基于小戶型公寓的智能擴容家具機械結構設計

梁甜甜,王艷麗，桓耀邦,段佳明*,劉 通

(1.北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021；2.吉林省工業技師學院，吉林 吉林 132021)

隨著人口增加和土地資源緊張這一矛盾的加劇,小戶型住宅在解決人們居住需求方面一直發揮著重要作用[1].近年來，我國北上廣深等發達地區吸引了大量年輕人才的涌入，在帶動當地經濟迅速崛起的同時，也拉高了當地的房價.然而，高房價也成為阻礙年輕人才繼續向發達城市邁進的重要因素.在此形勢下，興起一類針對年輕人群需求的小戶型公寓，建筑面積在30～50 m2之間，以一室一衛結構為主.面積在20 m2左右的一室承擔了傳統住房中客廳、臥室、餐廳和書房的多個角色，如何合理的利用此空間，成小戶型公寓居住舒適度的關鍵所在[2].為解決小面積與多功能之間的矛盾，研究人員們設計了多種可變形的擴容家具[2-4].目前，可變形的擴容家具多以手動變形的中小型家具為主，移動和變形也受到人的身高和力量等因素限制.針對此問題，設計了一款專門針對小戶型公寓使用的大型智能擴容家具，由Arduino單片機進行控制，通過機械結構來驅動家具的移動和變形.實現了空間的大幅度轉換，同時實現了可變形家具的智能化.

1 小戶型公寓的建筑布局

近年來所流行的小戶型公寓建筑面積大多在30～50 m2之間，多為一室一衛的結構，如圖1所示.除衛生間區域和廚房區域外，只有一個面積相對較大的多功能廳，用于日常活動和休息.此處區域需要兼顧客廳、臥室、餐廳和書房等多個用途，面積常在20 m2左右.本研究所設計的智能家具，就是針對多功能廳的區域使用，通過智能家具的移動和變形，使得多功能廳在客廳、臥室、餐廳和書房等多個角色之間進行切換，提高空間的利用率.

圖1 小戶型公寓常見布局和智能擴容家具的整體方案

2 總體結構設計

2.1 整體空間規劃方案設計

本研究的整體方案如圖1所示，智能家具主要針對小戶型公寓的多功能區使用.圖中4為智能家具主體，以可移動式墻體柜的形式被放置在多功能區中，其內部安裝有隱藏式的沙發、書桌、書架和臺式電腦等結構，所有結構均由智能家具控制器進行整體控制.墻體柜可沿著滑軌在房間中左右移動，來實現左右空間的切換.當墻體柜移動至房間左側時，多功能區變為客廳+臥室模塊.隱藏在墻體柜一側的沙發沿著滑軌滑下并折疊，墻面安裝的電視露出，多功能區轉變為客廳模塊.客廳模塊和臥室模塊之間的切換可通過隱藏式沙發的繼續下滑來實現，此時，沙發轉變為床.當墻體柜移動至房間右側時，多功能區變為餐廳+書房模塊，模塊內設有自動升降折疊的桌椅，可作為大型餐桌使用.用餐結束后，可將此區域切換成書房模塊，此時，折疊在墻體柜內部的電腦顯示器翻轉至桌面，墻體柜上設有內嵌的書架，內部可儲存電腦的鼠標、鍵盤和其他辦公用品，實現了設施較全的書房功能.

利用靈活移動的墻體柜代替了傳統房間布局中的隔斷墻，既實現了房間內區域的清晰劃分，又可通過墻體柜的移動來實現房間功能的轉變，將有限的空間根據實際需求進行轉化，極大地提升了空間利用率.

2.2 機械結構設計

由圖2所示，墻體柜的移動單元由步進電機、滾珠絲杠、兩組滑輪和兩條滑軌構成，兩條滑軌分別安裝墻壁兩側，滑軌只起到承重和導向的作用.驅動裝置在墻體柜的頂部中央位置，由一臺大扭矩的步進電機進行驅動，通過4010規格滾珠絲杠進行傳動，來實現墻體柜整體的左右移動.將滑軌安置于墻壁頂端，可有效地避免地面的生活雜物對墻體柜的移動造成影響，但同時也使滑軌承受了較大的載荷.

圖2 墻體柜移動裝置

為確保滑軌的可靠性，通過CATIA軟件的分析模塊對滑軌的受力進行了靜力學仿真[5]，墻體柜整體自重為526 kg，加上墻體柜上放置的生活用品，總載荷設定為600 kg，單只滑軌承重300 kg.分析時忽略地面對墻體柜重量的支撐，即將墻體柜重量全部施加在滑軌上.分析結果如圖3所示，滑軌所受的最大應力為15.3 MPa遠低于滑軌材料的屈服極限295 MPa.圖4為滑軌的垂直方向應變分析結果，在墻體柜全部重量都由滑軌承受的情況下，滑軌最大變形量僅為0.044 mm，不會影響中間滾珠絲杠的傳動.

圖3 滑軌靜力學仿真分析結果

圖4 滑軌的變形仿真分析結果

此外，墻體柜底部還安裝了輔助承重的輪組，輪組上安裝了由彈簧支撐的柔性懸掛系統.既起到了輔助承重的作用，又避免了小型生活雜物對墻體柜移動造成的影響.

墻體柜水平移動的速度可由公式(1)計算[6]：

v=n×I

(1)

式(1)中：n為步進電機，輸出轉速為1 000 r/min，I為滾珠絲杠的導程為10 mm/r,

經計算墻體柜的水平移動速度v=10 000 mm/min，即10 m/min，可在30 s內完成整個行程的移動，既可確保墻體柜能在較短的時間內完成空間切換，又能保證移動過程的平穩安全.

隱藏式沙發床的機械結構如圖5所示，它嵌于墻體柜內，其驅動結構由步進電機、同步帶以及兩根滾珠絲杠構成，沙發靠背和沙發主體之間裝有活動關節，可進行翻折.兩根絲杠的滑塊分別安裝在沙發靠背的兩側，通過步進電機和同步帶同時驅動兩根絲杠旋轉，帶動兩側的滑塊和沙發的靠背共同上下運動來實現模式的轉換.驅動沙發靠背的上升時，沙發主體隨之上升，并在重力作用下自由向下翻折，直至與地面相垂直，實現沙發的隱藏.當驅動沙發靠背下降時，靠背沿著引導軌道向上翻折，直至與地面平行.此時，沙發主體和靠背組合成床，實現由客廳模式向臥室模式的轉換.

圖5 隱藏式沙發床的機械結構

沙發床運用同步帶傳動準確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比[7]，由于皮帶是柔性傳動，對步進電機也可以起到一定的保護作用.通過絲杠傳動可以將旋轉運動轉換成線性運動，它具有精度高、摩擦阻力小、效率高和可逆性等特點[8-9].

經過CATIA軟件計算，沙發床自重為102 kg，經滾珠絲杠傳動后，步進電機所需的保持扭矩可由公式(2)計算：

(2)

式(2)中：F為軸向負載，即沙發，最大重力為999.6 N；I為滾珠絲杠的導程為10 mm/r；n為滾珠絲杠的正效率0.94.

計算結果所需電機保持扭矩T為1.69 N·m，設計中選用的57BYG100步進電機,其保持扭矩為3.1 N·m，能夠確保沙發床升降機構的正常運行.

書房+餐廳模塊的結構如圖6所示，該模塊主要是由墻體柜內嵌的桌椅以及電腦顯示器組成.桌子和椅子的旋轉軸通過桌子兩側的絲杠進行連接，并由步進電機和同步帶同時驅動其進行轉動，控制桌椅同時上下翻折，來實現桌椅的展開和隱藏.同時固聯軸處安有阻尼裝置，保證桌子平穩下滑.電腦顯示器閑置時隱藏于墻體柜內，使用時可通過控制器驅動其翻轉展開，也可通過手動翻折活動關節來進行快捷的調整.

圖6 書房、餐廳模塊的機械結構

2.3 智能控制系統

本次設計主要是由Arduino系統控制步進電機進行驅動，來實現智能家具各部分的運動.主控板設置有紅外、藍牙和WiFi3種接口，用戶可通過這些接口與外部設備(紅外遙控器或者手機APP)連接來對智能家具進行整體控制.考慮到使用安全性，在墻體柜內裝有紅外測距傳感器(夏普紅外測距傳感器 GP2Y0A710K0F，測量距離1 000～5 500 mm)并連接Arduino系統.墻體柜水平移動時，紅外傳感器自動打開，Arduino主控單元通過紅外傳感器反饋的信號判斷障礙物是否存在及大概位置[10]，控制步進電機做出避障應答，使墻體柜立即停止移動，防止機械傷人，保證用戶的安全.有關此項目控制系統的設計將在另一篇報道中進行詳細介紹.

3 結 論

設計了一款小戶型公寓使用的可變形智能擴容家具，提出了小戶型公寓提升空間利用率的新方案，也實現了可變形家具的智能化；對智能家具主體的機械傳動結構進行了設計和理論計算，確定了智能家具主體的水平移動速度10 m/min，確保家具可在30 s內完成空間切換，又保證了運行的穩定性；對智能家具的主要的承載滑軌進行了靜力學仿真，確保了方案的安全性和可靠性.