一種智能鞋柜存取鞋裝置設計

劉鑫明 ， 周洪艷 ， 薛曉龍 ， 張 碩 ， 王 鑫 ， 劉曉宇

（長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032）

隨著現代科技的發展，人們對智能家居的要求越來越高，越來越喜好利于身心的智能家居產品[1]。據調查，超過89%的用戶期待未來能夠廣泛普及智能家居自動化產品[2]。智能鞋柜在傳統鞋柜的基礎上結合了現代科技，市場上的智能鞋柜一般只具有殺菌消毒功能。當用戶進入家門時，鞋子一般會隨便擺在地上或者不經整理放入鞋柜中，鞋子只能手動存取，會出現整理不及時的問題，具有自動存取鞋的智能鞋柜能夠滿足智能家居自動化產品市場和用戶的廣泛需求。本文設計智能鞋柜的存取鞋裝置部分，可以自動將鞋子擺放合適的鞋格內，不需用戶手動整理，從而解決手動存取和整理不及時的問題，實現存取鞋穩定性和高效性。存取鞋裝置通過程序控制步進電機旋轉，將旋轉產生的動力傳遞給絲杠和齒輪進行傳動，通過升降機構和移動存取鞋機構達到高效存取鞋的目的。

1 存取鞋裝置總體設計

存取鞋裝置由升降機構、移動存取鞋機構組成，滑動導軌和光杠的設計使升降結構具有更高的穩定性，步進電機通過齒輪傳動將動力傳遞給絲杠螺母傳動機構。通過步進電機驅動滾珠絲杠傳動機構的傳動剛度、受力情況、傳動比和運動控制精確定位和運動控制[3]，從而設計系統所需要的絲杠尺寸。當用戶存鞋時，墊板上的夾緊裝置將鞋子固定，螺母絲杠傳動機構將鞋子上升至指定位置后，齒輪機構平動將鞋子轉移至指定位置，實現存取鞋的功能。在人機交互方面，用戶可以選擇直接開關柜門存取的傳統方式，也可通過自動存取鞋板裝置實現存取鞋功能。存取鞋裝置如圖1所示。

圖1 存取鞋裝置

1.1 升降機構設計

升降機構由步進電機、光杠、螺母、絲杠、軌道組成，利用絲杠的傳動將鞋子升降至指定位置，光杠和軌道的加入可以使系統更加穩定和精準完成升降的過程。夾緊裝置設計在鞋墊板上的左右兩側，通過推桿的推動實現夾緊過程，夾緊裝置實現鞋子的定位、固定、夾緊作用，避免了在升降鞋過程出現鞋子不穩固的現象。鞋墊板通過絲杠的轉動，在絲杠螺母上從裝置底層運動到指定位置，通過與移動存取鞋機構的傳遞，可完成對鞋子的定位存取。升降機構如圖2所示。

圖2 升降機構

絲杠和墊板組成結構可視為懸臂梁結構，其截面是矩形截面，因絲杠結構組成的固定端約束了鞋子和墊板組成的端界面的移動和轉動，所以存在鉛垂直約束力FRA和約束力偶MA。根據平衡方程ΣFy=0和ΣMA=0，求得又截面右側是均布載荷，如圖3所示，用右側的外力計算剪力和彎矩，如圖4、圖5所示，直接算出Fs(x)=q(1-x)(0

圖3 均布載荷圖

圖4 剪力圖

圖5 彎矩圖

1.2 移動存取鞋機構設計

移動存取鞋機構由齒輪傳動結構、撥叉組成，移動存取鞋機構通過齒輪副傳遞動力運動，運動過程采取齒輪傳動。齒輪傳動的優點是精度高，可以讓墊板準確到達指定位置。齒輪的應用非常廣泛，生產批量大，直齒圓柱齒輪采用精密成形工藝，可以提高材料利用率和齒輪強度[4]，通過精密工藝可以滿足所需齒輪強度要求。輸出端齒輪平動過程將墊板輸出到指定鞋格內。該裝置采用小齒輪帶動大齒輪的減速機構，傳動比為6.9，傳動選用直齒圓柱齒輪傳動。在受力過程中，直齒圓柱齒輪主動輪上的圓周力和它的速度方向是相反的，從動輪上的圓周力和它的速度方向是相同的，徑向力都各自指向齒輪的中心。小齒輪與步進電機連接作為動力源，通過齒輪正弦機構將步進電機的轉動轉化為左右方向的圓周曲線運動，并通過左右共四個撥叉的伸縮進行存取功能。撥叉通過齒輪組傳動實現開合動作，每個齒輪組采用五個相同的齒輪嚙合傳動。齒輪組兩端用同一步進電機進行驅動，使得兩邊撥叉運動同步，將步進電機轉速提高加快齒輪轉動速度，從而讓撥叉彈出的時間減短，加快存取的過程。移動存取鞋機構如圖6所示。

圖6 移動存取鞋機構

2 電動機的選型

電動機在整個過程中起著提供動力的作用，選用合適的電動機顯得尤為重要，本研究選擇絲杠部分電機。首先選擇電動機的種類，選擇的方案有3種：直流電機、步進電機、伺服電機。從精度上考慮排除直流電機的選擇，經過市場價格調研，伺服電機價格通常遠高于步進電機，故選擇相對經濟的步進電機，根據步距角越小步數越多越精確的原理，采用步數更多的步進電機以提高精度。

電動機的類型選擇為步進電機，接著進行型號的選擇。在升降機構中，已知螺桿的長度L=2 m，絲杠傳動機構所受的力分別來自齒輪機構和墊板的自重，絲杠工作臺與工作物的總質量約為m=5 kg，螺桿的軸徑D=32 mm，導程P=6 mm，螺桿的材料密度ρ=7.9×103kg/m3，取滑動摩擦系數μ=0.2。

根據以上分析選擇型號為AR911AA-1的步進電機作為絲杠傳動的傳輸電機。該電機安全系數16.27，慣性比7.41，加減速常數100，最高轉速1 500 r/min。該轉速滿足設備正常運轉所需速度，安全系數較高，故滿足設計要求。

3 運動原理分析

智能鞋柜存取鞋系統由Mega2560、電源模塊、超聲波測距模塊、LCD1602顯示屏、獨立按鍵、3個步進電機、壓力傳感器組成。通過Arduino編程軟件將程序導入Mega2560中，利用控制面板中的程序對系統中的鞋子的存取裝置、傳輸升降機構進行控制，使智能鞋柜存取鞋裝置自動運轉。

鞋柜上嵌入LCD顯示屏，當用戶存取鞋時，超聲波模塊檢測鞋子的高度，系統從執行任務開始記錄時間，數據實時顯示，方便用戶得知系統內部狀態。鞋柜內有終止按鈕，該按鈕可終止系統的一切動作，所有步進電機暫停，此時用戶可執行手動存取鞋功能，如果按下復位鍵，系統會復位到初始位置，如果沒有執行手動存取鞋，可再次按下終止鍵，系統將繼續執行沒有完成的命令。

存取鞋裝置操作完畢自動復位至初始位置，復位在一定程度避免每次存取所帶來的系統誤差。當系統執行存鞋命令時，首先壓力傳感器檢測到鞋子的重量，超聲波測距模塊檢測鞋子的上截面到模塊間的距離，識別鞋子屬于普通高度或較高高度的鞋型，根據鞋子重量和高度分別確定相應存放位置。當系統執行存鞋命令時，步進電機轉動驅動絲杠將平移裝置移動到底端，齒輪組轉動帶動撥叉的打開，當撥叉伸入墊板下，夾緊裝置啟動，將鞋子下的墊板夾緊。通過步進電機的轉動將絲杠導軌升降機構上升到指定高度，齒輪傳動電機進行平移操作，接著齒輪組進行撥叉的收回將鞋子放入鞋格內[5]。

當系統執行取鞋命令時，用戶直接按下取鞋鍵，系統對最后一次存鞋的格子執行取鞋操作，升降機構將運動到鞋柜底端，從鞋柜底端步進電機旋轉帶動取鞋裝置上升到鞋格位置。齒輪傳動將平動系統帶入鞋格內，撥叉伸出提起鞋墊板，將鞋子轉運到鞋柜底端以便取鞋，鞋子取走后，取鞋裝置復位，設置3分鐘如果沒有執行取鞋動作，存鞋裝置將重啟并執行存鞋過程。系統流程圖如圖7所示。

圖7 系統流程圖

4 結語

綜上所述，智能鞋柜存取鞋裝置能夠解決手動存取、整理不及時的問題。與市場上廣泛應用的具有殺菌消毒功能的智能鞋柜相比，另加自動存取鞋功能，更加智能化、多樣化與人性化。本設計利用升降機構和移動存取鞋機構實現自動存取鞋功能，鞋墊板上的夾緊裝置和升降機構上的軌道使得整個系統更加穩定。另外，采用螺母絲杠傳動和齒輪傳動的方式實現鞋子的自由存取，所選用的螺母、絲杠、齒輪比較常見，方便維修且價格便宜，適合面向普通用戶的消費，具有一定的市場開發價值。