CN112261238A - 一种轻量型书本自动翻页扫描仪 - Google Patents

Abstract

一种轻量型书本自动翻页扫描仪，由摄像头、翻页机构、推页机构、滚珠丝杆机构、传感器、底座、支架以及触摸屏组成。摄像头由摄像头导杆以及导杆支架支撑；摄像头导杆由三孔导杆支架套与支架连接，支架接插在底座上；翻页机构由翻页步进电机和旋转翻页杆组成，翻页步进电机通过螺柱固定在仪器底座上，并以旋转翻页杆作为输出；推页机构由偏心轮、橡胶轮套和推页步进电机组成，连接在滚珠丝杆机构的丝杆螺母上可上下移动定位；滚珠丝杆机构由精密滚珠丝杆、滚珠丝杆步进电机和丝杆螺母构成；红外传感器用于计算翻页页数，压力传感器用于定位推页机构。本发明中，推页机构和翻页机构配合完成书本的自动翻页，摒弃传统气动翻页，结构简单，实现低成本轻量化。

Description

一种轻量型书本自动翻页扫描仪

技术领域

一种轻量型书本自动翻页扫描仪，是自动翻页扫描系统的翻书装置，属于小型家电领域。

背景技术

技术简介：

扫描仪是利用光电技术和数字处理技术，以扫描方式将图形或图像信息转换为数字信号的装置，扫描仪通常被用于计算机外部仪器设备，通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。扫描设备诞生于上世纪末期，由于具有价格低、性能强、用途广等优点，已经成为人们生活、工作、科研不可或缺的设备。然而，随着互联网的发展以及数字时代的来临，电子文档广泛应用于各类办公场合。在这种情况下，传统的扫描仪由于需要人工进行一页一页的翻页扫描，效率低下，不再适应对大量的纸质书本进行扫描，所以急需一款能够具有自动翻页功能的扫描仪来完成这项复杂的工作。市场上的这种机器太昂贵，不适用于小型书刊机构。另外，这些机器太重并且能耗不低。因此，有必要为用户设计一种轻便而经济的扫描仪。

国内外研究现状：

国外市场已经推出多款自动翻页扫描仪，尽管能保证翻页和扫描的精度，但由于体积较大且价格不菲，不适合我国中小型企业和图书馆使用。近几年，国内多家公司推出自动翻页扫描仪产品，一些科研人员开始热衷于自动翻页扫描仪的研究，主要针对翻页结构和控制系统。目前主流自动翻页结构主要有两种：利用机械臂实现自动翻页动作；机构根据负压吸附原理，采用真空吸盘吸纸。其中设计机械臂翻书结构复杂且较为笨重；真空吸附的方式翻书很慢，达不到大量扫描的效率要求。因此在保证翻书效率的同时，研究一种价格低廉、性能优越、结构简单轻便的能够对各类装订成册文本自动翻页扫描设备具有重要的研究意义。

发明内容

针对上述的不足，本发明提出了一种轻量型书本自动翻页扫描仪。

本发明提出的一种轻量型的书本自动翻页扫描仪的技术方案包括：

所述的轻量型自动翻页扫描仪包括摄像头、翻页机构、推页机构、滚珠丝杆机构、传感器、底座、支架以及触摸屏。摄像头由摄像头导杆以及导杆支架支撑；摄像头导杆由三孔导杆支架套与支架连接，支架接插在底座上；翻页机构由翻页步进电机和旋转翻页杆组成，翻页步进电机通过螺柱固定在仪器底座上，并以旋转翻页杆作为输出；推页机构由偏心轮、橡胶轮套和推页步进电机组成，橡胶轮套和书本接触靠旋转运动的摩擦力推起书页；滚珠丝杆机构由精密滚珠丝杆、滚珠丝杆步进电机和丝杆螺母构成，滚珠丝杆步进电机固定在在底座内侧底部，丝杆螺母作为机构的输出上下移动，此外，红外传感器用于计算翻页页数。

优选的，在上述轻量型自动翻页扫描仪技术方案中，推页步进电机固定在滚珠丝杆机构的丝杆螺母(电机升降平台)上，可上下移动使偏心轮压紧书页。

优选的，在上述轻量型自动翻页扫描仪技术方案中，偏心轮长径端表面与橡胶轮套间装有压力传感器用于检测偏心轮与书本之间的压力。

优选的，在上述轻量型自动翻页扫描仪技术方案中，翻页杆在翻页步进电机带动下做120°往复旋转运动，配合推页机构翻页。

优选的，在上述轻量型自动翻页扫描仪技术方案中，所述的书本固定板为两个分离的组件，用于固定摊开的书籍，并且可以沿底座轨道水平移动以适应书脊厚度。

优选的，在上述轻量型自动翻页扫描仪技术方案中，所述的摄像头安装在书本固定板的正上方，可沿摄像头导杆上横向移动以调整拍摄的范围，且摄像头导杆两侧安装LED灯可用于补光。

优选的，在上述轻量型自动翻页扫描仪技术方案中，具有一个LCD触摸屏可以显示扫描仪的进度，剩余时间，设置所要扫描的页数。

优选的，在上述轻量型自动翻页扫描仪技术方案中，所述的底座为空心底座，底座两侧突出台上各有6个接插孔用于定位导杆前后定位：导杆支架可以接插不同的接插孔实现摄像头的前后移动调整扫描位置。

本发明的工作原理如下：依据机器的基本运动过程进行Arduino编程，将程序烧录到Arduino单片机(控制芯片)开发板中，配合TB6600步进电机驱动器完成三个步进电机的驱动。调试程序达到三个步进电机分别所需的转动速度、转向、时间，以及翻页机构和推页机构的运动配合逻辑，即：调整滚珠丝杆步进电机转动使丝杆螺母移动以带动推页步进电机下降到应变片设定阈值，推页步进电机转动推起书页，翻页步进电机120°正转带动旋转翻页杆，实现书本翻页功能后复位。红外传感器检测到正常翻页信号后树莓派3b驱动摄像头拍照，上传到上位机，上位机通过专业扫描软件进行处理后编号存入云数据库。红外传感器计数达到用户设定后机器停止动作。

本发明的特点在于是一款功能齐全，能够自动、准确、快速地扫描用户设定的扫描页数的轻量型扫描仪，该发明不仅能够顺利翻起书页，并且能够适应不同书本大小，将人们从枯燥的手工翻页中解放出来，提高工作效率。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实力例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的立体示意图。

图2是本发明的立体图中A-A’的剖面图。

图3是摄像头导杆细节图。

图4是偏心轮与橡胶偏心轮套之间结构图。

6.图5是本发明工作流程框图。

图1-5中，各零部件的标号如下：

1—摄像头，2—摄像头导杆，3—精密滚珠丝杆，4—三孔导杆支架套1，5 —LCD触摸屏，6—导杆支架1，7—导杆支架2，8—支架定位板，9—书本固定板1，10—底座，11—书本固定板2，12—导杆支架3，13—导杆支架4，14—翻页步进电机，15—三孔导杆支架套2，16—旋转翻页杆，17—红外传感器，18 偏心轮，19—橡胶偏心轮套，20—偏心轮步进电机，21—丝杆螺母(电机升降平台)，22—滚珠丝杆步进电机，23—LED补光灯，24—压力传感器。

具体实施方式

本发明提供一种轻量型书本自动翻页扫描仪，用于自动翻书，无需人工操作。

下面将结合本发明实施例中地附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至图5所示，底座10为整个扫描仪的基底，为了满足轻量的要求，底座为空心，材料为PVC或者木质材料。

底座上有两道滑轨，书本固定板9/11底部滑块置于滑轨上，可在底座上左右滑动调整书本固定板位置以夹紧书脊。

在底座底部左右支架定位板8各有六个接插孔用于定位四根导杆支架，导杆支架接插在不同的插孔可以实现摄像头前后移动调整扫描位置。

四根支架通过两个三孔导杆支架套4/15与摄像头导杆2连接在一起，三孔导杆支架套为软性橡胶材质，可变形。摄像头1中间有孔，套在摄像头导杆上可以左右移动调整拍摄范围。

摄像头导杆上安装有LED灯，确保拍摄光线充足。

翻页机构用于将推页机构推起的书页翻起。如图1所示，翻页机构由翻页步进电机14与旋转翻页杆16组成。翻页步进电机通过螺栓固定在底座10上，旋转翻页杆通过H型插口与翻页步进电机进行连接。旋转翻页杆材质为PVC，长度固定，为书本固定板11宽度的2/3；为确保旋转翻页杆将推页机构推起的书页翻起，设定翻页步进电机的旋转角度范围为0°-120°，实现高效的翻页动作。

推页机构和滚珠丝杆机构可调整电机升降平台21的高度。如图1至图2所示，推页机构由偏心轮18、橡胶偏心轮套19、偏心轮步进电机20组成。滚珠丝杆机构由电机升降平台21、精密滚珠丝杆3、滚珠丝杆步进电机22组成。橡胶偏心轮套套接在偏心轮上，增大偏心轮与书页间的摩擦力，从而可以带起书页；偏心轮的直径为3cm，偏心距为5mm，通过H型插孔与偏心轮步进电机进行连接；偏心轮步进电机通过螺栓固定在电机升降平台上。

电机升降平台通过螺纹与精密滚珠丝杆进行连接；精密滚珠丝杆作为滚珠丝杆步进电机的输出，实现了推页机构高度的精密可调，从而确保偏心轮与书页间的摩擦力足够。为确保书页被带起，偏心轮步进电机每次翻页旋转2秒；为保证高度调整的精度，滚珠丝杆步进电机的最小旋转角度为1.8°，因而电机升降平台的最小升降高度为0.01毫米。

红外传感器可记录翻页的页数，压力传感器(应变片)可检测偏心轮18与书页之间的压力。如图1所示，红外传感器17通过螺栓固定在底座10上，实时的对翻页的页数进行记录。

如图3所示，压力传感器24通过粘贴的方式固定在橡胶偏心轮套19上，实时的对偏心轮与书页之间的压力进行检测。

LCD触摸屏5作为人机交互界面，嵌入在扫描仪底座右上角。用户可以通过此LCD显示屏设置所需扫描的页数、是否需要补光、自动拍摄、延时时间、图片质量几种参数功能。屏幕同时可以显示扫描的进度、剩余时间、上传至云端的进度。

本例这种扫描仪的工作流程如图3所示：

用户将需要扫描的书籍打开放在书本固定板上进行固定，通过LCD触摸屏对所需扫描的页数、是否需要补光、自动拍摄、延时时间、图片质量等一系列参数进行设置；设置完成后，滚珠丝杆机构运转，调整电机升降平台的高度，直到压力传感器反馈的偏心轮与书页之间的压力达到压力阈值的最大值；3s后，推页步进电机运转，将书页带起，2s后，由翻页步进电机驱动旋转翻页杆旋转120°完成翻页动作，1s后翻页步进电机驱动旋转翻页杆旋转至0°位置；红外传感器更新翻页的页数，树莓派3b驱动摄像头进行拍照，完成一次扫描过程。随着翻页页数的增加，当压力传感器反馈的偏心轮与书页之间的压力小于压力阈值的最小值时，滚珠丝杆机构运转，调整电机升降平台的高度，直到压力传感器反馈的偏心轮与书页之间的压力达到压力阈值的最大值，并继续进行上述的扫描过程。当红外传感器更新的翻页页数达到用户设置的翻页页数时，本次扫描工作完成。

其余未提及的零件及标号如图上所述。

本扫描仪控制系统中电动部分采用的主控为Arduino UNO R3，Arduino UNO R3单片机参数：微控制器(ATmega328)、工作电压(DC5V)、输入电压(DC7-12V)、数字I/O引脚14个、模拟输入引脚6个、16MHz陶瓷晶体振荡器1个，USB接口1个，，Flash Memory：(32kb)。Arduino单片机并不能直接驱动电机，需要一块电机驱动板来驱动。因此选用了TB6600带外壳步进电机驱动器。这款常用的直流电机驱动模块，细分加高至32细分，适用于42、57、86型2相4相。9-42V 直流供电，完全可以满足需求。

Arduino单片机的编程软件可通过官网直接下载IDE安装，根据操作系统安装USB驱动。Arduino相较于其他的编程软件更加简单，Arduino IDE是基于 processing IDE开发。编程基础很多I/O设备都随之带有库文件或者详细的样例程序，可以引用库文件中的函数，然后修改下其中的参数，便可以完成程序的编写，方便快捷。

翻页步进电机的型号为28BYJ-48，电机功率为0.021w，步距角5.625°，减速比1/64，四相电机角度0.703125°，执行次数512，延迟时间5ms，loop1执行 512次，loop2执行4次，转弯所需时间10.24秒，转速为5.86r/分钟，配制速度为8r/分钟，扭矩(M)34.3mN·m。

推页步进电机的型号为28BYJ-48，电机的功率为0.021w，步距角5.625°，减速比1/64，四相电机角度0.703125°，360°旋转。

滚珠丝杆步进电机的型号为42BYGH60，步距角1.8°，额定电压12V，额定转速3-12rpm，额定电流1.5A，保持力矩0.7N，外形尺寸64mm，额定功率0.75 (W)。滚珠丝杆长度为150mm，导程为8mm，螺距为2mm。

对于摄像头控制与图像处理及上传的控制部分，本发明采用了树莓派3b作为主控。树莓派3b是一款基于Linux系统的个人电脑，配备一枚700MHz的处理器，256Mb内存，支持SD卡和Ethernet，拥有两个USB接口，以及HDMI 和RCA输出支持。

摄像头连接到树莓派，树莓派上安装了相应的扫描软件可以进行自动扫描、自动保存、自动纠正、自动去黑边、去除背景等功能，扫描完成之后可以自动上传至云端，用户可以在LCD显示屏设置自动拍摄、延时时间、图片质量等参数。在上位机软件，人们可以亲眼观察翻页和图片。

摄像头是此自动翻页扫描仪的另一个重要的组成部分，是整个扫描仪的最终目的。摄像头的参数为：500万像素，CSI接口，OV4647感应器，2592*1944 拍摄分辨率，24Mhz频率下传输速率30Fps，1.7-3.0V工作电压。所选摄像头像素高，拍摄文件清晰可见。

一种轻量型的自动翻页扫描仪数据传输部分为：在红外传感器检测到翻页完成后，Arduino将向树莓派3b发送一个字符串。为了查看数据是否直观地传输，如果树莓派3b已收到字符串，则LCD屏将闪烁。相机拍照后，该字符串还将由树莓派3b发送到Arduino。然后，LCD屏将在此时闪烁。

本发明节省了人力，将人们从枯燥的翻书扫描这种重复性工作中解放出来。经申请人单位制作的样机使用，本发明翻书扫描效率高达人工翻页效率的20倍，而且翻页无误差，测试中每次均可精准翻过一页。并且在测试过程中，样机适用于各种大小、材质的装订成册的书籍。且样式新颖、轻便、成本低，可以推向市场。

Claims (8)

1.一种轻量型书本自动翻页扫描仪，它有摄像头、翻页机构、推页机构、滚珠丝杆机构、传感器、底座、支架以及触摸屏。摄像头由摄像头导杆以及导杆支架支撑；摄像头导杆由三孔导杆支架套与支架连接，支架接插在底座上；翻页机构由翻页步进电机和旋转翻页杆组成，翻页步进电机通过螺柱固定在仪器底座上，并以旋转翻页杆作为输出；推页机构由偏心轮、橡胶轮套和推页步进电机组成，橡胶轮套和书本接触靠旋转运动的摩擦力推起书页；滚珠丝杆机构由精密滚珠丝杆、滚珠丝杆步进电机和丝杆螺母构成，滚珠丝杆步进电机固定在在底座内侧底部，丝杆螺母作为机构的输出上下移动，此外，红外传感器用于计算翻页页数。

2.根据权利要求1所述的书本自动翻页扫描仪，其特征在于，推页步进电机固定在滚珠丝杆机构的丝杆螺母(电机升降平台)上，可上下移动使偏心轮压紧书页。当未达到压力传感器阈值时，滚珠丝杆步进电机旋转一定角度，直至达到压力阈值，压紧书本。

3.根据权利要求1所述的书本自动翻页扫描仪，其特征在于，所述的偏心轮长径端表面与橡胶轮套间装有压力传感器用于检测偏心轮与书本之间的压力是否达到阈值。

4.根据权利要求1所述的书本自动翻页扫描仪，其特征在于，翻页杆在翻页步进电机带动下做120°往复旋转运动，配合推页机构翻页。

5.根据权利要求1所述的书本自动翻页扫描仪，其特征在于，所述的书本固定板为两个分离的组件，用于固定摊开的书籍，并且可以沿底座轨道水平移动以适应书脊厚度。

6.根据权利要求1所述的书本自动翻页扫描仪，其特征在于，所述的摄像头安装在书本固定板的正上方，可沿摄像头导杆上横向移动以调整拍摄的范围，且摄像头两侧安装LED灯用于补光。

7.根据权利要求1所述的书本自动翻页扫描仪，其特征在于，具有一个LCD触摸屏可以显示扫描仪的进度，剩余时间，设置所要扫描的页数等。

8.根据权利要求1所述的书本自动翻页扫描仪，其特征在于，所述的底座为空心底座，底座两侧突出台上各有6个接插孔用于定位导杆前后定位：导杆支架可以接插不同的接插孔实现摄像头的前后移动调整扫描位置。

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