基于編程實現(xiàn)的手持高空扎線裝置

◆江蘇省興化中學 周明威 朱友明 蔣民浩

一些小區(qū)因建造年代久遠，有線電視線、通信運營商的網(wǎng)線等線纜密密麻麻，形成一張張“蜘蛛網(wǎng)”，不僅影響美觀，還存在一定的安全隱患。如果通過人力去整理、扎線，需要在空中懸空架梯，十分危險。此外，每扎一米，工人還要下梯重新擺放梯子，所需的勞動強度較大。如何整理凌亂的電線、電纜？ 高一時，我們加入了學校的科技社團，在社團中我們熟悉了編程的相關知識。能否利用所學知識發(fā)明一種長桿，通過遙控整理凌亂的電纜呢？我們開始研究一種基于編程技術的自動化的空中扎線裝置。

圖1 最初構想的作品示意圖

一、設計思路

先設計出外觀草圖，再采用三維建模技術，打印出本項目所需的外殼。空中自動扎線計劃通過Arduino開源編程來實現(xiàn)，通過霍爾傳感器來感知，并計算出加載的扎線鐵絲的長度，再通過改變扭絲電機的作用時間，調(diào)節(jié)扎線的松緊度。

二、調(diào)查研究

（一）開展問卷調(diào)查

1.問卷調(diào)查的地點

江蘇省興化中學理科班、興化市錦繡園舊小區(qū)、興化市九頃南村舊小區(qū)。

2.發(fā)放問卷

我們利用兩個周末的時間，在興化市錦繡園舊小區(qū)、興化市九頃南村舊小區(qū)、江蘇省興化中學的部分理科班，共計發(fā)放調(diào)查問卷650份，收回有效問卷647份。

統(tǒng)計結果表明，約92.3%的調(diào)查對象認為，如果能研制出一款基于編程實現(xiàn)的手持高空扎線裝置，對改造舊小區(qū)的環(huán)境具有重要意義。

（二）檢索空中理線的注意事項

我們檢索了與整理空中電纜相關的注意事項，避免人為損壞公共設施。綜合考慮結構、加工工藝等方面的因素，我們決定采用純機械凸輪機構實現(xiàn)排線功能。

三、設計過程

（一）設計外觀

作品采用“V”形手勢的造型，寓意其能快速在空中理線。

（二）外殼的三維建模設計

采用3D打印技術分段打印外殼，再將其組合成一個整體。

圖2 作品外觀設計圖

圖3 各個組成部分的三維模型圖

（三）用開源編程實現(xiàn)扎線

本作品的扎線過程采用開源編程方式控制。

四、制作第一代產(chǎn)品

（一）用霍爾傳感器計算送出的鐵絲長度

圖4 用霍爾傳感器計算鐵絲長度

當強磁性磁鋼旋轉(zhuǎn)至霍爾傳感器的芯片處時，霍爾傳感器將輸出一個“1”的信號（即一個5 V的電平），每轉(zhuǎn)一圈又輸出一個“1”的信號。統(tǒng)計出現(xiàn)信號“1”的次數(shù)，便能計算出齒輪送出的鐵絲的長度。調(diào)整要轉(zhuǎn)的圈數(shù)這一參數(shù)，便能控制鐵絲吐出的長度。

霍爾傳感器可感知齒輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，編程中調(diào)整旋轉(zhuǎn)圈數(shù)參數(shù)，便能控制每次扎線鐵絲吐出的長度。

（二）性能測試

采用可插拔直充式電池，更換方便，充電便捷，且能顯示電量。無線遙控開關可隔墻使用。將扭絲爪設計成錐體結構，可方便拔絲。

圖5 第一代基于編程實現(xiàn)的手持高空扎線裝置

試用時發(fā)現(xiàn)，裝置的扎線性能不穩(wěn)定。調(diào)整鐵絲直徑的調(diào)節(jié)螺絲后，扎線成功率仍沒有得到顯著提高。

五、制作第二代產(chǎn)品

（一）制作過程

改用焊接微小的霍爾傳感器，不斷重新建模，改良作品的殼體結構，優(yōu)化扎線盒以提高扎線成功率。在反復進行扎線技術測試、調(diào)試中改良傳送扎線的機械力度，實施相應改進后重新設計下送料架，尋找編程中的扎線松緊度的最佳數(shù)據(jù)，終于讓扎線成功率得以穩(wěn)定。

改進后的手持高空扎線裝置的電池盒采用亞克力板材，背面預留小孔，方便手指從背面推出鋰電池。

（二）性能測試

單根線纜以及扎線的技術性能測試結果表明，扎線成功率達93%以上，滿足了設計要求。

圖6 第二代基于編程實現(xiàn)的手持高空扎線裝置

六、創(chuàng)新點

（一）通過扎線整理空中凌亂的電線，無需人工架梯、登高，減少了安全隱患。

（二）電機正向順時針轉(zhuǎn)動時，利用霍爾傳感器感知扎線鐵絲的長度，并利用凸輪機構自動切斷扎線鐵絲。采用無線遙控方式，操作簡便，性能可靠。

（三）電機反向逆時針轉(zhuǎn)動時，利用U形扎絲頭對鐵絲進行上緊扭扎，并能通過編程來調(diào)節(jié)扎線的松緊度。設計了具有錐體結構的扭絲爪，方便拔絲。

（指導老師：朱石明）

專家點評

周明威、朱友明、蔣民浩同學的基于編程實現(xiàn)的手持高空扎線裝置，是一項富有內(nèi)涵的發(fā)明作品。這項作品體現(xiàn)了三位發(fā)明人：第一，具有良好的創(chuàng)新意識，在生活中善于觀察、思考，發(fā)現(xiàn)別人發(fā)現(xiàn)不了的問題，提出有價值的實施課題。年代久遠的小區(qū)內(nèi)有線電視線、通信運營商的網(wǎng)線等各種線纜形成一張張“蜘蛛網(wǎng)”的情況不是一天兩天的事情，三位同學能首先提出解決方法并加以實施，值得點贊。第二，具有跨學科知識綜合運用解決問題的能力。三位同學將在學?？萍蓟顒又袑W到的編程知識與平時的課程知識等結合，解決問題。第三，具有良好的技術運用與動手實踐能力。用什么方式解決這個問題？他們沒有采用大型的機械設備，而是采用手持高空扎線桿的方式，既輕便又實用。

如果我們?nèi)プ鲆粋€大型設備，也有可能解決問題，但也可能由于其成本高而無法將其推廣應用。