基于单片机的室内攀岩机设计

德州学院机电工程系 张 钊 王万新

基于单片机的室内攀岩机设计

德州学院机电工程系 张 钊 王万新

通过对室内攀岩机的机械结构、控制模块、人机交互等模块的设计，模拟了真实岩壁，让室内攀岩成为了可能。利用单片机控制攀岩壁的机械安装角度和攀岩面的运动速度，调节运动的难易程度，以适用不同使用群体，使室内攀岩运动成为家庭运动的一种新理念。

室内攀岩机；人工岩壁；攀爬；极限运动

攀岩，这种时尚的户外极限运动以其独有的征服感吸引了无数爱好者，但由于地理环境和身体条件等客观因素的限制，很多人都没有机会参与这项运动，攀岩运动的普及受到了制约。目前国内攀岩馆很少，且大多为室外，只有少数大型场所才有室内攀岩墙等设施，远不能满足人们的需求［1］［2］。我们通过机械结构、控制模块、人机交互等模块的设计，开发了一款类似于跑步机的室内攀岩机，利用单片机控制攀岩壁的机械安装角度和攀岩面的运动速度，调节运动的难易程度，以适用不同使用群体，使室内攀岩运动成为家庭运动的一种新形式。

1. 机械传动设计

将攀岩机的岩面设计成循环移动式结构，可以解决室内空间受限问题，即人在岩面上爬行的同时，岩面不断下降，攀爬过的岩面循环使用，拓展了攀爬空间。通过攀岩壁角度控制，可以模拟不同难度的攀岩路线，适合不同的群体；通过攀岩面运动速度的控制实现不同的运动强度练习。我们初步方案设计了两种，方案一：如图1所示，将岩面运动设计成移动和摆动两种形式的复合，即人在岩面上爬行的同时，岩面作小幅低速摆动，增加了攀爬刺激性和趣味性，岩面的摆动通过曲柄滑块机构和滑块摇杆机构实现。方案二：攀爬过程中岩面不摆动，如图2所示，在攀爬前通过螺旋结构与滑块摇杆机构调整攀岩壁的角度，控制攀爬难易程度。

图2 间歇调节式方案

安全问题是攀岩运动要亟须解决的最大问题［3］，两个方案相比较，方案二在安全性、稳定性方面更据优势，且攀爬中电动机只需驱动岩面运动，方案简单、更容易实现，所以我们采用了第二方案。

机械结构设计方面，室内攀岩机的岩面运动由直流电动机通过蜗杆减速器带动同步带驱动攀岩面运动，蜗杆减速器具有运动不可逆特点，从而实现了岩面运动的不可逆，不会出现在意外断电的情况下，因攀爬者重量带动岩面下降，提高了攀爬安全性。岩面运动速度采用单片机控制，改变运动速度就可改变攀岩难度和运动强度。岩壁角度调整可采用直流电机驱动螺旋机构带动滑块移位，通过滑块摇杆机构实现岩壁角度的变化，螺旋传动结构同样反向自锁功能，保证了岩壁角度在意外断电情况下的稳固定。

2. 控制系统设计

室内攀岩机的控制对象主要是两台直流电机，控制模块采用单片机控制，用以实现自动控制。攀岩机共设计初级、中级、高级和自由练习四种工作模式，模式不同对应岩面移动速度和攀爬时间不同，其中的自由练习模式是指攀岩面移动的速度和练习时间由使用者自行设定。攀岩面的倾斜角度可通过控制面板上的“角度+”、“角度-”按键来控制。为了保证攀岩的安全性，系统设有红外线检测模块，随时检测攀岩者位置；为应对某些特殊情况的发生，在攀岩机侧面设有急停开关。

图3 系统组成框图

攀岩机控制系统组成如图3所示，它由单片机控制模块、按键输入模块、红外检测模块、液晶显示模块、电机驱动模块和语言输出模块等组成。

2.1控制模块

控制核心采用STC89C52RC单片机，STC89C52RC单片机具有2个外部中断、3个定时器/计数器，1个串口中断源，还有3个8位输入输出端口，完全能够满足系统的要求［4］。

2.2按键输入检测模

按键接单片机P2口，用于选择输入工作模式，调整速度、时间等。

2.3红外检测模块

在攀岩壁的上、中、下三个位置设有三对红外检测装置，利用红外线检测模块检测攀岩机上是否有攀岩者，并且能测定攀岩者的实时位置。

2.4液晶显示模块

单片机P0口接12864液晶显示模块，可以将岩面的运动速度、攀爬时间、攀爬高度及时显示。

2.5电机驱动模块

驱动模块采用L298电路及电机驱动器实现，L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动模块，可用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机），驱动能力大，有利于稳定电机转速。一个L298可驱动一个两相步进电机或两个直流电机。

2.6语音输出模块

该模块主要用于在在运行中输出智能语音提示信息，以实现信息的交互。

3. 驱动控制电路设计

攀岩机电路原理如图4所示，系统共设有2个电动机、多个输入按键、1个语音交互芯片，多个红外检测对管、1个298电机驱动模块、1个液晶显示屏及多个电阻电容等。

图4 电路工作原理图

STC89C52的P2.3到P2.7口接 “角度+”、“角度-”、 “时间+”、“时间-”及“工作模式”等按键，P2.1，P2.2口连接“开始”“停止”按键。单片机P1.4至P1.7接l298电机驱动模块，控制电动机工作。P3.5、P3.6、P3.7接红外检测模块，检测是否有攀岩者，根据攀岩者攀爬位置不同，及时对电机的转速进行微调。语音模块接单片机的P3.0，P3.1串口，实现语音信息的输入和输出。液晶显示接单片机P0口，用于显示工作模式、攀岩者攀岩速度与高度等相关信息，反馈攀岩者自身攀岩情况，液晶显示控制信号接P1.0～P1.2口。各个模块不停运行，检测，直至设定时间为零时结束。

4. 软件控制流程设计

系统上电后首先进行初始化设置，然后进行运动模式选择，按开始键后根据所选模式攀岩机进入工作状态，系统软件流程图如图5所示。

图5 软件控制流程图

5. 结束语

相对于野外攀岩而言，室内攀岩机结构尺寸小，占地空间小，投资成本低，受环境限制也少，便于推广。此外攀岩机还具有以下创新亮点：

1）通过可调螺旋传动结构调节岩面的坡度，形成各种坡度的攀岩墙，能较好地模拟自然攀爬环境，满足不同级别攀岩者的需求。

2）通过变换攀岩速度，可实现不同难度的攀研挑战，比自然岩面更具挑战性。

3）电机减速器具有自锁功能，保证攀岩面不会在断电时失控滑落，安全性能高。

4）攀岩者实际距离地面较近，安全性大为提高。

［1］潘紫妍.把攀岩运动带回家［J］.科学24小时，2013.06，34-35.

［2］LEO.室内攀岩——我征服 我存在［J］.第一健身俱乐部.2008.02，52-59.

［3］林礼.人工岩壁攀岩的风险识别与规避——以长沙市为例［D］.湖南师范大学，2014.5.

［4］樊泽明. 一种基于单片机的智能小车设计［J］.工业仪表与自动化装置，2014，2：69-73.

Design of indoor rock climbing machine based on single chip microcomputer

Wang Wan-Xin
（School of Mechanical and Electronical Engineering， Dezhou University， Dezhou Shandong， 253023）

Through design of the indoor rock climbing machine mechanical structure， control module， human-computer interaction module， We simulate a real rock， let indoor rock climbing has become possible. Using single chip computer control the installation angle of rock climbing wall and the climbing surface velocity， adjusting the degree of motions difficulty， so as to Suitable for different use groups， make indoor rock climbing has become a new concept of home exercise.

Indoor Rock Climbing Machine； Artificial Rock Climbing； Extreme Sports

王万新（1971—），男，山东平原人，硕士，讲师，主要从事机械制造自动化研究。