一款智能儲物床的設計

苗蓬勃，劉 瑛，李國明

(杭州職業技術學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

當前居家生活中，人們通常購買使用箱式床，箱式床下方箱體內可用來儲物，這類床儲物時需要把床品、床墊和床板都抬起，然后放置和拿取物品，費事費力，尤其在人口老齡化大背景下，老年人想要在床下儲物，需弓身搬抬、彎腰下蹲等較大幅度動作，可操作性不佳，往往伴隨著身體損傷等風險因素[1]。

基于上述目前箱式床儲物存在的不足之處，設計了一款智能儲物床，該智能儲物床可以有效協助人們輕松實現床下儲物，使用者只需在床邊觸控按鈕，床下的獨立儲物盒即可自動移出，置物取物完畢，獨立儲物盒可自動回到原位。

1 總體結構設計

為實現目標功能，智能儲物床箱體內包含PLC控制系統，總體傳動框架，舵機推桿機構，電磁吸附裝置，獨立儲物盒等部分，總體方案如圖1所示。

圖1 智能儲物床整體方案圖1.床體 2.整體傳動框架 3.舵機推桿裝置 4.獨立儲物盒

采用同步帶滑臺模組直線傳動機構為總體傳動框架，電機控制同步帶滑臺模組中的滑塊，滑塊上裝有舵機推桿裝置，可隨滑塊移動到目標獨立儲物盒正后方，再由電磁鐵吸附獨立儲物盒移出移進，獨立儲物盒下方安裝萬向輪。該傳動方案結構清晰，運行順滑，高速靜音，安裝方便。

1.1 床體結構

床體結構以一般箱式儲物床為基礎，增設控制元件存放平臺和控制面板，應用180°任意停合頁，使一側床板可180°任意翻轉停止。使用時手動翻轉側門板4，然后操作控制面板1進行全程控制，使用完畢翻轉側門板閉合即可，床體結構如圖2所示。

圖2 床體結構圖1.控制面板 2.控制元件存放平臺 3.合頁 4.可翻轉側門板

1.2 整體傳動框架

智能儲物床采用同步帶滑臺模組直線傳動機構作為整體傳動框架，如圖3所示，同步帶滑臺模組上的步進電機帶動滑塊做往復水平運動，也就是通過步進電機的動力輸出來帶動末端執行器在同步帶滑臺模組的導軌上做水平往復運動[2]。該模組安裝靈活便捷，配有兩個步進電機，封閉式滑塊能夠有效防塵，模組的滑塊和導軌零間隙配合，該機構運行順滑流暢靜音，可實現滑塊XY坐標方向滑塊的定位。

圖3 整體傳動框架1.電機 2.滑塊 3.同步帶 4.機架

1.3 舵機推桿裝置

舵機主要是由外殼、電路板、數據存儲器、中央控制器、無核心馬達、齒輪、數據存儲器與位置檢測器所構成。其工作原理是將控制程序傳送到舵機調節單元，判斷轉動方向，再驅動無核心馬達轉動，通過減速齒輪及連桿將動力傳至擺臂，實現擺臂的轉動[3]。

智能儲物床中獨立儲物盒的運動由舵機推桿機構推動實現。如圖4所示，在同步帶滑臺模組的滑塊上安裝支架，支架上安裝兩個舵機，舵機輸出端連接有推桿?；瑝K移動定位到獨立儲物盒的正后上方位置后，舵機驅動推桿由水平位置各向下轉動90°到獨立儲物盒后側停止轉動，推桿上裝有的電磁鐵通電，吸牢儲物盒，滑塊移動從而帶動舵機推桿裝置推動獨立儲物盒移動。

圖4 舵機推桿裝置1.支架 2.舵機 3.推桿 4.電磁鐵

1.4 獨立儲物盒

每個獨立儲物盒下方裝有四個萬向滾珠，推桿在承受較小推力下，可將儲物盒順利移進移出，降低能耗。獨立儲物盒上方可另配封閉盒蓋，正后面安裝有磁性金屬鋼板。獨立儲物盒的結構設計如圖5所示。

圖5 獨立儲物盒結構圖1.盒體 2.萬向滾珠 3.磁性金屬板 4.連接螺栓

2 控制系統的設計

2.1 基于PLC的控制系統

PLC的應用已經成為現代設備的象征，是現代工業控制的主要手段和重要的基礎控制設備之一。PLC 具有穩定、可靠和實時處理能力強的優點。PLC 利用最基本的邏輯運算、定時、計數等功能進行邏輯控制，可以取代傳統的繼電器控制系統，廣泛應用于機器人、機電系統和航模的輸出執行機構。本控制系統利用三菱PLC 對步進電機、舵機、電磁鐵實現總體控制目標[4]，用于控制獨立儲物盒的移動和停止，系統方案圖如圖6所示。

圖6 控制系統方案示意圖

2.2 工作流程

(1) 翻轉一側門板，可見觸控面板，觸控面板上的控制按鈕，可使目標號碼的儲物盒移出和復位。

(2) 1～9號獨立儲物盒的移出方案如圖7所示。各儲物盒的復位按移出軌跡原路返回。

圖7 儲物盒移動方案示意圖

(3) 滑塊移動時，兩推桿轉動至水平0°位置，移動到獨立儲物盒后方位置，舵機帶動推桿各向下旋轉90°，推桿處于豎直位置，電磁鐵通電，吸附推拉儲物盒，如圖8、9所示。

圖8 舵機推桿機構0°位置 圖9 舵機推桿機構90°位置

3 智能儲物床運動方案實物模型

根據上述設計方案，搭建了智能儲物床的運動方案實物模型(不含床體部分)，圖10中以一個儲物盒為例，通過PLC程序控制，能夠實現圖7中的各儲物盒運動軌跡。圖11中的舵機推桿機構，能夠實現定點移動、轉動和推拉儲物盒的功能。通過實物模型的模擬控制操作，進一步實現了該智能儲物床的設計目標和效果。

圖10 總體實物模型圖 圖11 舵機推桿裝置 實物模型圖

床下儲物盒可實現自動移出移回，為老人及行動不便人士在床下儲物帶來了輕松與便利，可有效減輕他們的難處與負擔，增加儲物多樣化合理化。同時，因操作不便，人們往往床下儲物會長期堆放不動，甚至出現發潮發霉的現象，該便捷化的智能儲物床可隨時操作，對解決上述問題大有裨益。

該設計及所建模型基于1.8 m×2.0 m床體，對于家居訂制多樣化的今天，該智能儲物床更顯優勢，可根據不同床體大小，組建相應尺寸的傳動機構、匹配相應數量的儲物盒、更改不同方向的儲物盒進出口等，為不同用戶需求提供多樣方案，為智能家居訂制行業提供新的產品方向。

4 結 語

為了能有效幫助老人及行動不便人士優化床下儲物的問題，設計了智能儲物床，該智能儲物床以同步帶滑臺模組為床下箱體內基礎傳動框架，滑塊帶動舵機推桿裝置，應用PLC技術進行系統控制,實現獨立儲物盒的自動移動，使床下儲物方便輕松省力。

該智能儲物床能夠根據使用者的不同房間尺寸和不同床體規格進行個性化訂制，可配合床品家居企業滿足用戶可定制化的使用需求[5]，市場應用前景廣泛。