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摘 要：以工程案例的形式，介绍科普场馆新展项在设计过程中的设计要点，针对科普场馆展项的特殊性，解释在展项设计阶段设计人员通过对展项的理解而进行的设计工作所应考虑的重要环节。结合工程案例——踩动车轮，并根据实践经验，提出在设计过程中必须考虑的要素。
关键词：科普 展品 设计
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-105-03
1 概念设计
1.1 概念设计的思想
本展项是通过观众用脚踩动活塞发动机来模拟4循环发动机活塞运动，观众通过实际的身体运动来了解活塞的上下运动是如何转换成回转运动的。希望经过本展项的体验，观众可以了解发动机的原理，学习相关的技术和科学。通过本展项可以学到热能如何变为运动能以及在将上下运动转换为回转运动中起到重要作用的连杆和曲轴的结构。本展项不仅能学到以上的知识，还能通过竞争游戏，激发大家不断挑战的信心。
1.2 概念设计方案和初步效果图（如图1）
图1 效果图
2 动力设计
脚踏部分为人工；控制显示部分为220V、50赫兹交流电。
3 机械结构设计
3.1 方案类型
共有三个方案在设计过程中予以了选择，但在所有考虑的方案中，后半部分均采用标准的汽车后桥。
方案一：采用活塞前后布置、曲轴直接带动汽车后桥旋转轴机构。
优点：结构简单、外形对称，容易安装布置。
缺点：观众双脚前后操作，不方便。
方案二：采用活塞左右布置、曲轴的任意一端采用一对扇形齿轮与汽车后桥旋转轴相联并驱动其旋转的机构。
优点：结构简单。
缺点：曲轴的旋转轴与活塞位置不对称，安装布置不美观。
方案三：用活塞左右布置、曲轴的任意一端采用一对圆齿轮将旋转运动传递到另外一个轴系，并且通过一对扇形齿轮将该轴系与汽车后桥旋转轴相联并驱动其旋转的机构。
优点：速比可调范围大，外形对称，容易安装布置。
缺点：结构略显复杂。
3.2 最终方案：经过综合评定，最终采用了方案3。（见图2）
图2 机械系统原理图
图3 电气控制原理图
3.3 其他在设计中考虑的因素
考虑的小观众力量有限，必须充分注意在曲轴机构对称到上下180度时造成“死点”，必要时，将曲轴夹角设计成为176度。
4 电气设计
方案一：采用在计算机系统上设置相关数据采集和处理转换板，配合多媒体软件，完成系统功能；
方案二：按照工业设计中采用的通过下位机对传感器收集的信号进行处理，通过计算机配合多媒体软件，完成系统功能。
结果：按照系统应有较高的可靠性的要求，采用了方案2。（见图3）
5 造形设计
按照初步设计效果图完成本项工作（见图4-图7）。
6 安全设计
6.1 设备结构
本展项设备结构除活塞外均内置，采用透明外罩使观众无法接触。
活塞的上下运动对观众脚或手产生的挤压，造成伤害，设计要求活塞上下运动可以产生挤压的位置最小间隙必须大于5公分（5cm）。
脚踏板上装有防滑耐磨的橡胶板，设有环型档板，防止观众不小心把脚踏出板外造成意外。
6.2 外部造型
台阶要求醒目，采用内置光源，并且设计扶手护栏；展项的外部造型必须保证没有尖角和锐边；操作台上必须设计护栏。
6.3 电气
光源必须符合国家有关标准；接线采用国家标准规定的TN-S-N单相三线或三相五线标准制式。
7 观众的操作行为设计
机械系统、控制系统和多媒体系统必须满足如下要求：
7.1 观众的正常操作
按照操作说明：
（1）左右踏板的相对高度是160mm，保证人体自然跑步的姿势，使整个系统保持在平稳的状态下运动，让观众可以轻松的完成踏的动作。
（2）整个传动系统要求轻巧，在活塞上的最小驱动力为100牛顿时，系统能够旋转自如（按照观众最小体重20公斤考虑）。
7.2 观众的非正常操作
（1）观众没有完成操作离开，无人操作状态。
（2）观众没有完成操作离开，后人接着操作状态。
（3）观众多人同时操作状态。
8 异常情况处理设计
异常情况是指突然断电、断水、断气和需要紧急停机的多种非正常工作条件。展项在设计中要尽可能预测这些情况的发生对展项和观众造成的伤害。
对于本系统要求：控制系统和多媒体系统必须在非正常断电后供电时，自动进入正常启动状态，并且能够保证数据没有丢失。
9 与布展的接口设计
（1）展项与地面的连接。
（2）展项控制柜位置和电源接口。
（3）必要的展项护栏和观众引导护栏。
（4）与总控制室相关的数据线。
10 软件设计
10.1 控制软件的编程（如图8）
1.0 招揽画面邀请观众来了解发动机的工作原理并参与脚踏发动机行驶竞赛。
2.0 观众登上游戏台，系统自动切换画面。
3.0 观众准备好以后，系统倒计时，5秒后开始竞赛。
4.0 竞赛开始，两名观众各自脚踏自己的发动机，竞赛时间为3分钟。
5.0 观众在脚踏发动机行驶的同时，可以通过屏幕观察到自己的实时速度和行驶距离。
6.0 竞赛结束后观众可以看到自己的成绩，如果进入今日TOP10或成为有史以来No.1，系统会自动记录。
7.0 观众离开后，系统自动切换到招揽状态。
10.2 显示画面的设计
招揽画面：显示活塞发动机动态过程。
开始画面：提示观众比赛将要开始。
倒计时画面：采用读秒的办法显示比赛开始的时间。
过程画面：显示与比赛有关的数据和场景。
结束画面：显示观众的成绩。
排行榜：显示历史上最高记录和今日前十名成绩的排行榜。
10.3 软件和多媒体脚本编制
软件程序应符合展示要求，做到反应迅速、浏览时间合理、界面切换协调、人机交流友好、信息交换准确、设备控制安全可靠、数据采集快捷。（见图9-图12）
11 展项说明牌的设计
展项说明牌版式应与科技馆整体环境风格一致，语言正确规范，生动活泼。（见图13）
图13 展项说明牌
12 时间控制设计
时间控制设计要求与展品操作和展示相匹配，应留有调整接口，以方便在投入展出后，根据现场实际情况可以随时调整。（见图14）
图14 时间控制图
13 结束语
通过对展项踩动车轮设计过程的描述，总结了在展项设计中需要考虑的概念设计、动力设计、机械结构设计、电气设计、造型设计、安全设计、观众的操作行为设计、异常情况的处理设计、布展接口设计、软件设计、展项说明牌的设计、时间控制设计共十二个设计要素，并简单的论述了在这些要素设计中需要考虑的重点。
关键词：科普 展品 设计
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-105-03
1 概念设计
1.1 概念设计的思想
本展项是通过观众用脚踩动活塞发动机来模拟4循环发动机活塞运动，观众通过实际的身体运动来了解活塞的上下运动是如何转换成回转运动的。希望经过本展项的体验，观众可以了解发动机的原理，学习相关的技术和科学。通过本展项可以学到热能如何变为运动能以及在将上下运动转换为回转运动中起到重要作用的连杆和曲轴的结构。本展项不仅能学到以上的知识，还能通过竞争游戏，激发大家不断挑战的信心。
1.2 概念设计方案和初步效果图（如图1）
图1 效果图
2 动力设计
脚踏部分为人工；控制显示部分为220V、50赫兹交流电。
3 机械结构设计
3.1 方案类型
共有三个方案在设计过程中予以了选择，但在所有考虑的方案中，后半部分均采用标准的汽车后桥。
方案一：采用活塞前后布置、曲轴直接带动汽车后桥旋转轴机构。
优点：结构简单、外形对称，容易安装布置。
缺点：观众双脚前后操作，不方便。
方案二：采用活塞左右布置、曲轴的任意一端采用一对扇形齿轮与汽车后桥旋转轴相联并驱动其旋转的机构。
优点：结构简单。
缺点：曲轴的旋转轴与活塞位置不对称，安装布置不美观。
方案三：用活塞左右布置、曲轴的任意一端采用一对圆齿轮将旋转运动传递到另外一个轴系，并且通过一对扇形齿轮将该轴系与汽车后桥旋转轴相联并驱动其旋转的机构。
优点：速比可调范围大，外形对称，容易安装布置。
缺点：结构略显复杂。
3.2 最终方案：经过综合评定，最终采用了方案3。（见图2）
图2 机械系统原理图
图3 电气控制原理图
3.3 其他在设计中考虑的因素
考虑的小观众力量有限，必须充分注意在曲轴机构对称到上下180度时造成“死点”，必要时，将曲轴夹角设计成为176度。
4 电气设计
方案一：采用在计算机系统上设置相关数据采集和处理转换板，配合多媒体软件，完成系统功能；
方案二：按照工业设计中采用的通过下位机对传感器收集的信号进行处理，通过计算机配合多媒体软件，完成系统功能。
结果：按照系统应有较高的可靠性的要求，采用了方案2。（见图3）
5 造形设计
按照初步设计效果图完成本项工作（见图4-图7）。
6 安全设计
6.1 设备结构
本展项设备结构除活塞外均内置，采用透明外罩使观众无法接触。
活塞的上下运动对观众脚或手产生的挤压，造成伤害，设计要求活塞上下运动可以产生挤压的位置最小间隙必须大于5公分（5cm）。
脚踏板上装有防滑耐磨的橡胶板，设有环型档板，防止观众不小心把脚踏出板外造成意外。
6.2 外部造型
台阶要求醒目，采用内置光源，并且设计扶手护栏；展项的外部造型必须保证没有尖角和锐边；操作台上必须设计护栏。
6.3 电气
光源必须符合国家有关标准；接线采用国家标准规定的TN-S-N单相三线或三相五线标准制式。
7 观众的操作行为设计
机械系统、控制系统和多媒体系统必须满足如下要求：
7.1 观众的正常操作
按照操作说明：
（1）左右踏板的相对高度是160mm，保证人体自然跑步的姿势，使整个系统保持在平稳的状态下运动，让观众可以轻松的完成踏的动作。
（2）整个传动系统要求轻巧，在活塞上的最小驱动力为100牛顿时，系统能够旋转自如（按照观众最小体重20公斤考虑）。
7.2 观众的非正常操作
（1）观众没有完成操作离开，无人操作状态。
（2）观众没有完成操作离开，后人接着操作状态。
（3）观众多人同时操作状态。
8 异常情况处理设计
异常情况是指突然断电、断水、断气和需要紧急停机的多种非正常工作条件。展项在设计中要尽可能预测这些情况的发生对展项和观众造成的伤害。
对于本系统要求：控制系统和多媒体系统必须在非正常断电后供电时，自动进入正常启动状态，并且能够保证数据没有丢失。
9 与布展的接口设计
（1）展项与地面的连接。
（2）展项控制柜位置和电源接口。
（3）必要的展项护栏和观众引导护栏。
（4）与总控制室相关的数据线。
10 软件设计
10.1 控制软件的编程（如图8）
1.0 招揽画面邀请观众来了解发动机的工作原理并参与脚踏发动机行驶竞赛。
2.0 观众登上游戏台，系统自动切换画面。
3.0 观众准备好以后，系统倒计时，5秒后开始竞赛。
4.0 竞赛开始，两名观众各自脚踏自己的发动机，竞赛时间为3分钟。
5.0 观众在脚踏发动机行驶的同时，可以通过屏幕观察到自己的实时速度和行驶距离。
6.0 竞赛结束后观众可以看到自己的成绩，如果进入今日TOP10或成为有史以来No.1，系统会自动记录。
7.0 观众离开后，系统自动切换到招揽状态。
10.2 显示画面的设计
招揽画面：显示活塞发动机动态过程。
开始画面：提示观众比赛将要开始。
倒计时画面：采用读秒的办法显示比赛开始的时间。
过程画面：显示与比赛有关的数据和场景。
结束画面：显示观众的成绩。
排行榜：显示历史上最高记录和今日前十名成绩的排行榜。
10.3 软件和多媒体脚本编制
软件程序应符合展示要求，做到反应迅速、浏览时间合理、界面切换协调、人机交流友好、信息交换准确、设备控制安全可靠、数据采集快捷。（见图9-图12）
11 展项说明牌的设计
展项说明牌版式应与科技馆整体环境风格一致，语言正确规范，生动活泼。（见图13）
图13 展项说明牌
12 时间控制设计
时间控制设计要求与展品操作和展示相匹配，应留有调整接口，以方便在投入展出后，根据现场实际情况可以随时调整。（见图14）
图14 时间控制图
13 结束语
通过对展项踩动车轮设计过程的描述，总结了在展项设计中需要考虑的概念设计、动力设计、机械结构设计、电气设计、造型设计、安全设计、观众的操作行为设计、异常情况的处理设计、布展接口设计、软件设计、展项说明牌的设计、时间控制设计共十二个设计要素，并简单的论述了在这些要素设计中需要考虑的重点。