王善臣 任博容 梁赐
江苏大学机械学院 江苏镇江 212013
摘要：对国内外现有的翻书结构设计方案进行考究，确定试验平台。在微机上进行了智能机器人的仿真，通过建立数学仿真模型、二次建模以及程序设计具体展开仿真，之后对仿真系统进行测试、修改及拓展。
关键词：Arduino仿真、智能机器人、控制系统
一．仿真软件设计分析
当下人们十分关注弱势群体的生活水平，独立阅读有障碍的人群在我国占有相当大的比例，如何让一些生活中常见的重复的动作自动化智能化是整个社会都需要考虑的重要问题。针对老年人和残疾人平时阅读的不便利，智能阅读辅助机器人能够帮助他们提高阅读效率，能一定程度上改变他们的休闲方式，提高生活追求，对于他们的生活质量提升精神世界的丰富和对社会文化程度的提高有积极的作用。另外，随着年老，人眼睛的晶状体和睫状肌会出现衰弱缺乏伸缩性等情况，致使老年人视力的下降。本项目提出设计一智能阅读辅助机器人，集成阅读翻书辅助功能，光度辅助及语音识别功能于一体的智能辅助阅读机器人。
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的Page turner, 燕山大学武岳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。本项目主要采用了Arduino对整个系统进行控制，具有便捷灵活方便操作，功能齐全等特点，能够有效的辅助独立阅读有障碍的人完成独立阅读，能一定程度地改变他们的娱乐方式，为他们丰富自我精神世界提供了便利。服务性机器人的主要目的都是为了提高人们的生活水平，给人们的生活带来便利，因此，在国内有较好的发展前景和市场。
二．项目研究方案
（一）程序设计思路
程序需要实现的功能主要有声控翻书和亮度调节，这两个功能都可通过Arduino来实现，具体的程序设计思路如图1和图2所示。硬件方面主要有一个可调节宽度的长方形框架，一个固定在上面的滚轮和一根摆杆一根滑杆一个亮度可调控的LED灯构成。
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图1智能阅读辅助机器人自动翻书功能设计流程
自动翻书功能以人翻书时的动作作为参考，人翻书最自然的动作为右手食指和中指两个手指按放在书页上，中指向拇指并拢，依靠摩擦力给纸一个向上的力，使其能够绕书轴旋转，从而完成翻书动作。可以看出，翻书的动作主要分为两个状态，一为将一页纸与其他书页分离，二为将被分离的书页翻到另一侧。我的设计思路是以这个动作为参考，用电机驱动一个表面摩擦力较大的轮子，当轮子转动便能使一页纸与书分离，当纸与书之间产生空隙时，用一根可以转动的杆将它翻到另一侧，考虑到书页翻转后所呈角度会不适合阅读，再加上一根滑杆，进行目标书页角度的固定，达到自动翻书的目的。
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图2亮度控制系统的程序流程图
亮度调整主要适用于亮度较低的环境中，亮度传感器检测从书页上反射的光，反应人眼所接受到的亮度，然后调整装置上的照明灯，从而达到光线补充的目的。
（二）技术路线
通过语音识别控制翻书机构的工作，由与书页之间摩擦力较大的滚轮完成书页和书本的分离，然后用一根摆杆进行翻页，最后通过一根滑杆完成书页的固定，最终达到自动翻页的目的，同时在整个过程中检测由书本反射的光，在室内灯光较暗时进行光线补充。
在建立并分析书页模型后对翻页所需力进行计算，根据计算结果调整机械结构设计，进而确定机械模型。模型确定后可通过后续组装调试对结果进行优化。
（三）实验方案
（1）搜集资料：进行关于书本尺寸和相应数量的统计，并制作成图表，确定翻书机构的适用区间。
（2）测试数据：对不同尺寸的书进行翻书测试，检验其翻书功能的完成度。
（3）亮度参数调整：在不同亮度条件下测试亮度调节功能的完成度，并对程序进行优化和调整。
（四）Arduino软件实际利用
Arduino是2005年1月由米兰交互设计学院的两位教师DavidCuartielles和MassimoBanzi联合创建，是一块基于开放原始代码的Simple I/O平台，该平台由两部分组成：硬件（包括微处理器、电路板等）和软件（编程接口和语言）。平台的两部分都是开源的，如果需要，可以下载Arduino的图表、购买需要的所有独立部件、切割电路板并制作一个电路板。Arduino 具有类似java、C语言的开发环境。可以快速使用Arduino语言与Flash或 Processing等软件完成互动作品。
Arduino能够使用开发完成的电子元件，如Switch、Sensors或其它控制 器、LED、步进电机或其它输入/输出装 置，同时，Arduino也可以成为独立与软件沟通的平台，如flash、Processing、Max/MSP或其它互动软件。
Arduino 语言是建立在C/C++基础上的，其实也就是基础的C语言，Arduino语言将AVR单片机（微控制器）相关的一些参数设置模块化，包括EEPROM、以太网、LED矩阵、舵机、步进和TWI/I2C控制程序库，不需要用 户直接处理底层系统，可以提高应用程序的开发效率。
三、实际应用价值分析
智能机器人主要为老年人或者阅读有硬性障碍的群体比如手部有残疾的人，有较强的导向性。目前我国存在一定程度的人口老龄化现象，退休后的生活质量是每个人都会关注的话题，本项目在一定程度上能为老年人创造轻松舒适的阅读环境。对于残障人士的护理，本项目也能解放一定的人力，节省人力。另外，该发明有固定的受众，机构小巧便于安装，工作效果简单显著便于理解，在介绍和试用过程中不会有太大困难。考虑到残障人士普遍经济水平不高，老年人有传统的省钱观念，本项目将使用较为简单机构和操作模式，有利于降低成本让受众更容易接受。除既定受众外，简单的操作方式也可以吸引在读学生、音乐家（翻曲谱）等隐藏客户。因此，本项目有较好的推广前景。
参考文献：
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