一種大型自動交互式軌道彈球系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

源起和體會

有一次跟爸爸去萬象匯，看到一樓大廳設(shè)置了一個大型的軌道迷宮設(shè)施，鼓風(fēng)機把海洋球吹到高處，球憑借重力沿事先設(shè)計好的軌道移動，途中因觸發(fā)各種機關(guān)而引發(fā)了一系列連鎖反應(yīng)。當(dāng)時我覺得科技感十足，就好奇地想，要是能利用我在創(chuàng)客社團學(xué)到的物理知識，在家用紙板做一個類似的東西該多有趣。于是，在爸爸的幫助下，我開始了自己的創(chuàng)作過程。經(jīng)歷了將腦子里的想法一步步變?yōu)楝F(xiàn)實的整個過程，我感覺收獲滿滿，既培養(yǎng)了解決問題的創(chuàng)新思維能力，鍛煉了自己DIY的動手能力，又磨煉了耐心和毅力，還體驗到了創(chuàng)造的樂趣和成就感。我想這大概就是學(xué)校開設(shè)創(chuàng)客社團的目的和意義。

設(shè)計方案

1.總體框架

總的想法是，用家里的兒童足球作為彈球，搭建一個類似城市高架公路的軌道系統(tǒng)，所有軌道從高到低傾斜，并在軌道的適當(dāng)位置設(shè)置三個交互模型。彈球在沿軌道循環(huán)滾動的過程中，依次與三個模型產(chǎn)生一定的交互作用。這三個交互模型分別為升降機模型、發(fā)聲模型和發(fā)光模型。所有的結(jié)構(gòu)均使用紙板搭建，系統(tǒng)的總體布置見圖1。

2.升降機模型

升降機模型是保證彈球能在軌道中循環(huán)運行的核心部件，它負(fù)責(zé)在每次彈球到達時，自動將彈球從軌道最低點運送到最高點，能夠為彈球提供60cm的有效高度差。在綜合考慮可靠性、穩(wěn)定性、效率、復(fù)雜程度、大小等因素后，我們在“套筒+螺旋桿”“轉(zhuǎn)盤”和“皮帶輪”三種運送方式中選擇了最后一種，并對皮帶輪傳送裝置的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，結(jié)構(gòu)見圖2。

考慮球的重量、抬升高度和足夠的運轉(zhuǎn)損耗，經(jīng)簡單的受力分析和估算，動力裝置選擇了20W可調(diào)速的直流減速電機，鋰電池供電。在軌道的適當(dāng)位置設(shè)置一個微動自復(fù)位開關(guān)，球滾過時觸發(fā)一個延時繼電器模塊，控制電機按設(shè)定的時長啟動和停止。

3.聲、光模型

聲、光模型設(shè)置在軌道的適當(dāng)位置（圖1）。這兩個模型的功能是，與軌道融合，在彈球經(jīng)過時，按設(shè)定的時長發(fā)聲或發(fā)光，其結(jié)構(gòu)比較簡單（圖3）。

發(fā)聲器件和發(fā)光器件分別選擇了小型警報器和LED燈帶，使用12V鋰電池供電，警報器和燈帶均貼于模型箱體的側(cè)面，見圖4。聲、光模型的感應(yīng)觸發(fā)機制與升降機模型相同。

制作調(diào)試過程

在確定了設(shè)計方案，購買了原材料和元器件后，我就開啟了真正的探索之旅……

首先，按照連接關(guān)系連接好電源、微動觸發(fā)開關(guān)、延時模塊和用電設(shè)備，對這三個模型的電控部分進行測試，驗證了它們能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)想的功能，并調(diào)好需要的延時時長，見圖5。

接下來，就是結(jié)構(gòu)部分的制作和調(diào)試了，包括三個交互模型、軌道和支架。這是一項非?？简?zāi)托暮椭腔鄣墓ぷ?，稍不留神就可能前功盡棄。為了制作和測試方便，同時降低返工風(fēng)險，我們把軌道分成了7段并進行編號（圖1），采取“邊做邊測”的方式（圖6），經(jīng)反復(fù)測試，確定了合適的軌道傾角為4°左右。

經(jīng)過漫長、艱苦，但又充滿樂趣和期待的過程，最終如愿完成了（圖7）。

創(chuàng)新點和應(yīng)用拓展

1.創(chuàng)新點

（1）如何實現(xiàn)輪與皮帶之間的可靠傳動是一個技術(shù)難點。借鑒了齒輪之間的傳動方式，將瓦楞紙撕去一個光面，露出所有的楞條，在每條楞里塞入直徑4mm的木棒。經(jīng)過這樣處理，兩個瓦楞紙面在繃緊后就可以形成類似齒輪的嚙合面，順利解決了可靠傳動的問題。

（2）如何實現(xiàn)彈球和模型的自動可靠交互是一個關(guān)鍵點。最初考慮過紅外感應(yīng)和微波感應(yīng)的觸發(fā)方式，經(jīng)過認(rèn)真分析，最終決定采用機電觸發(fā)的方式，利用微動自復(fù)位開關(guān)實現(xiàn)了對彈球位置的可靠感應(yīng)和觸發(fā)，并通過延時繼電器實現(xiàn)了對負(fù)載工作時長的精確控制。結(jié)果證明，選擇這樣的技術(shù)路徑是成功的。

2.應(yīng)用拓展

我想，今后或許可以把這個軌道系統(tǒng)作為一個開放的實驗平臺，通過更換或者添加新的交互模型，去驗證和實現(xiàn)更多新奇有趣的想法，比如，驗證一個利用氣壓觸發(fā)的彈射裝置，或者一個風(fēng)車裝置等等。期待大家可以和我一起來探索。