多功能一體化智能鞋柜創新設計*

李 凱，孫亮波，姚嘉偉，吳廣卓，陳望成

(武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048)

0 引 言

隨著互聯網技術的不斷發展，智能家居也進入了快速發展期。2019年第一季度銷售量顯示智能家居市場出貨量高達2 989萬臺，同比增長26.3%[1]。本團隊針對現有家用鞋柜功能單一、智能化程度有限、空間利用率低等問題，創新設計并制作了一款多功能智能儲鞋設備“ShoesArk”智能鞋柜”。對4×4×4的鞋柜模型進行分析，該鞋柜由儲存功能，護理功能,殺菌功能和烘干功能組成。基于“凹”形回環軌道，用電機實現鞋的循環存儲；護理；殺菌。“ShoesArk”鞋柜具有存儲量大、護理全面、殺菌除味的特點。

1 智能鞋柜設計思路

該鞋柜運用模塊化的設計理念[2]，實現了清潔護理、消毒殺菌、烘干除臭等多種功能。設計了“凹”形回環軌道，電機通過傳送帶運載載鞋板，延軌道實現鞋的輸送、存儲功能，突破鞋柜存儲高度限制；創新設計并聯分流的曲柄滑塊機構，實現對鞋三個方位的夾持定位；創新設計擬合腳部的的四桿撐鞋機構，該四桿機構沿鞋口伸入,使前端軟桿上的彈簧受壓收縮,軟桿上的撐鞋片將鞋面撐起；固定在滾筒上的毛刷對鞋面進行清潔整理。同時鞋柜可通過紫外線燈和高溫(適當)殺菌的方式有效消毒、殺菌、除臭。使鞋柜保持干凈清爽“ShoesArk”智能鞋柜與手機APP互聯，用戶可遠程操控系統，進行存取以及保養等控制[3]。該智能鞋柜具有空間利用率高、清潔、護理、消毒一體化、智能化控制等特點。其三維設計如圖1所示。

圖1 “ShoesArk”智能機構模型圖

2 功能設計

2.1 總體結構

項目團隊針對家庭玄關處，創新設計了一款基于“凹”形回環式軌道的模塊化智能儲鞋設備“ShoesArk”智能鞋柜，該鞋柜主要由進出模塊、循環模塊、護理模塊和殺菌模塊組成，其模型如圖2。

圖2 整體模型圖1.進出模塊 2.循環模塊/載鞋板 3.循環模塊/(后)軌道 4.循環模塊/(前)軌道 5.護理模塊/夾鞋機構 6.顯示屏 7.護理模塊/撐鞋機構 8.護理模塊/刷鞋機構 9.消毒模塊

2.2 存儲功能設計

存儲功能依靠進出模塊和循環模塊協同運作實現[4]，其機構圖如圖3所示。設備的內部循環模塊將空的載鞋板，延“凹”形回環軌道上的同步帶及其帶輪組運至進出模塊，循環往復，實現的存放功能；進出模塊中的紅外傳感器可以感應用戶的靠近，并且將反饋信息傳遞給電磁閥[5]，此時電磁閥彈出，與載鞋板扣連，步進電機輸出的動力傳遞到電磁閥，電磁閥沿滑軌將載鞋板推出，即實現鞋的取用。當電磁閥沿滑軌將載鞋板收回時，載鞋板在單片機的指令下，通過循環模塊中的“凹”形導軌上面的同步帶及其輪組循環移動，將鞋運至進出模塊處，即實現鞋柜的存儲。

圖3 存儲機構圖1.進出機構 2.載鞋板 3.(同步帶)主電機 4.“凹”形導軌 5.同步帶輪 6.同步帶 7.同步帶導向軌

2.3 進出模塊設計

“ShoesArk”智能鞋柜的進出模塊位于鞋柜的下方，其機構圖如圖4。單片機優先篩選空的載鞋板(最近)，延軌道移至進出模塊。紅外傳感器感應人的靠近，將反饋信息傳遞給電磁閥，電磁閥彈出，與載鞋板相扣，步進電機輸出的動力傳遞到電磁閥，電磁閥沿滑軌將載鞋板推出，實現鞋的取用[6]；當電磁閥沿滑軌將載鞋板收回時，實現鞋的存儲。當紅外傳感器1感應到有人回家時，反饋信息控制電磁閥3彈出，與載鞋板5扣連，步進電機4正轉，使電磁閥3延滑軌2將載鞋板推出；當人離開，紅外傳感器1反饋信息，步進電機4反轉，收回載鞋板，電磁閥3復位。循環往復，完成鞋的存儲與取用。

圖4 進出模塊機構圖1.紅外傳感器 2.滑軌 3.電磁閥 4.步進電機 5.載鞋板

2.4 循環模塊設計

循環模塊基于“凹”形回環軌道進行循環往復運轉，其原理圖如圖4所示。機當電磁閥沿滑軌將載鞋板收回時，載鞋板在單片機的指令下，通過循環模塊中的“凹”形導軌上面的同步帶及其輪組循環移動，將鞋運至進出模塊處，即實現鞋柜的存儲。

當進出模塊存鞋完成，單設備根據用戶所選命令，延“凹”形導軌2控制載鞋板1進行循環移動[7]。當載鞋板1完成命令后，單片控制離進出模塊最近的空鞋板，運至進出模塊處；當用戶需要取鞋時，在手機app上選擇目標鞋，鞋柜即可將目標鞋移至進出模塊[8]。

2.5 護理功能設計

護理模塊用于幫助不同鞋碼用戶清洗不同類鞋面的灰塵以及殺菌除臭，由夾鞋機構、撐鞋機構、刷鞋機構和消毒模塊組成[9]。四個機構協同工作，可對不同大小的鞋碼進行清理。利用并聯分流的曲柄滑塊機構對鞋三個方位的夾持定位[10]；四桿撐鞋機構擬合腳部進入鞋中軌跡，延鞋口進入支撐鞋面，通過滾筒毛刷對鞋面進行清潔整理；利用紫外線燈和(適當)高溫殺菌的方式，可有效消毒、殺菌、除臭，使鞋柜保持干凈清爽。

2.6 夾鞋過程設計

夾鞋機構用于將載鞋板上的鞋擺至對應的位置，以便于清理機構對相應的鞋進行清理[11]，其原理圖如圖5。當需要清理鞋時，目標載鞋板移至夾鞋模塊，在步進電機的控制下，齒條移動適當高度，步進電機正轉，使曲柄桿組收攏并將鞋推至指定位置[12]，即實現夾鞋過程。

圖5 夾鞋機構原理圖1.載鞋板 2.推鞋板 3.滑軌 4.齒條 5.(行程)步進電機 6.(桿組)步進電機 7.(桿組)旋轉樞紐 8.曲柄桿組

在夾鞋機構非工作狀態(用戶未選擇清理鞋)，其機構整體位于鞋柜(模型)頂層上方，便于循環模塊的正常運行，如圖6(a)；在夾鞋機構工作狀態(用戶選擇清理鞋)，當目標載鞋板運至夾鞋模塊，步進電機5控制機構延齒條4向下移動至適當高度，步進電機6正轉，使曲柄桿組收攏，將鞋推至指定位置[13]，如圖6(b)。

圖6 夾鞋流程圖

2.7 清理功能設計

清理功能的實現由撐鞋機構、刷鞋機構協同完成，撐鞋機構將鞋面撐起[14]，刷鞋機構在鞋面進行清理，其原理圖如圖7。

圖7 撐鞋機構制鞋機構原理圖1.載鞋板 2.(清理機構)舵機 3.(撐鞋機構)絲桿滑臺1 4.電機 5.(撐鞋機構)絲桿滑臺 6.(清理機構)滾筒毛刷

撐鞋機構利用并聯分流的三個曲柄滑塊機構對鞋三個方位的夾持定位；設計四桿機構擬合腳部進入鞋中軌跡的撐鞋機構，支撐鞋面；刷鞋機構里面的毛刷對鞋面進行清潔整理，并且通過紫外線燈和高溫(適當)殺菌的方式，可有效消毒、殺菌、除臭[15]。在撐鞋機構、刷鞋機構協同工作下，鞋柜能夠保持干凈清爽。

3 載鞋板校核理論設計計算

根據調研，取鞋的質量為800 g，鞋板重20 g，滑軌中1 kg，支撐鋁板重40 g，螺栓組結構設計：螺栓數z=4，螺栓為內六角螺栓，公稱直徑為4 mm，對稱布置。

為了便于計算，由于滑軌和鞋板，支撐鋁板重量均勻分布，視為加了外部載荷，如圖8。

圖8 附加外部載荷圖

(1)

同時由于鞋的質量分布不均勻，取鞋的質心位置為(160,20)。

(2)

將兩載荷合成得總作用力和力矩：

F=F1+F2=9.3 N

M=0.2 N·m

取F0=10 N,m0=0.2 N·m,如圖9進行計算。

圖9 總作用力力矩圖

4 螺栓組校核

4.1 螺栓校核

(1)在總載荷F∑的作用下，螺栓組連接承受以下各力和傾覆力矩的作用：

軸向力(F∑的水平分力，F∑h作用于螺栓組中心，水平向右)：

F∑h=F∑hsinα=0

(3)

橫向力(F∑的垂直分力F∑v,作用于接合面，垂直向下)：

F∑v=F∑cosα=10 N

(4)

傾覆力矩(順時針方向)：

M=m0+F∑v×0.13=1.5 N·m

(5)

(2)在軸向力F∑h的作用下，各螺栓所受的工作拉力為Fα=0 N。

(3)在傾覆力矩M的作用下，上面兩螺栓受到加載作用，而下面兩螺栓受到減載作用，故上面的螺栓受力較大，所受的載荷按下式確定：

(6)

故上面的螺栓所受的軸向工作載荷為：

F=Fα+Fmax==2.25 N

(7)

(4)在橫向力F∑v的作用下，底板連接接合面可能產生滑移，根據底板接合面不滑移的條件：

(8)

(9)

(10)

4.2 校核螺栓組連接接合面的工作能力

(1)連接接合面下端的擠壓應力不超過許用值，以防止接合面壓碎。

=5.962 8 MPa

(11)

查得[σ]=0.5σb=0.5×250 MPa=125 MPa?5.962 8 MPa，故接合面下端受壓最小處不至壓碎。

(2)連接接合面上端應保持一定的殘余預緊力，以防止托架受力時接合面間產生間隙，即：

=5.94 MPa>0

(12)

故接合面上端受壓最小處不會產生間隙。

4.3 校核螺栓所需的預緊力是否合適

參考碳鋼螺栓要求：

F0≤(0.6～0.7)σsA1

0.6σsA1=10.6×240×12.56=1 808.64 N

(13)

要求的預緊力F0=18.75 N，小于上值，故滿足要求。故支撐板處連接符合強度要求。

5 結 論

項目團隊設計的多功能一體化智能鞋柜已經實現了實物制作并且能夠較好的完成設定動作，如圖10所示。

圖10 整體實物圖

本作品適用于處理鞋子較多且雜亂的家庭環境，具有一定的整理能力，能夠一定程度上幫助人們減輕家務負擔，同時，課題組設計的多功能一體化智能鞋柜還具有以下特點：

(1)操作便捷。用戶可自由選擇在鞋柜面板上或手機上操作控制鞋柜功能，如圖11所示。

(2)鞋子存儲方式。使用了4×4 的模塊化儲存空間，可自由選擇存儲位置。

(3)“凹”形軌道設計。“凹”形回環軌道可以更加便捷的輸送鞋子，提高鞋子的運輸速度和效率。

(4)清潔消毒。本鞋柜可對存放的鞋子進行從外而內的清潔消毒和殺菌功能，使存放更加衛生安全。

(5)載荷校準。可以實現對大多數尺碼鞋子的放置與撐開，并完成全部處理流程。