多功能羽毛球拍共享機(jī)設(shè)計(jì)

侯 旭，王煦宇，張宇航，徐 成*

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

引言

在國(guó)家號(hào)召全民健身促進(jìn)體育強(qiáng)國(guó)的大環(huán)境下，生活水平與質(zhì)量有著很大提升，人們普遍存在著亞健康所帶來(lái)的身體問(wèn)題，為此國(guó)家商討并制定全民健身計(jì)劃政策，來(lái)推動(dòng)全民健身[1]。羽毛球運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較高，身體與身體間碰撞少，局與局間歇時(shí)間短[3]，能夠鍛煉身體各處的協(xié)調(diào)性，強(qiáng)化體能，得到了各年齡段人們的青睞。但是隨之而來(lái)的便是羽毛球裝備的價(jià)格過(guò)高，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)生活中很多羽毛球愛(ài)好者很難找到適合自己預(yù)算的羽毛球資源[3]，在共享經(jīng)濟(jì)的思潮下，將羽毛球裝備設(shè)計(jì)成共享資源，為眾多羽毛球愛(ài)好者們提供用低成本換取高質(zhì)量裝備的方式，從而獲得更好的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。羽毛球拍的共享部分的機(jī)械設(shè)計(jì)是該多功能羽毛球拍共享機(jī)的重要部分，影響著人們的共享體驗(yàn)及租借效率，因此，研究重點(diǎn)就是對(duì)羽毛球拍共享裝置內(nèi)羽毛球拍的填裝機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，保證其工作可靠，提高租借效率，降低羽毛球運(yùn)動(dòng)的成本，對(duì)羽毛球運(yùn)動(dòng)裝備共享機(jī)器的發(fā)展有著重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前環(huán)境下，想要進(jìn)行羽毛球運(yùn)動(dòng)需要大量的資源，對(duì)于愛(ài)好者們來(lái)說(shuō)進(jìn)行羽毛球運(yùn)動(dòng)必不可少的三個(gè)條件就是羽毛球場(chǎng)、羽毛球裝備以及好的對(duì)手。在現(xiàn)實(shí)中消費(fèi)者很難獲得全面的三要素。工欲善其事必先利其器，所以裝備問(wèn)題成為了重要的一點(diǎn)，目前市場(chǎng)上售賣的體育用品租借設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且技術(shù)含量不足，仍然存在較多設(shè)計(jì)上的缺陷。需要加大體育用品的回收力度[4]。

到目前為止并沒(méi)有與羽毛球拍共享相關(guān)的設(shè)計(jì)，大家都想用最低的成本，享受高質(zhì)量的羽毛球運(yùn)動(dòng)。但是羽毛球運(yùn)動(dòng)的投入還是比較大的。一個(gè)專業(yè)的球拍需要1 000 元左右，中端的球拍也要600 元左右，入門(mén)的球拍也需要200 左右，且手感體驗(yàn)與價(jià)格成正比。而羽毛球作為消耗品，通常一桶的規(guī)格為12 只，每只價(jià)格在7～8元[3]，且球桶體積較大，作為消耗品攜帶不方便，這樣看來(lái)參與羽毛球運(yùn)動(dòng)不僅價(jià)格不菲而且還存在著裝備攜帶不便的問(wèn)題。這也是阻礙更多人打羽毛球的因素之一。當(dāng)專業(yè)的羽毛球拍變成可以共享的資源，且羽毛球不需要自己攜帶時(shí)，參與羽毛球運(yùn)動(dòng)的成本會(huì)大大降低，消耗品的使用也會(huì)更加便利。人們只需要到達(dá)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地就可以隨時(shí)拿到共享的專業(yè)羽毛球拍和羽毛球進(jìn)行鍛煉，綜上所述，該設(shè)計(jì)可以有效的解決人們參與羽毛球運(yùn)動(dòng)中裝備成本高的問(wèn)題，減少裝備成本因素帶來(lái)的干擾。

2 總體方案

2.1 智能多功能一體化羽毛球拍共享機(jī)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)整體主要由羽毛球拍共享區(qū)的球拍儲(chǔ)存箱、球拍填裝系統(tǒng)、羽毛球自助售賣區(qū)的填裝推進(jìn)系統(tǒng)、飲品自助售賣區(qū)的填裝推進(jìn)系統(tǒng)、上方教學(xué)屏幕、設(shè)備充電存放區(qū)及下方儲(chǔ)物箱等結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖1。并用SolidWorks 進(jìn)行了概念模型的建立，見(jiàn)圖2。

2.2 羽毛球拍共享區(qū)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 羽毛球拍存儲(chǔ)箱共有5 個(gè)，每個(gè)儲(chǔ)存箱內(nèi)可以儲(chǔ)存5 把球拍，每把球拍均為拍面朝下，握把向上以方便人們拿取放回。為防止球拍在存儲(chǔ)過(guò)程中的磕碰，儲(chǔ)存箱的內(nèi)部設(shè)計(jì)了橡膠內(nèi)襯以保存羽毛球拍的完整性。為了適應(yīng)不同的人群，根據(jù)走訪調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行匯總，得出了大多數(shù)人使用的球拍磅數(shù)，并將球拍根據(jù)纏線的磅數(shù)分別分到了5 個(gè)區(qū)域從左到右依次為18-20、20-22、22-24、24-26、26-28，方便不同的人群進(jìn)行選擇，當(dāng)用戶選擇租借球拍時(shí)，儲(chǔ)存箱會(huì)根據(jù)用戶的選擇發(fā)出指定的信號(hào)，機(jī)器收到信號(hào)后會(huì)帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將相應(yīng)磅數(shù)的儲(chǔ)存箱旋開(kāi)，同時(shí)夾取器解鎖，當(dāng)用戶將球拍取出后，機(jī)器收到租借成功的指令后，電機(jī)會(huì)再次旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)儲(chǔ)存箱關(guān)閉。為滿足多數(shù)人同時(shí)鍛煉的需求，儲(chǔ)存箱后方設(shè)計(jì)了一個(gè)球拍填裝系統(tǒng)，當(dāng)共享儲(chǔ)存箱內(nèi)的球拍使用完后，機(jī)器能夠識(shí)別相應(yīng)的信號(hào)，這時(shí)位于后方的備用球拍裝填結(jié)構(gòu)會(huì)通過(guò)夾取器將后方備用拍儲(chǔ)存箱的球拍拿起，通過(guò)機(jī)械裝置帶動(dòng)到達(dá)羽毛球拍共享取得儲(chǔ)存箱，同時(shí)當(dāng)機(jī)械裝置到位后，共享區(qū)的儲(chǔ)存箱上的夾取器會(huì)形成閉鎖鎖住球拍，而負(fù)責(zé)裝填的機(jī)械裝置上的夾取器則會(huì)開(kāi)鎖，當(dāng)羽毛球拍裝填完畢后，機(jī)械裝置將會(huì)回位，并進(jìn)行下一組球拍的填裝，從而實(shí)現(xiàn)羽毛球拍的連續(xù)填裝來(lái)提高球拍租借的續(xù)航能力，見(jiàn)圖3。當(dāng)共享箱中的球拍已滿，已經(jīng)沒(méi)有放置球拍的位置并且有人歸還球拍時(shí)，機(jī)器則會(huì)打開(kāi)儲(chǔ)存箱直接將機(jī)械裝置推出，同時(shí)夾取器打開(kāi)，歸還只需要將球拍放進(jìn)夾取器，由機(jī)器實(shí)時(shí)掃描閉鎖，并將歸還的球拍重新填裝回備用箱中，若是歸還時(shí)共享儲(chǔ)存箱內(nèi)有空余的位置，則會(huì)打開(kāi)儲(chǔ)存箱內(nèi)的夾取器實(shí)現(xiàn)歸還。

2.3 羽毛球及飲品自助售賣區(qū)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 羽毛球自主售賣區(qū)對(duì)于毛球的填裝及售賣和飲品區(qū)的自助與售賣均采用類似于槍械填裝子彈的方式進(jìn)行裝貨與出貨，機(jī)器內(nèi)的羽毛球會(huì)被預(yù)先裝進(jìn)特制的圓筒內(nèi)，機(jī)器內(nèi)部會(huì)有若干這樣裝滿羽毛球的圓筒，可以將它們看作“彈夾”，把羽毛球看作“子彈”，見(jiàn)圖4，當(dāng)使用者選擇購(gòu)買(mǎi)羽毛球后，機(jī)械裝置會(huì)收到信號(hào)開(kāi)始工作負(fù)責(zé)推送羽毛球的裝置將會(huì)向后運(yùn)動(dòng)并做好準(zhǔn)備，隨后在下方的機(jī)械裝置會(huì)將這些“彈夾”推到高于出貨口的位置，待到達(dá)位置后位于左側(cè)的機(jī)械裝置會(huì)將圓桶推到出貨口上方，此時(shí)負(fù)責(zé)推送羽毛球的機(jī)械裝置會(huì)深入圓筒根據(jù)顧客需要的數(shù)量推動(dòng)相應(yīng)的距離將羽毛球從出貨口推出。當(dāng)一桶羽毛球被推出后，右面的擋板會(huì)打開(kāi)，當(dāng)下一桶被填裝的時(shí)候，被使用過(guò)后的“彈夾”會(huì)從右側(cè)推出，落到回收箱內(nèi)，循環(huán)此過(guò)程就可以實(shí)現(xiàn)羽毛球自主售賣及填裝的過(guò)程，見(jiàn)圖5。

飲品區(qū)自助售賣的原理也與上述原理類似，飲品被擺放在儲(chǔ)存箱內(nèi)，當(dāng)使用者購(gòu)買(mǎi)飲品后，負(fù)責(zé)推送飲品的機(jī)械裝置會(huì)向后運(yùn)動(dòng)并做好準(zhǔn)備，位于下方的推動(dòng)板會(huì)將飲品推動(dòng)到出貨口之上，之后左側(cè)的推動(dòng)板會(huì)根據(jù)需求量依次將飲品從出貨口送出。

2.4 設(shè)備充電區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2017 年公布并于2018年實(shí)施的GB/T35590-2017《信息技術(shù) 便攜式數(shù)字設(shè)備用移動(dòng)電源通用規(guī)范》[5]中規(guī)定，便攜式數(shù)字設(shè)備用的輸入電壓不大于250 V，輸出直流電壓不大于220 V，單端口輸出電流不大于5 A，采用有線輸出方式的移動(dòng)電源。為了適用大多數(shù)場(chǎng)景并且提供高效的充電服務(wù)，我們選擇了22V 為輸入電壓、60 V 輸出電壓、5 A 輸出電流的可移動(dòng)式電源作為充電區(qū)域的電力來(lái)源。提供安全的充電服務(wù)時(shí)又使充電的效率大大增加。同時(shí)別為T(mén)ype-C接口、安卓接口、蘋(píng)果接口，使用不同設(shè)備的用戶都可以根據(jù)自身需要在充電面板進(jìn)行設(shè)備充電。同時(shí)充電接口面板下方的平臺(tái)上我們還設(shè)置了若干手機(jī)支架，見(jiàn)圖6，尺寸適應(yīng)多種便攜設(shè)備。能夠使用戶的設(shè)備整齊安全的擺放，便于用戶進(jìn)行拿取放置以及便于尋找。

2.5 儲(chǔ)物柜的機(jī)械設(shè)計(jì) 位于機(jī)器下方有若干個(gè)儲(chǔ)物柜，為了滿足用戶存放個(gè)人物品的需求，儲(chǔ)物柜設(shè)計(jì)成了獨(dú)立的艙室。當(dāng)用戶租借儲(chǔ)物柜時(shí)，機(jī)器會(huì)收到信號(hào)并驅(qū)動(dòng)柜門(mén)處的電機(jī)將插銷鎖拔出后，再驅(qū)動(dòng)門(mén)軸處的電機(jī)打開(kāi)柜門(mén)，當(dāng)物品儲(chǔ)存完成后，由用戶選擇存儲(chǔ)完后，由電機(jī)反向完成上述兩步操作，完成柜門(mén)閉合及鎖定實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。取出物品的步驟與上述步驟同理。

3 共享機(jī)配套羽毛球拍設(shè)計(jì)及要求

3.1 共享機(jī)配套羽毛球拍材料選擇 碳纖維復(fù)合材料是一種復(fù)合材料，力學(xué)性能比其他材質(zhì)更好，它是一種增強(qiáng)纖維，更是一種特種纖維，它擁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]。同時(shí)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在市面上所銷售的質(zhì)量好且輕便的羽毛球拍都為碳纖維復(fù)合材料制成，各個(gè)廠商也將自己產(chǎn)品向著輕量化的方向發(fā)展，因此早期的金屬材質(zhì)球拍早已被大多數(shù)生產(chǎn)廠商所淘汰。為了帶給用戶良好的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)，本機(jī)內(nèi)的羽毛球拍均選用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行制作。

3.2 碳纖維復(fù)合材料的性能及選擇原因（1） 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能較好。適合制作輕質(zhì)量高強(qiáng)度的器材，其在降低自身重量的同時(shí)還能保證器材的強(qiáng)度。表1為碳纖維復(fù)合材料與其他傳統(tǒng)金屬材料力學(xué)參數(shù)的對(duì)比，由此可以看出，碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，質(zhì)量不但比金屬材料輕，而且強(qiáng)度還很接近金屬材料[7]。（2） 碳纖維復(fù)合材料擁有更好的減震性能。（3）碳纖維復(fù)合材料相對(duì)安全。從表1 可以看出，碳纖維復(fù)合材料擁有更好的強(qiáng)度和抗擊性。因此，碳纖維材料不會(huì)輕易斷裂，強(qiáng)度更高，能夠適應(yīng)體育運(yùn)動(dòng)中給器材帶來(lái)的沖擊[8]。（4） 碳纖維復(fù)合材料的形狀大小尺寸可隨意設(shè)計(jì)。處理后，碳纖維復(fù)合材料具有更長(zhǎng)的使用壽命，且更加的環(huán)保。因此，碳纖維復(fù)合材料是制作羽毛球拍的首選材料，能夠提升羽毛球拍強(qiáng)度、使用壽命等[6]。

表1 碳纖維復(fù)合材料與其他傳統(tǒng)金屬材料力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比

3.3 球拍的尺寸與框型設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)對(duì)各大體育用品店所售賣的羽毛球拍的走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段絕大多數(shù)羽毛球拍的總體長(zhǎng)度都在675 mm，即使有出入，也并不會(huì)相差太多，為了適配機(jī)器且做到整齊規(guī)范，本機(jī)內(nèi)羽毛球拍的長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)成675mm 標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，以適應(yīng)絕大多數(shù)人群的使用習(xí)慣。

且根據(jù)調(diào)查，羽毛球拍的框型也影響著球拍的效果，經(jīng)過(guò)對(duì)比不同框型的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，并進(jìn)行了上手體驗(yàn)，最終選擇了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)、可以提高擊球穩(wěn)定性和抗扭力、可以承受較高拉線磅數(shù)的盒式拍框（見(jiàn)圖7）作為本機(jī)內(nèi)羽毛球的框型設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)盡可能地保證了羽毛球拍在使用過(guò)程中的強(qiáng)度，降低了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶來(lái)的損傷。同時(shí)作為萬(wàn)金油框型，在各方面的能力較為均衡，符合大多數(shù)人的使用習(xí)慣，也做到了整齊劃一。

4 結(jié)論

綜合考慮確定羽毛球拍的材質(zhì)、框型、尺寸以及羽毛球拍的租借機(jī)械結(jié)構(gòu)和填裝機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了羽毛球拍共享與歸還的設(shè)計(jì)；又設(shè)計(jì)了羽毛球拍售賣填裝部分和飲品自助售賣部分的的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了羽毛球拍和飲品的自助售賣；充電區(qū)域的設(shè)備支架也為設(shè)備的擺放提供了便利條件；同時(shí)下方的儲(chǔ)存柜，也滿足了使用者對(duì)私人物品存放的需求。并利用SolidWorks 軟件進(jìn)行建模最終確定了智能多功能一體化羽毛球拍共享機(jī)的概念設(shè)計(jì)圖，滿足了小組設(shè)計(jì)之初想要達(dá)到的設(shè)計(jì)要求。