一种新型智能电动床上桌的设计与研究

房家齐 吴晓风

辽宁科技大学材料与冶金学院 辽宁鞍山 114051

1 设计背景及目的

床上桌作为一种常见床上工作物品,其是大多数人出行时和宿舍生活之中必不可少的工具。

在大学宿舍之中床上桌有着“宿舍学习利器”的美名。而对于传统的宿舍床上桌而言,其大多从下铺作为出发点,很少有床上桌以上铺使用为出发点进行设计。同时大多数的床上桌均具有占据床上空间、安装困难等缺点。

尽管在市场上存在着笔记本支撑架等产品,如程涛[2]等人研发的床用笔记本支撑架,这些产品仍具有不利于上铺使用,并且存在着专用能力强、通用性差的问题。

图1 床用笔记本支架[2]

不仅如此,随着人口老龄化的不断加剧,由于各种原因的卧床老人需要一款智能电动设备,来为他们提供帮助,这个领域急需新产品、新设计进行填充。

注意到在许多人乘坐火车旅行时,卧铺票特别是动车卧铺等,由于空间原因,会出现没有桌子作为饮食、工作和放置物品,同时其铺位空间十分狭窄,安装传统床上桌并不适用。

综上所述,研发并设计一款可以不占据床上空间,并且具有多种功能的一体安装智能床上桌有着重要的时代意义和发展前景。

2 床上桌的结构组成及工作原理

2.1 简介

本文所述床上桌的主要结构可分为桌面、移动部分、支撑和固定部分,桌面具有三自由度电动机构,使用电机、齿轮—齿轮、齿轮—齿条机构、滚珠丝杠抬升机构,实现了桌面的旋转、平移、上升;控制系统基于STM32单片机,供电采取220V交流电源,通过降压直流电源模块给各机构供电。由于采用了STM32单片机,可以通过按钮实现本地控制,也可以采用蓝牙远程控制的方式来控制桌面的移动。

图2 STM32单片机建模

本床上桌具有操作方便,功能繁多,少占用床上方空间的特点。

下文将以各部分结构为顺序,依次介绍各组成部分。

2.2 支撑架与上方固定式书架

支撑架两个,布置在床上桌左右,由方管、钢板焊接完成,下方呈A形,用于连接床架与床上桌,使用时将钢板与方管固定在宿舍床铺一侧,用焊接或是轧带扎紧的方式固定在床架上,上方后探出的横向支架从栏杆后侧通过扎带固定在栏杆上,如图3所示。

图3 A形支撑架的固定方式

上方固定式书架采用贴片胶合板,采用自攻螺丝的方式,穿过支撑架拧入胶合板,每侧两颗螺丝固定。

2.3 桌面旋转装置

桌面旋转装置如图4所示,其中图4(a)一侧使用大小齿轮一对,步进电机链接驱动小齿轮,大齿轮链接轴,轴通过支撑架中轴承进而连接到桌面伸缩与抬升平台上;另一侧则直接通过轴承固定在支撑架上。通过控制步进电机的旋转,带动齿轮组,进而驱动了桌面角度的调节。利用步进电机的保持扭矩保证了桌子在不受到角度调节命令时保证角度的不改变。

图4 桌面旋转装置

图4(b)侧则使用单个轴直接将桌面伸缩与抬升平台连接至支撑架。

2.4 桌面伸缩与抬升平台

桌面支撑与抬升平台是主体为一个横置C形平台,如图5所示,安装在一对滑轨上,滑轨在一段左右伸出两轴,一侧轴长,穿过固定架后安装大齿轮与桌面旋转装置小齿轮啮合,另一端轴则安装在固定架上。

图5 C形抬升平台

图6 伸缩滑轨

滑轨为两段设计,其中在外侧导轨上方布置有齿条,与C形平台有旋转装置的一侧臂平台上固定地装有小齿轮的步进电机啮合,驱动步进电机,即可推动C形平台在导轨支撑下前后移动。

倒C形的两臂上均有钻安装孔与通孔,每个臂上安装了一对光杆与丝杆,丝杆部分用联轴器与一个步进电机相连接,且电机被固定在C形平台上。

丝杆光杆与桌面支撑平台上的螺母与直线轴承相配合,同时驱动两个电机,即可控制桌面的上下移动。

C形平台下部安装有一个抽屉,可以用于储物。

2.5 桌面支撑平台与桌面

桌面支撑平台成横置的王字形如图7所示,整体由方管焊接完成,中部十字状区域上有通孔,利用自攻丝固定桌面,左右开出通孔与安装孔,安装滚珠丝杠螺母与直线轴承。

图7 王字形支架

上部固定的桌面由塑料或是胶合板制成,使用自攻丝安装于王字形支架上。

2.6 升降机构

桌面的升降机构如图8所示。

图8 升降机构

其自上而下分为螺杆光杆上支撑架、螺杆光杆、滚珠螺母、直线轴承、螺杆光杆下支撑架和步进电机组成。工作时,由电机提供动力,控制或是限制丝杠旋转,进而带动滚珠螺母旋转,滚珠螺母将旋转转化为直线运动,驱动桌面上下运动。

2.7 控制系统与电源以及其外包壳

控制系统与电源利用外包壳固定在支撑架内侧,利用多输出交流转直流电源、32单片机、步进电机驱动板、蓝牙模块以及所需要的连接线,起到给电机供电、控制驱动电机,进而控制及机械机构的作用,同时还具有链接两支撑架、调节重心的作用,在其侧面有开孔,安装控制按钮,并伸出供电线。

2.8 机械机构保护壳

塑料和软质套管制成的保护壳,用于避免人体和衣物等物品进入机械机构受伤,保证机械机构清洁,减少磨损。

3 三维结构示意图

如下图9所示,图中为了显示方便,隐藏了电机架与外部包裹塑料。

图9 三维结构图

4 创新点、不足及应用

(1)创新点。①填补了市场上没有智能床上桌的空白。②桌子具有三自由度点动控制,方便了使用者调节。③可以使用蓝牙进行桌子的遥控,实现远程控制。④使用滚珠丝杆,有较大的承载能力。⑤机械机构简单便于生产制造。

(2)不足。①价格较为高昂,市场相对较小。②多自由度机构实现体积较大仍需优化。③机械机构较多,不易于维护。

(3)应用。本设备有着智能化的、操作简便、实用性强的特点,可以有效弥补老人智能化服务体系的不足,可以与其他智能设备配合用于改善卧床老人床上生活不便的问题,甚至进入医疗系统。在安装一些医疗监护设备后有效地改善住院病人的生活,改善大学生的宿舍的学习体验,可以提高长途火车旅途便利性。因此,本设备具有较大的发展前景。