多功能一体化智能鞋柜创新设计*

李 凯，孙亮波，姚嘉伟，吴广卓，陈望成

(武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048)

0 引 言

随着互联网技术的不断发展，智能家居也进入了快速发展期。2019年第一季度销售量显示智能家居市场出货量高达2 989万台，同比增长26.3%[1]。本团队针对现有家用鞋柜功能单一、智能化程度有限、空间利用率低等问题，创新设计并制作了一款多功能智能储鞋设备“ShoesArk”智能鞋柜”。对4×4×4的鞋柜模型进行分析，该鞋柜由储存功能，护理功能,杀菌功能和烘干功能组成。基于“凹”形回环轨道，用电机实现鞋的循环存储；护理；杀菌。“ShoesArk”鞋柜具有存储量大、护理全面、杀菌除味的特点。

1 智能鞋柜设计思路

该鞋柜运用模块化的设计理念[2]，实现了清洁护理、消毒杀菌、烘干除臭等多种功能。设计了“凹”形回环轨道，电机通过传送带运载载鞋板，延轨道实现鞋的输送、存储功能，突破鞋柜存储高度限制；创新设计并联分流的曲柄滑块机构，实现对鞋三个方位的夹持定位；创新设计拟合脚部的的四杆撑鞋机构，该四杆机构沿鞋口伸入,使前端软杆上的弹簧受压收缩,软杆上的撑鞋片将鞋面撑起；固定在滚筒上的毛刷对鞋面进行清洁整理。同时鞋柜可通过紫外线灯和高温(适当)杀菌的方式有效消毒、杀菌、除臭。使鞋柜保持干净清爽“ShoesArk”智能鞋柜与手机APP互联，用户可远程操控系统，进行存取以及保养等控制[3]。该智能鞋柜具有空间利用率高、清洁、护理、消毒一体化、智能化控制等特点。其三维设计如图1所示。

图1 “ShoesArk”智能机构模型图

2 功能设计

2.1 总体结构

项目团队针对家庭玄关处，创新设计了一款基于“凹”形回环式轨道的模块化智能储鞋设备“ShoesArk”智能鞋柜，该鞋柜主要由进出模块、循环模块、护理模块和杀菌模块组成，其模型如图2。

图2 整体模型图1.进出模块 2.循环模块/载鞋板 3.循环模块/(后)轨道 4.循环模块/(前)轨道 5.护理模块/夹鞋机构 6.显示屏 7.护理模块/撑鞋机构 8.护理模块/刷鞋机构 9.消毒模块

2.2 存储功能设计

存储功能依靠进出模块和循环模块协同运作实现[4]，其机构图如图3所示。设备的内部循环模块将空的载鞋板，延“凹”形回环轨道上的同步带及其带轮组运至进出模块，循环往复，实现的存放功能；进出模块中的红外传感器可以感应用户的靠近，并且将反馈信息传递给电磁阀[5]，此时电磁阀弹出，与载鞋板扣连，步进电机输出的动力传递到电磁阀，电磁阀沿滑轨将载鞋板推出，即实现鞋的取用。当电磁阀沿滑轨将载鞋板收回时，载鞋板在单片机的指令下，通过循环模块中的“凹”形导轨上面的同步带及其轮组循环移动，将鞋运至进出模块处，即实现鞋柜的存储。

图3 存储机构图1.进出机构 2.载鞋板 3.(同步带)主电机 4.“凹”形导轨 5.同步带轮 6.同步带 7.同步带导向轨

2.3 进出模块设计

“ShoesArk”智能鞋柜的进出模块位于鞋柜的下方，其机构图如图4。单片机优先筛选空的载鞋板(最近)，延轨道移至进出模块。红外传感器感应人的靠近，将反馈信息传递给电磁阀，电磁阀弹出，与载鞋板相扣，步进电机输出的动力传递到电磁阀，电磁阀沿滑轨将载鞋板推出，实现鞋的取用[6]；当电磁阀沿滑轨将载鞋板收回时，实现鞋的存储。当红外传感器1感应到有人回家时，反馈信息控制电磁阀3弹出，与载鞋板5扣连，步进电机4正转，使电磁阀3延滑轨2将载鞋板推出；当人离开，红外传感器1反馈信息，步进电机4反转，收回载鞋板，电磁阀3复位。循环往复，完成鞋的存储与取用。

图4 进出模块机构图1.红外传感器 2.滑轨 3.电磁阀 4.步进电机 5.载鞋板

2.4 循环模块设计

循环模块基于“凹”形回环轨道进行循环往复运转，其原理图如图4所示。机当电磁阀沿滑轨将载鞋板收回时，载鞋板在单片机的指令下，通过循环模块中的“凹”形导轨上面的同步带及其轮组循环移动，将鞋运至进出模块处，即实现鞋柜的存储。

当进出模块存鞋完成，单设备根据用户所选命令，延“凹”形导轨2控制载鞋板1进行循环移动[7]。当载鞋板1完成命令后，单片控制离进出模块最近的空鞋板，运至进出模块处；当用户需要取鞋时，在手机app上选择目标鞋，鞋柜即可将目标鞋移至进出模块[8]。

2.5 护理功能设计

护理模块用于帮助不同鞋码用户清洗不同类鞋面的灰尘以及杀菌除臭，由夹鞋机构、撑鞋机构、刷鞋机构和消毒模块组成[9]。四个机构协同工作，可对不同大小的鞋码进行清理。利用并联分流的曲柄滑块机构对鞋三个方位的夹持定位[10]；四杆撑鞋机构拟合脚部进入鞋中轨迹，延鞋口进入支撑鞋面，通过滚筒毛刷对鞋面进行清洁整理；利用紫外线灯和(适当)高温杀菌的方式，可有效消毒、杀菌、除臭，使鞋柜保持干净清爽。

2.6 夹鞋过程设计

夹鞋机构用于将载鞋板上的鞋摆至对应的位置，以便于清理机构对相应的鞋进行清理[11]，其原理图如图5。当需要清理鞋时，目标载鞋板移至夹鞋模块，在步进电机的控制下，齿条移动适当高度，步进电机正转，使曲柄杆组收拢并将鞋推至指定位置[12]，即实现夹鞋过程。

图5 夹鞋机构原理图1.载鞋板 2.推鞋板 3.滑轨 4.齿条 5.(行程)步进电机 6.(杆组)步进电机 7.(杆组)旋转枢纽 8.曲柄杆组

在夹鞋机构非工作状态(用户未选择清理鞋)，其机构整体位于鞋柜(模型)顶层上方，便于循环模块的正常运行，如图6(a)；在夹鞋机构工作状态(用户选择清理鞋)，当目标载鞋板运至夹鞋模块，步进电机5控制机构延齿条4向下移动至适当高度，步进电机6正转，使曲柄杆组收拢，将鞋推至指定位置[13]，如图6(b)。

图6 夹鞋流程图

2.7 清理功能设计

清理功能的实现由撑鞋机构、刷鞋机构协同完成，撑鞋机构将鞋面撑起[14]，刷鞋机构在鞋面进行清理，其原理图如图7。

图7 撑鞋机构制鞋机构原理图1.载鞋板 2.(清理机构)舵机 3.(撑鞋机构)丝杆滑台1 4.电机 5.(撑鞋机构)丝杆滑台 6.(清理机构)滚筒毛刷

撑鞋机构利用并联分流的三个曲柄滑块机构对鞋三个方位的夹持定位；设计四杆机构拟合脚部进入鞋中轨迹的撑鞋机构，支撑鞋面；刷鞋机构里面的毛刷对鞋面进行清洁整理，并且通过紫外线灯和高温(适当)杀菌的方式，可有效消毒、杀菌、除臭[15]。在撑鞋机构、刷鞋机构协同工作下，鞋柜能够保持干净清爽。

3 载鞋板校核理论设计计算

根据调研，取鞋的质量为800 g，鞋板重20 g，滑轨中1 kg，支撑铝板重40 g，螺栓组结构设计：螺栓数z=4，螺栓为内六角螺栓，公称直径为4 mm，对称布置。

为了便于计算，由于滑轨和鞋板，支撑铝板重量均匀分布，视为加了外部载荷，如图8。

图8 附加外部载荷图

(1)

同时由于鞋的质量分布不均匀，取鞋的质心位置为(160,20)。

(2)

将两载荷合成得总作用力和力矩：

F=F1+F2=9.3 N

M=0.2 N·m

取F0=10 N,m0=0.2 N·m,如图9进行计算。

图9 总作用力力矩图

4 螺栓组校核

4.1 螺栓校核

(1)在总载荷F∑的作用下，螺栓组连接承受以下各力和倾覆力矩的作用：

轴向力(F∑的水平分力，F∑h作用于螺栓组中心，水平向右)：

F∑h=F∑hsinα=0

(3)

横向力(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)

倾覆力矩(顺时针方向)：

M=m0+F∑v×0.13=1.5 N·m

(5)

(2)在轴向力F∑h的作用下，各螺栓所受的工作拉力为Fα=0 N。

(3)在倾覆力矩M的作用下，上面两螺栓受到加载作用，而下面两螺栓受到减载作用，故上面的螺栓受力较大，所受的载荷按下式确定：

(6)

故上面的螺栓所受的轴向工作载荷为：

F=Fα+Fmax==2.25 N

(7)

(4)在横向力F∑v的作用下，底板连接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移的条件：

(8)

(9)

(10)

4.2 校核螺栓组连接接合面的工作能力

(1)连接接合面下端的挤压应力不超过许用值，以防止接合面压碎。

=5.962 8 MPa

(11)

查得[σ]=0.5σb=0.5×250 MPa=125 MPa≫5.962 8 MPa，故接合面下端受压最小处不至压碎。

(2)连接接合面上端应保持一定的残余预紧力，以防止托架受力时接合面间产生间隙，即：

=5.94 MPa>0

(12)

故接合面上端受压最小处不会产生间隙。

4.3 校核螺栓所需的预紧力是否合适

参考碳钢螺栓要求：

F0≤(0.6～0.7)σsA1

0.6σsA1=10.6×240×12.56=1 808.64 N

(13)

要求的预紧力F0=18.75 N，小于上值，故满足要求。故支撑板处连接符合强度要求。

5 结 论

项目团队设计的多功能一体化智能鞋柜已经实现了实物制作并且能够较好的完成设定动作，如图10所示。

图10 整体实物图

本作品适用于处理鞋子较多且杂乱的家庭环境，具有一定的整理能力，能够一定程度上帮助人们减轻家务负担，同时，课题组设计的多功能一体化智能鞋柜还具有以下特点：

(1)操作便捷。用户可自由选择在鞋柜面板上或手机上操作控制鞋柜功能，如图11所示。

(2)鞋子存储方式。使用了4×4 的模块化储存空间，可自由选择存储位置。

(3)“凹”形轨道设计。“凹”形回环轨道可以更加便捷的输送鞋子，提高鞋子的运输速度和效率。

(4)清洁消毒。本鞋柜可对存放的鞋子进行从外而内的清洁消毒和杀菌功能，使存放更加卫生安全。

(5)载荷校准。可以实现对大多数尺码鞋子的放置与撑开，并完成全部处理流程。