智能鞋柜存取清洗裝置設(shè)計(jì)*

王 鑫，周洪艷，張 碩，劉鑫明

(長(zhǎng)春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032)

0 引 言

目前市場(chǎng)上大部分鞋柜只有存儲(chǔ)和裝飾兩個(gè)作用，對(duì)其改良大多是款式創(chuàng)新和令其儲(chǔ)存空間充分利用，少數(shù)鞋柜增添了消毒、除菌的功能，但普遍存在尋鞋速度慢、存鞋洗鞋獨(dú)立化、存取鞋方式單一的問(wèn)題。就智能鞋柜未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)而言,市場(chǎng)容量很大,因此未來(lái)市場(chǎng)對(duì)其需求量的增勢(shì)是值得期待的[1]。筆者致力于設(shè)計(jì)一款打破傳統(tǒng)儲(chǔ)存鞋子方式的智能鞋柜存取清洗裝置，解決鞋子收納和儲(chǔ)存問(wèn)題，保證玄關(guān)干凈整潔，避免動(dòng)手開(kāi)柜尋鞋，節(jié)約時(shí)間，提高生活幸福感。此外在智能鞋柜存取清洗裝置中增設(shè)清洗功能，解決日常生活中手動(dòng)清潔鞋子的種種問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)方案

智能鞋柜存取清洗裝置由刷鞋機(jī)1、存儲(chǔ)系統(tǒng)2、洗鞋機(jī)3和運(yùn)輸系統(tǒng)4組成，如圖1所示。存儲(chǔ)系統(tǒng)位于鞋柜的前側(cè)，用于檢測(cè)鞋柜儲(chǔ)存狀態(tài)和存放鞋子。清潔系統(tǒng)由洗鞋機(jī)3和刷鞋機(jī)1構(gòu)成，位于鞋柜左右兩側(cè)，用于實(shí)現(xiàn)鞋子的清潔。運(yùn)輸系統(tǒng)位于鞋柜后側(cè)，用于實(shí)現(xiàn)鞋子在鞋柜中的自由移動(dòng)。此設(shè)計(jì)將儲(chǔ)存系統(tǒng)與其他系統(tǒng)隔開(kāi)，在外觀設(shè)計(jì)時(shí)，可將清潔部分和運(yùn)輸部分遮擋，在不影響美觀的基礎(chǔ)上，各部分互不影響，各司其職。

圖1 智能鞋柜存取清洗系統(tǒng)1.刷鞋機(jī) 2.存儲(chǔ)系統(tǒng) 3.洗鞋機(jī) 4.運(yùn)輸系統(tǒng)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型搭建智能鞋柜存取清洗裝置，直觀地實(shí)現(xiàn)機(jī)器間的組合和擴(kuò)充，輔以TXT 控制器和Robo Pro編程軟件，實(shí)現(xiàn)鞋子存取清洗一體化功能。

2.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)系統(tǒng)即在每個(gè)鞋柜格的底部加上開(kāi)關(guān)，利用鞋子重力檢測(cè)鞋格中是否有鞋。初始狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。放入鞋子，開(kāi)關(guān)被壓迫至閉合。存鞋時(shí)，運(yùn)輸系統(tǒng)根據(jù)鞋格中的開(kāi)關(guān)是否閉合選擇鞋格，將鞋子存入。為讓用戶在不打開(kāi)鞋柜的情況下更直觀地觀察鞋柜儲(chǔ)存情況，在鞋格前端安裝小燈，當(dāng)鞋格中開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，小燈亮起，表示鞋格中有鞋，實(shí)現(xiàn)可視化。

2.2 運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸裝置由轉(zhuǎn)向部分1、升降部分2、推送部分3、抓取部分4、移動(dòng)部分5組成，如圖2所示。轉(zhuǎn)向部分由渦輪與齒輪盤(pán)嚙合而成，負(fù)責(zé)帶動(dòng)升降部分實(shí)現(xiàn)抓取部分的180°旋轉(zhuǎn)。升降部分搭載在齒輪盤(pán)上,由兩根絲杠和絲杠上的滑塊構(gòu)成[2]，為保證裝置平衡以及更好的運(yùn)轉(zhuǎn)，在其四周加四根承重柱用于固定。升降部分用于實(shí)現(xiàn)抓取部分沿z軸的移動(dòng)。工作時(shí)，絲杠上的滑塊隨著絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)做直線運(yùn)動(dòng)，滑塊上搭載的推送部分即可隨之做沿z軸的直線運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向部分搭載在移動(dòng)部分上，移動(dòng)部分工作原理與升降部分相同，用于實(shí)現(xiàn)抓取部分沿y軸移動(dòng)。推送部分由絲杠構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)抓取部分沿x軸運(yùn)動(dòng)。升降部分、轉(zhuǎn)向部分、移動(dòng)部分相互配合實(shí)現(xiàn)抓取部分在鞋柜中自由移動(dòng)。抓取部分即在絲杠帶動(dòng)下，滑塊上的連桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)夾板運(yùn)動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)將抓取鞋子、放下鞋子、將鞋子送入指定地點(diǎn)、將鞋子從指定地點(diǎn)取出的功能。

圖2 運(yùn)輸系統(tǒng)1.轉(zhuǎn)向部分 2.升降部分 3.推送部分 4.抓取部分 5.移動(dòng)部分

2.3 清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于刷鞋機(jī)和洗鞋機(jī)工作原理不同，清潔系統(tǒng)分為刷鞋部分和洗鞋部分，分別放置在鞋柜的兩側(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子的多方位清洗、擦拭[3]。

刷鞋機(jī)由撐鞋器1、刷毛2、導(dǎo)軌3組成，如圖3所示。撐鞋器采用類(lèi)似機(jī)械手結(jié)構(gòu)，當(dāng)絲杠在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其上的滑塊實(shí)現(xiàn)沿x軸直線運(yùn)動(dòng)，而滑塊與夾板間用桿連接，夾板得以運(yùn)動(dòng)至夾緊，反之，夾板張開(kāi)。利用撐鞋器兩個(gè)夾板張開(kāi)時(shí)的張力和鞋子鞋口一般較小的特點(diǎn)，可在撐鞋器伸入鞋口后使夾板張開(kāi)，將鞋子固定在撐鞋器上。導(dǎo)軌由齒條與齒輪箱配合，實(shí)現(xiàn)沿y軸的直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌上配有限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)撐鞋器運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，觸碰開(kāi)關(guān)使其停止。運(yùn)輸系統(tǒng)將鞋子放入刷鞋機(jī)后，控制撐鞋器夾板的電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，待夾板完全張開(kāi)，撐鞋器隨導(dǎo)軌沿y軸運(yùn)動(dòng)直至觸碰限位開(kāi)關(guān)停止。刷鞋機(jī)四周的刷毛隨導(dǎo)軌向撐鞋器停止位置移動(dòng)，觸碰限位開(kāi)關(guān)后停止。刷毛到位后，鞋面上的刷毛和鞋底的刷毛同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到清潔鞋子的作用。清潔結(jié)束后，用于清潔鞋面的刷毛復(fù)位，撐鞋器將鞋子帶回。隨后運(yùn)輸系統(tǒng)將鞋子放入儲(chǔ)存系統(tǒng)。

洗鞋機(jī)由底部篩板1和中心轉(zhuǎn)軸2組成，如圖4所示。底部篩板用于將鞋子帶離洗鞋機(jī)。中心轉(zhuǎn)軸和洗鞋機(jī)桶壁上帶有刷毛，利用中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)軸和桶壁上的刷毛與鞋子接觸產(chǎn)生的摩檫力將鞋子清洗干凈并利用中心轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的離心力將鞋子甩干。當(dāng)運(yùn)輸部分將鞋子送入洗鞋機(jī)，洗鞋機(jī)的中心轉(zhuǎn)軸電機(jī)在程序控制下開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，清潔結(jié)束后，底部篩板連同洗鞋機(jī)中心轉(zhuǎn)軸隨導(dǎo)軌一起上升，將鞋子帶離洗鞋機(jī)，隨后運(yùn)輸系統(tǒng)將鞋子放入儲(chǔ)存系統(tǒng)。

圖3 刷鞋機(jī) 圖4 洗鞋機(jī)1.撐鞋器 2.刷毛 3.導(dǎo)軌 1.篩板 2.中心轉(zhuǎn)軸

3 運(yùn)動(dòng)原理分析

智能鞋柜存取清洗裝置中存儲(chǔ)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、刷鞋機(jī)、洗鞋機(jī)各用一個(gè)TXT控制器，當(dāng)8路通用輸入接口和4路電機(jī)輸出接口不夠時(shí)，可采用雙機(jī)通信方式解決問(wèn)題。用戶將鞋子放在指定位置并且輸入需求后，整個(gè)裝置開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)用戶選擇直接存鞋，運(yùn)輸系統(tǒng)的左右移動(dòng)部分首先啟動(dòng)，將帶有升降部分的轉(zhuǎn)盤(pán)移動(dòng)到鞋柜的第一列，根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間判斷到達(dá)第一列后，升降部分開(kāi)始運(yùn)作，將推送部分放在鞋柜的第一行，根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間判斷到達(dá)第一行后，推送部分開(kāi)始工作，將抓取部分送入第一行第一列的鞋格中，隨后抓取部分張開(kāi)，將鞋子拿起，推送部分歸位，升降部分和左右移動(dòng)部分再次配合將搭載著鞋子的推送部分停在鞋格處，推送部分重復(fù)工作將鞋子放入鞋格。當(dāng)鞋子存入儲(chǔ)存系統(tǒng)后，鞋格底部的限位開(kāi)關(guān)被按壓，表示鞋格中有鞋。將鞋子送入其他鞋格的過(guò)程與其相似，即先確定列，后確定行。儲(chǔ)存時(shí)運(yùn)輸系統(tǒng)將避開(kāi)有鞋的鞋格。

當(dāng)用戶選擇刷鞋后存鞋，運(yùn)輸系統(tǒng)按上訴方式將鞋子從第一行第一列鞋格中取出，隨后轉(zhuǎn)向部分配合升降與左右移動(dòng)部分，將鞋子運(yùn)輸?shù)剿⑿瑱C(jī)，當(dāng)刷鞋機(jī)檢測(cè)到鞋子時(shí)，刷鞋機(jī)的撐鞋器伸入鞋內(nèi)，兩個(gè)夾板同時(shí)伸開(kāi)，模擬穿鞋過(guò)程，撐鞋器將鞋提起后，跟隨齒條運(yùn)動(dòng)到指定位置，鞋子到位后，刷毛開(kāi)始向鞋子方向聚攏，隨后刷鞋機(jī)的刷毛和固定在刷鞋機(jī)底部的刷毛同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，圍繞鞋子上下左右運(yùn)動(dòng)將鞋子清潔干凈，將鞋刷干凈后，運(yùn)輸系統(tǒng)重復(fù)步驟將鞋子放入合適的鞋格。當(dāng)用戶選擇洗鞋后存鞋，運(yùn)輸系統(tǒng)將鞋子送入洗鞋機(jī)。洗鞋機(jī)檢測(cè)到重力開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，利用摩擦力將鞋子刷洗干凈，利用離心力將鞋子甩干。隨后篩板連同中心轉(zhuǎn)軸一起升到刷鞋機(jī)外部，這時(shí)，運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)始工作，將鞋子放入空鞋格內(nèi)保存。智能鞋柜存儲(chǔ)清洗設(shè)計(jì)流程如圖5。

圖5 智能鞋柜存儲(chǔ)清洗設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)用戶想要取出某雙鞋時(shí)，只需在控制面板上輸入鞋子所在的行列數(shù)，運(yùn)輸系統(tǒng)將根據(jù)用戶需求到達(dá)該鞋格，推送部分帶動(dòng)抓取部分向前抓取鞋子，鞋子到位后，推送部分歸位，升降和移動(dòng)部分將鞋子送到儲(chǔ)存系統(tǒng)的第一行第一列處，推送部分伸出，抓取部分將鞋子放下。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能鞋柜存取清洗系統(tǒng)符合當(dāng)下年輕人追求快節(jié)奏生活的潛在需求，迎合了目前電子產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)產(chǎn)品的市場(chǎng)趨勢(shì)，可以預(yù)測(cè)其市場(chǎng)發(fā)展將與其他智能家具相同。但目前該裝置還處于模擬現(xiàn)實(shí)情況階段，在現(xiàn)實(shí)使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)排水不暢、噪聲過(guò)大、存儲(chǔ)空間有限等問(wèn)題。后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展排水部分設(shè)計(jì)、運(yùn)輸部分減震優(yōu)化、鞋柜材料選擇及改變儲(chǔ)存部分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間利用最大化等工作，對(duì)該裝置進(jìn)行進(jìn)一步改良。