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【摘 要】球类器材是体育馆常见的、借出与归还的频率较高运动器材。目前体育馆球类器材借还的流程复杂，费时费力，给借球者、管理者带来了不便。本文提出了一种新型体育馆球类自助借还装置，包括还球机构、储球机构、借球机构、动作机构、控制单元，实现了篮球、足球、排球的自助借还，简化了借还球流程，提高了借还球的效率，提升用户使用体验，降低了人力管理成本，具有广泛的推广应用前景。
【关键词】球类借还一体机；机电一体化；人机交互技术
目前大学校园里每天都有体育活动，在学校里没有球类运动器材的同学也可以向学校管理人员借用球类，然而通过专门的管理人员来管理这些球以防止丢失，这样的管理方式费时费力。本体育馆球类自助借还装置可以实现球类的自助借还，减少管理成本。当然也可以在社区、大型公司中使用，以此来增强员工的身体素质，排解工作压力。
1.系统结构组成
基于单片机控制的体育馆球类自助借还装置由箱体、控制系统、借球系统、还球系统、运球系统组成。控制系统由显示屏、单片机、计数传感器、位置检测传感器组成；借球系統由出球轨道、防弹细杆、出球挡板、控制出球挡板的步进电机、出球口、出球箱组成；还球系统由还球口、还球轨道、还球挡板、控制还球挡板的步进电机组成；运球系统由储球管、储球管弹簧结构、步进电机、丝杆、丝杆支撑座、限位挡板组成。
箱体由6块板组成，构成机器的外壳，如图2所示。控制系统的显示屏设置在箱体的右上部，供使用者操作和查看信息，且显示屏下方设置有IC卡阅读器；单片机设置在箱体的内部，控制整个机器；计数传感器设置在储球管入口，计算储球量；位置检测传感器设置在运球系统储球管的上下运动极限位置，可以判断储球管的位置，以执行不同动作。如图2和图1所示，借球系统的出球轨道由支撑杆支撑，且从右至左设有两级倾斜轨道，一级倾斜轨道倾斜程度小，既有导轨的作用，也有储球的作用，二级斜轨道倾斜程度大，只有导轨的作用，便于球类的快速滚出；防弹细杆、出球挡板和控制出球挡板的步进电机安装在出球轨道的一级、二级轨道结合处，可以控制球的滚出；出球口设置在出球轨道的左部最末端；出球箱设置在出球口的下面，安装在箱体外壳上。如图2和图1所示，还球系统的还球口设置在箱体的左上部，靠近显示屏；还球轨道由支撑杆支撑，且从左至右设有两级倾斜轨道，一级倾斜轨道最左端设置在还球口处，且倾斜程度大，起到导轨的作用，便于球类的快速滚入，二级斜轨道倾斜程度小，既有导轨的作用，也有储球的作用。如图4所示，运球系统的储球管设置在储球管弹簧结构上，储球管弹簧结构安装在丝杆上，丝杆安装在丝杆支撑座，步进电机安装在丝杆支撑座上，驱动丝杆，从而带动储球管上下移动；限位挡板设置在出球轨道的最高端，由步进电机驱动丝杆，从而带动挡球板上下。
2.工作过程
现结合系统结构详细阐述工作过程。借球过程：当使用者需要借用球类时，将IC卡放置在显示屏下方的IC卡阅读器上，IC卡感应器确认个人信息后，用户可点击显示屏上的借球按钮，控制系统发送指令给驱动出球挡板处的步进电机，该步进电机带动出球挡板下降，处于待借出位置的球沿储球轨道下落，经过出球口，进入出球箱，同时，后续的球会在重力的作用下向前滚动，驱动出球挡板处的步进电机再次运转，挡板随之上升挡住后续的球滚入出球箱。随后显示屏显示“借球成功”，使用者便可借走球，进行运动锻炼。借球信息记录至IC卡里。还球过程：当使用者完成运动，需要归还球类时，用户刷完IC卡，在显示屏上点击还球按钮，同时用户将球放入还球口。球类利用重力沿着还球轨道滑到底部，进入储球管道，在储球轨道入口安装的计数传感器进行计数，统计储球管现有储球量，储球好后，显示屏上显示“还球成功”。运球过程：当储球管储存一定数量的球类后，储球管入口的计数传感器将计数信号发送给控制系统，控制系统发出指令，控制驱动还球挡板的步进电机运转，带动还球口和储球管间的还球挡板运转，阻止后续归还的球类进入储球管道，控制系统继续发出指令，控制驱动储球管的步进电机带动丝杠旋转，从而带动储球管道上升，储球管道上升至出球轨道最高端时，位置检测传感器检测到信号，步进电机停止运转，储球管停止上升，并和还球轨道对接，在还球轨道设置有一段限位挡板，使储球管的进球端限制上升，弹簧受压缩，而另一封闭端会被翘起，球在重力作用下向储球管进球端滚动，滚出储球管，进入出球轨道一级倾斜轨道，由出球挡板挡住球类并储存，等待使用者借用。
3.结论
本产品在学校体育馆的试验效果理想，问卷调查显示，同学们认为体育馆球类自助借还装置为同学们参与体育活动提供了极大的便利，增加了同学们的运动积极性。本装置自主创新了利用重力设计的借球系统和还球系统，研发了巧妙的运球系统，提高了球类管理效率；并采用了相关领域的成熟技术和部件来优化了人机交互体验，便于青少年中老年人操作。
随着生活水平日益增长，国民健康意识提高，体育用品的市场前景变得更加广阔，体育馆球类自助借还装置将会带来良好的社会效益。
作者简介：
陈林：（1996.03-），男，湖南常德人，上海电机学院机械电子工程专业14级本科生。
谈佳欣：（1996.08-）， 男，上海人，上海电机学院机械电子工程专业15级本科生。
成宇：（1997.03-），男，贵州都匀人，上海电机学院机械电子工程专业15级本科生。
张启航：（1996.06-），男，云南曲靖人，上海电机学院机械电子工程专业15级本科生。
钟力：（1963.03-），女，辽宁开原人，上海电机学院机械机械学院教师。
【关键词】球类借还一体机；机电一体化；人机交互技术
目前大学校园里每天都有体育活动，在学校里没有球类运动器材的同学也可以向学校管理人员借用球类，然而通过专门的管理人员来管理这些球以防止丢失，这样的管理方式费时费力。本体育馆球类自助借还装置可以实现球类的自助借还，减少管理成本。当然也可以在社区、大型公司中使用，以此来增强员工的身体素质，排解工作压力。
1.系统结构组成
基于单片机控制的体育馆球类自助借还装置由箱体、控制系统、借球系统、还球系统、运球系统组成。控制系统由显示屏、单片机、计数传感器、位置检测传感器组成；借球系統由出球轨道、防弹细杆、出球挡板、控制出球挡板的步进电机、出球口、出球箱组成；还球系统由还球口、还球轨道、还球挡板、控制还球挡板的步进电机组成；运球系统由储球管、储球管弹簧结构、步进电机、丝杆、丝杆支撑座、限位挡板组成。
箱体由6块板组成，构成机器的外壳，如图2所示。控制系统的显示屏设置在箱体的右上部，供使用者操作和查看信息，且显示屏下方设置有IC卡阅读器；单片机设置在箱体的内部，控制整个机器；计数传感器设置在储球管入口，计算储球量；位置检测传感器设置在运球系统储球管的上下运动极限位置，可以判断储球管的位置，以执行不同动作。如图2和图1所示，借球系统的出球轨道由支撑杆支撑，且从右至左设有两级倾斜轨道，一级倾斜轨道倾斜程度小，既有导轨的作用，也有储球的作用，二级斜轨道倾斜程度大，只有导轨的作用，便于球类的快速滚出；防弹细杆、出球挡板和控制出球挡板的步进电机安装在出球轨道的一级、二级轨道结合处，可以控制球的滚出；出球口设置在出球轨道的左部最末端；出球箱设置在出球口的下面，安装在箱体外壳上。如图2和图1所示，还球系统的还球口设置在箱体的左上部，靠近显示屏；还球轨道由支撑杆支撑，且从左至右设有两级倾斜轨道，一级倾斜轨道最左端设置在还球口处，且倾斜程度大，起到导轨的作用，便于球类的快速滚入，二级斜轨道倾斜程度小，既有导轨的作用，也有储球的作用。如图4所示，运球系统的储球管设置在储球管弹簧结构上，储球管弹簧结构安装在丝杆上，丝杆安装在丝杆支撑座，步进电机安装在丝杆支撑座上，驱动丝杆，从而带动储球管上下移动；限位挡板设置在出球轨道的最高端，由步进电机驱动丝杆，从而带动挡球板上下。
2.工作过程
现结合系统结构详细阐述工作过程。借球过程：当使用者需要借用球类时，将IC卡放置在显示屏下方的IC卡阅读器上，IC卡感应器确认个人信息后，用户可点击显示屏上的借球按钮，控制系统发送指令给驱动出球挡板处的步进电机，该步进电机带动出球挡板下降，处于待借出位置的球沿储球轨道下落，经过出球口，进入出球箱，同时，后续的球会在重力的作用下向前滚动，驱动出球挡板处的步进电机再次运转，挡板随之上升挡住后续的球滚入出球箱。随后显示屏显示“借球成功”，使用者便可借走球，进行运动锻炼。借球信息记录至IC卡里。还球过程：当使用者完成运动，需要归还球类时，用户刷完IC卡，在显示屏上点击还球按钮，同时用户将球放入还球口。球类利用重力沿着还球轨道滑到底部，进入储球管道，在储球轨道入口安装的计数传感器进行计数，统计储球管现有储球量，储球好后，显示屏上显示“还球成功”。运球过程：当储球管储存一定数量的球类后，储球管入口的计数传感器将计数信号发送给控制系统，控制系统发出指令，控制驱动还球挡板的步进电机运转，带动还球口和储球管间的还球挡板运转，阻止后续归还的球类进入储球管道，控制系统继续发出指令，控制驱动储球管的步进电机带动丝杠旋转，从而带动储球管道上升，储球管道上升至出球轨道最高端时，位置检测传感器检测到信号，步进电机停止运转，储球管停止上升，并和还球轨道对接，在还球轨道设置有一段限位挡板，使储球管的进球端限制上升，弹簧受压缩，而另一封闭端会被翘起，球在重力作用下向储球管进球端滚动，滚出储球管，进入出球轨道一级倾斜轨道，由出球挡板挡住球类并储存，等待使用者借用。
3.结论
本产品在学校体育馆的试验效果理想，问卷调查显示，同学们认为体育馆球类自助借还装置为同学们参与体育活动提供了极大的便利，增加了同学们的运动积极性。本装置自主创新了利用重力设计的借球系统和还球系统，研发了巧妙的运球系统，提高了球类管理效率；并采用了相关领域的成熟技术和部件来优化了人机交互体验，便于青少年中老年人操作。
随着生活水平日益增长，国民健康意识提高，体育用品的市场前景变得更加广阔，体育馆球类自助借还装置将会带来良好的社会效益。
作者简介：
陈林：（1996.03-），男，湖南常德人，上海电机学院机械电子工程专业14级本科生。
谈佳欣：（1996.08-）， 男，上海人，上海电机学院机械电子工程专业15级本科生。
成宇：（1997.03-），男，贵州都匀人，上海电机学院机械电子工程专业15级本科生。
张启航：（1996.06-），男，云南曲靖人，上海电机学院机械电子工程专业15级本科生。
钟力：（1963.03-），女，辽宁开原人，上海电机学院机械机械学院教师。