基于編程實(shí)現(xiàn)的手持高空扎線裝置

周明威 朱友明 蔣民浩

一些小區(qū)因建造年代久遠(yuǎn)，有線電視線、通信運(yùn)營(yíng)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(guò)人力去整理、扎線，需要在空中懸空架梯，十分危險(xiǎn)。此外，每扎一米，工人還要下梯重新擺放梯子，所需的勞動(dòng)強(qiáng)度較大。如何整理凌亂的電線、電纜？

高一時(shí)，我們加入了學(xué)校的科技社團(tuán)，在社團(tuán)中我們熟悉了編程的相關(guān)知識(shí)。能否利用所學(xué)知識(shí)發(fā)明一種長(zhǎng)桿，通過(guò)遙控整理凌亂的電纜呢？我們開(kāi)始研究一種基于編程技術(shù)的自動(dòng)化的空中扎線裝置。

一、設(shè)計(jì)思路

先設(shè)計(jì)出外觀草圖，再采用三維建模技術(shù)，打印出本項(xiàng)目所需的外殼?？罩凶詣?dòng)扎線計(jì)劃通過(guò)Arduino開(kāi)源編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)霍爾傳感器來(lái)感知，并計(jì)算出加載的扎線鐵絲的長(zhǎng)度，再通過(guò)改變扭絲電機(jī)的作用時(shí)間，調(diào)節(jié)扎線的松緊度。

二、調(diào)查研究

（一）開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查

1.問(wèn)卷調(diào)查的地點(diǎn)

江蘇省興化中學(xué)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(wèn)卷

我們利用兩個(gè)周末的時(shí)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(xué)的部分理科班，共計(jì)發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷650份，收回有效問(wèn)卷647份。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，約92.3%的調(diào)查對(duì)象認(rèn)為，如果能研制出一款基于編程實(shí)現(xiàn)的手持高空扎線裝置，對(duì)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(xiàng)

我們檢索了與整理空中電纜相關(guān)的注意事項(xiàng)，避免人為損壞公共設(shè)施。綜合考慮結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面的因素，我們決定采用純機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)排線功能。

三、設(shè)計(jì)過(guò)程

（一）設(shè)計(jì)外觀

作品采用“V”形手勢(shì)的造型，寓意其能快速在空中理線。

（二）外殼的三維建模設(shè)計(jì)

采用3D打印技術(shù)分段打印外殼，再將其組合成一個(gè)整體。

（三）用開(kāi)源編程實(shí)現(xiàn)扎線

本作品的扎線過(guò)程采用開(kāi)源編程方式控制。

四、制作第一代產(chǎn)品

（一）用霍爾傳感器計(jì)算送出的鐵絲長(zhǎng)度

當(dāng)強(qiáng)磁性磁鋼旋轉(zhuǎn)至霍爾傳感器的芯片處時(shí)，霍爾傳感器將輸出一個(gè)“1”的信號(hào)（即一個(gè)5 V的電平），每轉(zhuǎn)一圈又輸出一個(gè)“1”的信號(hào)。統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)信號(hào)“1”的次數(shù)，便能計(jì)算出齒輪送出的鐵絲的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度。

（二）性能測(cè)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(wú)線遙控開(kāi)關(guān)可隔墻使用。將扭絲爪設(shè)計(jì)成錐體結(jié)構(gòu)，可方便拔絲。

試用時(shí)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(méi)有得到顯著提高。

五、制作第二代產(chǎn)品

（一）制作過(guò)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(jié)構(gòu)，優(yōu)化扎線盒以提高扎線成功率。在反復(fù)進(jìn)行扎線技術(shù)測(cè)試、調(diào)試中改良傳送扎線的機(jī)械力度，實(shí)施相應(yīng)改進(jìn)后重新設(shè)計(jì)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(jìn)后的手持高空扎線裝置的電池盒采用亞克力板材，背面預(yù)留小孔，方便手指從背面推出鋰電池。

（二）性能測(cè)試

單根線纜以及扎線的技術(shù)性能測(cè)試結(jié)果表明，扎線成功率達(dá)93%以上，滿足了設(shè)計(jì)要求。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）通過(guò)扎線整理空中凌亂的電線，無(wú)需人工架梯、登高，減少了安全隱患。

（二）電機(jī)正向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用霍爾傳感器感知扎線鐵絲的長(zhǎng)度，并利用凸輪機(jī)構(gòu)自動(dòng)切斷扎線鐵絲。采用無(wú)線遙控方式，操作簡(jiǎn)便，性能可靠。

（三）電機(jī)反向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用U形扎絲頭對(duì)鐵絲進(jìn)行上緊扭扎，并能通過(guò)編程來(lái)調(diào)節(jié)扎線的松緊度。設(shè)計(jì)了具有錐體結(jié)構(gòu)的扭絲爪，方便拔絲。（指導(dǎo)老師：朱石明）

專家點(diǎn)評(píng)

周明威、朱友明、蔣民浩同學(xué)的基于編程實(shí)現(xiàn)的手持高空扎線裝置，是一項(xiàng)富有內(nèi)涵的發(fā)明作品。這項(xiàng)作品體現(xiàn)了三位發(fā)明人：第一，具有良好的創(chuàng)新意識(shí)，在生活中善于觀察、思考，發(fā)現(xiàn)別人發(fā)現(xiàn)不了的問(wèn)題，提出有價(jià)值的實(shí)施課題。年代久遠(yuǎn)的小區(qū)內(nèi)有線電視線、通信運(yùn)營(yíng)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(xué)能首先提出解決方法并加以實(shí)施，值得點(diǎn)贊。第二，具有跨學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用解決問(wèn)題的能力。三位同學(xué)將在學(xué)?？萍蓟顒?dòng)中學(xué)到的編程知識(shí)與平時(shí)的課程知識(shí)等結(jié)合，解決問(wèn)題。第三，具有良好的技術(shù)運(yùn)用與動(dòng)手實(shí)踐能力。用什么方式解決這個(gè)問(wèn)題？他們沒(méi)有采用大型的機(jī)械設(shè)備，而是采用手持高空扎線桿的方式，既輕便又實(shí)用。

如果我們?nèi)プ鲆粋€(gè)大型設(shè)備，也有可能解決問(wèn)題，但也可能由于其成本高而無(wú)法將其推廣應(yīng)用。

（欄目編輯? 秦銀銀）