一款智能储物床的设计

苗蓬勃，刘 瑛，李国明

(杭州职业技术学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

当前居家生活中，人们通常购买使用箱式床，箱式床下方箱体内可用来储物，这类床储物时需要把床品、床垫和床板都抬起，然后放置和拿取物品，费事费力，尤其在人口老龄化大背景下，老年人想要在床下储物，需弓身搬抬、弯腰下蹲等较大幅度动作，可操作性不佳，往往伴随着身体损伤等风险因素[1]。

基于上述目前箱式床储物存在的不足之处，设计了一款智能储物床，该智能储物床可以有效协助人们轻松实现床下储物，使用者只需在床边触控按钮，床下的独立储物盒即可自动移出，置物取物完毕，独立储物盒可自动回到原位。

1 总体结构设计

为实现目标功能，智能储物床箱体内包含PLC控制系统，总体传动框架，舵机推杆机构，电磁吸附装置，独立储物盒等部分，总体方案如图1所示。

图1 智能储物床整体方案图1.床体 2.整体传动框架 3.舵机推杆装置 4.独立储物盒

采用同步带滑台模组直线传动机构为总体传动框架，电机控制同步带滑台模组中的滑块，滑块上装有舵机推杆装置，可随滑块移动到目标独立储物盒正后方，再由电磁铁吸附独立储物盒移出移进，独立储物盒下方安装万向轮。该传动方案结构清晰，运行顺滑，高速静音，安装方便。

1.1 床体结构

床体结构以一般箱式储物床为基础，增设控制元件存放平台和控制面板，应用180°任意停合页，使一侧床板可180°任意翻转停止。使用时手动翻转侧门板4，然后操作控制面板1进行全程控制，使用完毕翻转侧门板闭合即可，床体结构如图2所示。

图2 床体结构图1.控制面板 2.控制元件存放平台 3.合页 4.可翻转侧门板

1.2 整体传动框架

智能储物床采用同步带滑台模组直线传动机构作为整体传动框架，如图3所示，同步带滑台模组上的步进电机带动滑块做往复水平运动，也就是通过步进电机的动力输出来带动末端执行器在同步带滑台模组的导轨上做水平往复运动[2]。该模组安装灵活便捷，配有两个步进电机，封闭式滑块能够有效防尘，模组的滑块和导轨零间隙配合，该机构运行顺滑流畅静音，可实现滑块XY坐标方向滑块的定位。

图3 整体传动框架1.电机 2.滑块 3.同步带 4.机架

1.3 舵机推杆装置

舵机主要是由外壳、电路板、数据存储器、中央控制器、无核心马达、齿轮、数据存储器与位置检测器所构成。其工作原理是将控制程序传送到舵机调节单元，判断转动方向，再驱动无核心马达转动，通过减速齿轮及连杆将动力传至摆臂，实现摆臂的转动[3]。

智能储物床中独立储物盒的运动由舵机推杆机构推动实现。如图4所示，在同步带滑台模组的滑块上安装支架，支架上安装两个舵机，舵机输出端连接有推杆。滑块移动定位到独立储物盒的正后上方位置后，舵机驱动推杆由水平位置各向下转动90°到独立储物盒后侧停止转动，推杆上装有的电磁铁通电，吸牢储物盒，滑块移动从而带动舵机推杆装置推动独立储物盒移动。

图4 舵机推杆装置1.支架 2.舵机 3.推杆 4.电磁铁

1.4 独立储物盒

每个独立储物盒下方装有四个万向滚珠，推杆在承受较小推力下，可将储物盒顺利移进移出，降低能耗。独立储物盒上方可另配封闭盒盖，正后面安装有磁性金属钢板。独立储物盒的结构设计如图5所示。

图5 独立储物盒结构图1.盒体 2.万向滚珠 3.磁性金属板 4.连接螺栓

2 控制系统的设计

2.1 基于PLC的控制系统

PLC的应用已经成为现代设备的象征，是现代工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。PLC 具有稳定、可靠和实时处理能力强的优点。PLC 利用最基本的逻辑运算、定时、计数等功能进行逻辑控制，可以取代传统的继电器控制系统，广泛应用于机器人、机电系统和航模的输出执行机构。本控制系统利用三菱PLC 对步进电机、舵机、电磁铁实现总体控制目标[4]，用于控制独立储物盒的移动和停止，系统方案图如图6所示。

图6 控制系统方案示意图

2.2 工作流程

(1) 翻转一侧门板，可见触控面板，触控面板上的控制按钮，可使目标号码的储物盒移出和复位。

(2) 1～9号独立储物盒的移出方案如图7所示。各储物盒的复位按移出轨迹原路返回。

图7 储物盒移动方案示意图

(3) 滑块移动时，两推杆转动至水平0°位置，移动到独立储物盒后方位置，舵机带动推杆各向下旋转90°，推杆处于竖直位置，电磁铁通电，吸附推拉储物盒，如图8、9所示。

图8 舵机推杆机构0°位置 图9 舵机推杆机构90°位置

3 智能储物床运动方案实物模型

根据上述设计方案，搭建了智能储物床的运动方案实物模型(不含床体部分)，图10中以一个储物盒为例，通过PLC程序控制，能够实现图7中的各储物盒运动轨迹。图11中的舵机推杆机构，能够实现定点移动、转动和推拉储物盒的功能。通过实物模型的模拟控制操作，进一步实现了该智能储物床的设计目标和效果。

图10 总体实物模型图 图11 舵机推杆装置 实物模型图

床下储物盒可实现自动移出移回，为老人及行动不便人士在床下储物带来了轻松与便利，可有效减轻他们的难处与负担，增加储物多样化合理化。同时，因操作不便，人们往往床下储物会长期堆放不动，甚至出现发潮发霉的现象，该便捷化的智能储物床可随时操作，对解决上述问题大有裨益。

该设计及所建模型基于1.8 m×2.0 m床体，对于家居订制多样化的今天，该智能储物床更显优势，可根据不同床体大小，组建相应尺寸的传动机构、匹配相应数量的储物盒、更改不同方向的储物盒进出口等，为不同用户需求提供多样方案，为智能家居订制行业提供新的产品方向。

4 结 语

为了能有效帮助老人及行动不便人士优化床下储物的问题，设计了智能储物床，该智能储物床以同步带滑台模组为床下箱体内基础传动框架，滑块带动舵机推杆装置，应用PLC技术进行系统控制,实现独立储物盒的自动移动，使床下储物方便轻松省力。

该智能储物床能够根据使用者的不同房间尺寸和不同床体规格进行个性化订制，可配合床品家居企业满足用户可定制化的使用需求[5]，市场应用前景广泛。