智能鞋柜多功能一體清潔機結構設計*

薛曉龍 ，周洪艷 ，劉鑫明 ，劉曉宇 ，王 鑫 ，于佳偉 ，張 碩

（長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032）

隨著社會的發展，智能設備逐漸深入到人們的生活，鞋柜作為服務人們生活的家具也在飛速發展[1]。人們對智能家居產品的購買力逐步上升，市場上的智能鞋柜產品越來越豐富多彩，熱門的智能鞋柜一般具有收納、消毒、除臭、殺菌、抽濕等功能，而集自動存取鞋、及時清潔護理于一體的智能鞋柜則較少[2-5]。以北方冬季下雪時鞋面鞋底掛滿雪這一情況為例，通常人們在門口跺腳不能將雪處理干凈，導致鞋面鞋底浸濕，該情況說明鞋子及時清潔具有一定的市場需求。而具有皮鞋護理功能的設計，能夠增加智能鞋柜多功能性，以便實現智能鞋柜產品經濟效益更大化。為此，在智能鞋柜能夠實現自動存取鞋功能的基礎上，本研究設計一種多功能鞋子清潔機，以便滿足鞋子及時清潔與護理兩大需求。

1 智能鞋柜多功能一體清潔機總體設計

智能鞋柜由存取鞋裝置、清潔機兩大部分組成，如圖1所示。清潔機可以放置在鞋柜里面，也可以獨立形式放置在鞋柜旁邊，可根據用戶需求進行相應放置，滿足鞋柜占用空間合理性。清潔機的傳動方式為傳送帶傳動和絲杠傳動，通過傳感器的感應自動識別是否已經有鞋停放在清潔機里，根據用戶需要，通過清潔、護理按鍵進行智能選擇，對鞋面鞋底進行全方位清潔。清潔機由鞋底清潔裝置、鞋面清潔裝置、皮鞋護理裝置、落塵收集裝置四個部分組成，如圖2所示。

圖1 智能鞋柜

圖2 清潔機

2 清潔機裝置設計

2.1 鞋子清潔功能

鞋子的清潔功能包括鞋底清潔與鞋面清潔，使用兩個裝置達到清潔目的，分為鞋底清潔裝置和鞋面清潔裝置。鞋底清潔裝置主要包含X軸方向上的同步傳送帶實現鞋底清潔功能，傳送帶上附著的硬毛刷，以及在固定支撐座上安裝的一個溫度傳感器，如圖3所示。當人將腳放置在傳送帶后，傳感器檢測到信號，程序啟動傳送帶同步轉動，傳送帶轉動帶動其表面的毛刷同步運動，毛刷與鞋底接觸，這樣就實現了鞋底的清潔。考慮到傳送帶使用疲勞后，會使清潔效率變低，于是在其底部設有一處可自動調節的張緊輪。當達到疲勞后，可以將旋鈕轉動90°，然后調節至合適的緊度，再將旋鈕轉至水平位置即可調節完成。

圖3 鞋底清潔裝置

鞋面清潔裝置主要包含三個滾動毛刷、驅動毛刷轉動的電機（以下簡稱電機1）、帶有25°傾角的導軌、以及負責沿X軸移動的傳動絲杠和驅動絲杠轉動的電機（以下簡稱電機2），如圖4所示。當程序啟動后，電機1開始轉動通過兩個正齒輪帶動最中間的滾動毛刷轉動，中間的滾動毛刷與兩個側面滾動毛刷則通過夾角為60°的錐齒輪傳動，滾動毛刷貼合鞋面轉動，實現了固定鞋面的清潔。而實現鞋面的全方位的清潔需要用到導軌和絲杠，電動機2轉動后，因為導軌帶有傾角，在絲杠的帶動下，滾動毛刷會逐步地往下移動，滾動毛刷就會一直貼著鞋面轉動，達到覆蓋鞋面的清潔目的。

圖4 鞋面清潔裝置

2.2 鞋子保養與后續運行

這一部分主要負責皮鞋保養與鞋子清潔后的落塵處理。包含兩個裝置，分別為皮鞋保養裝置與落塵收集裝置。皮鞋保養裝置由噴油器、電動泵、油管和油壺組成，皮鞋保養裝置是依托在鞋面清潔裝置之上。油壺在導軌上推動裝置的下表面，油管順著滾動毛刷支撐座延伸到滾動毛刷上面，懸空在與滾動毛刷相距不遠處，每個滾動毛刷上的油管接有兩個噴油器[6]。程序啟動后，電動泵開始工作，使油壺中的鞋油順著油管通過噴油器落在滾動毛刷上，毛刷開始滾動，鞋油一并刷在了皮鞋上，進行擦鞋油工作，實現皮鞋保養作用。落塵收集裝置主要由一個長條形的吸塵器和導塵管組成，當灰塵被滾動毛刷處理后，會慢慢向底板落去，在落到底部之前，吸塵器內部的電機高速旋轉將灰塵沿著導塵管吸入內部儲塵袋儲藏起來。當其灰塵儲存收集至飽滿狀態，吸塵器內的感應器反饋至主程序，然后蜂鳴器開始報警，提醒人們將內部儲物袋拿出來清理。

2.3 電動機以及毛刷的選擇

選用符合裝置要求規格的電動機是提高裝置的可靠性與經濟效益的重要因素。在選擇電動機前，同步傳送帶與工作物的總質量m=10 kg，滑輪直徑D=24 mm，滑輪材質為鋁，滑輪質量mp=0.25 kg，滑輪效率η=0.9。在慣性的計算中，滑輪的負載慣性、工作物與皮帶的負載慣性分別為：

在所需轉矩的計算中，負載轉矩、加速轉矩分別為：

所需扭矩T=TL+Tα=0.38 N·m。

以上述的計算結果為條件，選擇滿足條件的品名為ZAM46AC-HP9F-C+CC010VZF步進電機為同步傳送帶的驅動電機。

毛刷使用的地方不同，毛刷的材質也不盡相同[7]。清潔鞋底時，因為鞋底灰塵較多，且鞋底質地

較硬，不用擔心毛刷將其刷壞，故在同步傳送帶上的毛刷一般選用磨料尼龍。磨料尼龍是以尼龍6或尼龍612為刷絲的原料加入碳化硅（SIC）或氧化鋁（Al2O3）磨料顆粒后的合成絲，也稱磨料絲或研磨絲，其制成的毛刷成品具有耐磨的特性，可以增加鞋底清潔裝置的使用壽命[8-9]。而清潔鞋面時，鞋面一般為布料，此時的毛刷宜選用普通的尼龍6，其價格在尼龍系列中優廉，質地柔軟，還具有恢復性、耐溫性與耐磨性。

3 運動原理分析

智能鞋柜清潔機的智能控制由一個控制面板和一個電源組成，通過計算機上的編程軟件將程序編寫完畢后導入控制面板中，當機構與程序相結合，這個清潔機構就孕育而生了。

當人穿著鞋將腳放到傳送帶上時，溫度傳感器感應到人后，反饋到主程序，整個系統開始工作。同步傳送帶開始工作，驅動電機快速轉動帶動傳送帶表面的毛刷沿X軸方向運動，鞋子底部的灰塵被毛刷掃下，同步傳送帶工作的同時，鞋面清潔裝置也會同時啟動，電動機1工作使處于最中間的滾動毛刷轉動，兩邊的滾動毛刷通過錐齒輪與最中間的滾動毛刷實現聯動，三個滾動毛刷開始清理鞋面灰塵。電動機2工作，在正齒輪的連接下帶動絲杠傳動，通過絲杠使三個滾動毛刷實現在X軸與Z軸的移動，電動機2正反旋轉兩次后，鞋底與鞋面的清潔裝置同時停止運行，但落塵收集裝置在與前兩者同步工作至停止工作后會延時15秒鐘后停止，這是為了保證從鞋子上清理的灰塵能夠充分地通過導塵管被吸入吸塵器的儲物袋中。當人們需要給皮鞋做保養、擦鞋油時，需另外選擇皮鞋保養功能，程序會在人結束選擇時，命令清潔機構在清灰完畢后，鞋面清潔裝置再次啟動，但此時皮鞋保養裝置會啟動，電動泵會將油壺中的鞋油泵出，順著油管末端的噴油器落在滾動毛刷上，滾動毛刷轉動的同時，鞋油便被均勻地刷在了皮鞋上，依舊往復工作兩次后，兩個裝置停止工作[10-13]。

4 結語

綜上所述，多功能一體清潔機放置在鞋柜中，或者放置在鞋柜旁邊，達到空間利用合理、一柜多用的使用效果，能夠滿足智能家居時代人們對鞋子及時清潔的需求，更加智能化及人性化。清潔機利用鞋底清潔裝置、鞋面清潔裝置、皮鞋護理裝置、落塵收集裝置的分工與協同共同完成清掃、護理、收集一體化處理工作，提升了智能鞋柜產品競爭力，減少了人工勞動量，滿足了用戶對智能家居產品的需求。智能鞋柜多功能一體清潔機設計具有一定的開發前景，對于智能鞋柜未來的發展具有較好的參考價值。