羽毛球从出货口推出。当一桶羽毛球被推出后，右面的挡板会打开，当下一桶被填装的时候，被使用过后的“弹夹”会从右侧推出，落到回收箱内，循环此过程就可以实现羽毛球自主售卖及填装的过程，见图5。

饮品区自助售卖的原理也与上述原理类似，饮品被摆放在储存箱内，当使用者购买饮品后，负责推送饮品的机械装置会向后运动并做好准备，位于下方的推动板会将饮品推动到出货口之上，之后左侧的推动板会根据需求量依次将饮品从出货口送出。

2.4 设备充电区的结构设计 2017 年公布并于2018年实施的GB/T35590-2017《信息技术 便携式数字设备用移动电源通用规范》[5]中规定，便携式数字设备用的输入电压不大于250 V，输出直流电压不大于220 V，单端口输出电流不大于5 A，采用有线输出方式的移动电源。为了适用大多数场景并且提供高效的充电服务，我们选择了22V 为输入电压、60 V 输出电压、5 A 输出电流的可移动式电源作为充电区域的电力来源。提供安全的充电服务时又使充电的效率大大增加。同时别为Type-C接口、安卓接口、苹果接口，使用不同设备的用户都可以根据自身需要在充电面板进行设备充电。同时充电接口面板下方的平台上我们还设置了若干手机支架，见图6，尺寸适应多种便携设备。能够使用户的设备整齐安全的摆放，便于用户进行拿取放置以及便于寻找。

2.5 储物柜的机械设计 位于机器下方有若干个储物柜，为了满足用户存放个人物品的需求，储物柜设计成了独立的舱室。当用户租借储物柜时，机器会收到信号并驱动柜门处的电机将插销锁拔出后，再驱动门轴处的电机打开柜门，当物品储存完成后，由用户选择存储完后，由电机反向完成上述两步操作，完成柜门闭合及锁定实现存储功能。取出物品的步骤与上述步骤同理。

3 共享机配套羽毛球拍设计及要求

3.1 共享机配套羽毛球拍材料选择 碳纤维复合材料是一种复合材料，力学性能比其他材质更好，它是一种增强纤维，更是一种特种纤维，它拥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]。同时经过长时间的市场调研发现，现在市面上所销售的质量好且轻便的羽毛球拍都为碳纤维复合材料制成，各个厂商也将自己产品向着轻量化的方向发展，因此早期的金属材质球拍早已被大多数生产厂商所淘汰。为了带给用户良好的运动体验，本机内的羽毛球拍均选用强度高、质量轻的碳纤维复合材料进行制作。

3.2 碳纤维复合材料的性能及选择原因（1） 碳纤维复合材料力学性能较好。适合制作轻质量高强度的器材，其在降低自身重量的同时还能保证器材的强度。表1为碳纤维复合材料与其他传统金属材料力学参数的对比，由此可以看出，碳纤维复合材料与传统金属材料相比，质量不但比金属材料轻，而且强度还很接近金属材料[7]。（2） 碳纤维复合材料拥有更好的减震性能。（3）碳纤维复合材料相对安全。从表1 可以看出，碳纤维复合材料拥有更好的强度和抗击性。因此，碳纤维材料不会轻易断裂，强度更高，能够适应体育运动中给器材带来的冲击[8]。（4） 碳纤维复合材料的形状大小尺寸可随意设计。处理后，碳纤维复合材料具有更长的使用寿命，且更加的环保。因此，碳纤维复合材料是制作羽毛球拍的首选材料，能够提升羽毛球拍强度、使用寿命等[6]。

表1 碳纤维复合材料与其他传统金属材料力学性能参数对比

3.3 球拍的尺寸与框型设计 经过对各大体育用品店所售卖的羽毛球拍的走访调查发现，现阶段绝大多数羽毛球拍的总体长度都在675 mm，即使有出入，也并不会相差太多，为了适配机器且做到整齐规范，本机内羽毛球拍的长度均设计成675mm 标准长度，以适应绝大多数人群的使用习惯。

且根据调查，羽毛球拍的框型也影响着球拍的效果，经过对比不同框型的结构、特点，并进行了上手体验，最终选择了结构简单、稳定性强、可以提高击球稳定性和抗扭力、可以承受较高拉线磅数的盒式拍框（见图7）作为本机内羽毛球的框型设计，该设计尽可能地保证了羽毛球拍在使用过程中的强度，降低了运动过程中带来的损伤。同时作为万金油框型，在各方面的能力较为均衡，符合大多数人的使用习惯，也做到了整齐划一。

4 结论

综合考虑确定羽毛球拍的材质、框型、尺寸以及羽毛球拍的租借机械结构和填装机械结构，实现了羽毛球拍共享与归还的设计；又设计了羽毛球拍售卖填装部分和饮品自助售卖部分的的机械结构，实现了羽毛球拍和饮品的自助售卖；充电区域的设备支架也为设备的摆放提供了便利条件；同时下方的储存柜，也满足了使用者对私人物品存放的需求。并利用SolidWorks 软件进行建模最终确定了智能多功能一体化羽毛球拍共享机的概念设计图，满足了小组设计之初想要达到的设计要求。