梁甜甜,王艷麗，桓耀邦,段佳明*,劉 通

(1.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.吉林省工業(yè)技師學(xué)院，吉林 吉林 132021)

隨著人口增加和土地資源緊張這一矛盾的加劇,小戶型住宅在解決人們居住需求方面一直發(fā)揮著重要作用[1].近年來(lái)，我國(guó)北上廣深等發(fā)達(dá)地區(qū)吸引了大量年輕人才的涌入，在帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)迅速崛起的同時(shí)，也拉高了當(dāng)?shù)氐姆績(jī)r(jià).然而，高房?jī)r(jià)也成為阻礙年輕人才繼續(xù)向發(fā)達(dá)城市邁進(jìn)的重要因素.在此形勢(shì)下，興起一類針對(duì)年輕人群需求的小戶型公寓，建筑面積在30～50 m2之間，以一室一衛(wèi)結(jié)構(gòu)為主.面積在20 m2左右的一室承擔(dān)了傳統(tǒng)住房中客廳、臥室、餐廳和書房的多個(gè)角色，如何合理的利用此空間，成小戶型公寓居住舒適度的關(guān)鍵所在[2].為解決小面積與多功能之間的矛盾，研究人員們?cè)O(shè)計(jì)了多種可變形的擴(kuò)容家具[2-4].目前，可變形的擴(kuò)容家具多以手動(dòng)變形的中小型家具為主，移動(dòng)和變形也受到人的身高和力量等因素限制.針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)小戶型公寓使用的大型智能擴(kuò)容家具，由Arduino單片機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)家具的移動(dòng)和變形.實(shí)現(xiàn)了空間的大幅度轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可變形家具的智能化.

1 小戶型公寓的建筑布局

近年來(lái)所流行的小戶型公寓建筑面積大多在30～50 m2之間，多為一室一衛(wèi)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.除衛(wèi)生間區(qū)域和廚房區(qū)域外，只有一個(gè)面積相對(duì)較大的多功能廳，用于日常活動(dòng)和休息.此處區(qū)域需要兼顧客廳、臥室、餐廳和書房等多個(gè)用途，面積常在20 m2左右.本研究所設(shè)計(jì)的智能家具，就是針對(duì)多功能廳的區(qū)域使用，通過(guò)智能家具的移動(dòng)和變形，使得多功能廳在客廳、臥室、餐廳和書房等多個(gè)角色之間進(jìn)行切換，提高空間的利用率.

圖1 小戶型公寓常見(jiàn)布局和智能擴(kuò)容家具的整體方案

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體空間規(guī)劃方案設(shè)計(jì)

本研究的整體方案如圖1所示，智能家具主要針對(duì)小戶型公寓的多功能區(qū)使用.圖中4為智能家具主體，以可移動(dòng)式墻體柜的形式被放置在多功能區(qū)中，其內(nèi)部安裝有隱藏式的沙發(fā)、書桌、書架和臺(tái)式電腦等結(jié)構(gòu)，所有結(jié)構(gòu)均由智能家具控制器進(jìn)行整體控制.墻體柜可沿著滑軌在房間中左右移動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)左右空間的切換.當(dāng)墻體柜移動(dòng)至房間左側(cè)時(shí)，多功能區(qū)變?yōu)榭蛷d+臥室模塊.隱藏在墻體柜一側(cè)的沙發(fā)沿著滑軌滑下并折疊，墻面安裝的電視露出，多功能區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛷d模塊.客廳模塊和臥室模塊之間的切換可通過(guò)隱藏式沙發(fā)的繼續(xù)下滑來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，沙發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榇?當(dāng)墻體柜移動(dòng)至房間右側(cè)時(shí)，多功能區(qū)變?yōu)椴蛷d+書房模塊，模塊內(nèi)設(shè)有自動(dòng)升降折疊的桌椅，可作為大型餐桌使用.用餐結(jié)束后，可將此區(qū)域切換成書房模塊，此時(shí)，折疊在墻體柜內(nèi)部的電腦顯示器翻轉(zhuǎn)至桌面，墻體柜上設(shè)有內(nèi)嵌的書架，內(nèi)部可儲(chǔ)存電腦的鼠標(biāo)、鍵盤和其他辦公用品，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施較全的書房功能.

利用靈活移動(dòng)的墻體柜代替了傳統(tǒng)房間布局中的隔斷墻，既實(shí)現(xiàn)了房間內(nèi)區(qū)域的清晰劃分，又可通過(guò)墻體柜的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)房間功能的轉(zhuǎn)變，將有限的空間根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行轉(zhuǎn)化，極大地提升了空間利用率.

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖2所示，墻體柜的移動(dòng)單元由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、兩組滑輪和兩條滑軌構(gòu)成，兩條滑軌分別安裝墻壁兩側(cè)，滑軌只起到承重和導(dǎo)向的作用.驅(qū)動(dòng)裝置在墻體柜的頂部中央位置，由一臺(tái)大扭矩的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)4010規(guī)格滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)墻體柜整體的左右移動(dòng).將滑軌安置于墻壁頂端，可有效地避免地面的生活雜物對(duì)墻體柜的移動(dòng)造成影響，但同時(shí)也使滑軌承受了較大的載荷.

圖2 墻體柜移動(dòng)裝置

為確?；壍目煽啃裕ㄟ^(guò)CATIA軟件的分析模塊對(duì)滑軌的受力進(jìn)行了靜力學(xué)仿真[5]，墻體柜整體自重為526 kg，加上墻體柜上放置的生活用品，總載荷設(shè)定為600 kg，單只滑軌承重300 kg.分析時(shí)忽略地面對(duì)墻體柜重量的支撐，即將墻體柜重量全部施加在滑軌上.分析結(jié)果如圖3所示，滑軌所受的最大應(yīng)力為15.3 MPa遠(yuǎn)低于滑軌材料的屈服極限295 MPa.圖4為滑軌的垂直方向應(yīng)變分析結(jié)果，在墻體柜全部重量都由滑軌承受的情況下，滑軌最大變形量?jī)H為0.044 mm，不會(huì)影響中間滾珠絲杠的傳動(dòng).

圖3 滑軌靜力學(xué)仿真分析結(jié)果

圖4 滑軌的變形仿真分析結(jié)果

此外，墻體柜底部還安裝了輔助承重的輪組，輪組上安裝了由彈簧支撐的柔性懸掛系統(tǒng).既起到了輔助承重的作用，又避免了小型生活雜物對(duì)墻體柜移動(dòng)造成的影響.

墻體柜水平移動(dòng)的速度可由公式(1)計(jì)算[6]：

v=n×I

(1)

式(1)中：n為步進(jìn)電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，I為滾珠絲杠的導(dǎo)程為10 mm/r,

經(jīng)計(jì)算墻體柜的水平移動(dòng)速度v=10 000 mm/min，即10 m/min，可在30 s內(nèi)完成整個(gè)行程的移動(dòng)，既可確保墻體柜能在較短的時(shí)間內(nèi)完成空間切換，又能保證移動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)安全.

隱藏式沙發(fā)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示，它嵌于墻體柜內(nèi)，其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、同步帶以及兩根滾珠絲杠構(gòu)成，沙發(fā)靠背和沙發(fā)主體之間裝有活動(dòng)關(guān)節(jié)，可進(jìn)行翻折.兩根絲杠的滑塊分別安裝在沙發(fā)靠背的兩側(cè)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和同步帶同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩根絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)兩側(cè)的滑塊和沙發(fā)的靠背共同上下運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換.驅(qū)動(dòng)沙發(fā)靠背的上升時(shí)，沙發(fā)主體隨之上升，并在重力作用下自由向下翻折，直至與地面相垂直，實(shí)現(xiàn)沙發(fā)的隱藏.當(dāng)驅(qū)動(dòng)沙發(fā)靠背下降時(shí)，靠背沿著引導(dǎo)軌道向上翻折，直至與地面平行.此時(shí)，沙發(fā)主體和靠背組合成床，實(shí)現(xiàn)由客廳模式向臥室模式的轉(zhuǎn)換.

圖5 隱藏式沙發(fā)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

沙發(fā)床運(yùn)用同步帶傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比[7]，由于皮帶是柔性傳動(dòng)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)也可以起到一定的保護(hù)作用.通過(guò)絲杠傳動(dòng)可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，它具有精度高、摩擦阻力小、效率高和可逆性等特點(diǎn)[8-9].

經(jīng)過(guò)CATIA軟件計(jì)算，沙發(fā)床自重為102 kg，經(jīng)滾珠絲杠傳動(dòng)后，步進(jìn)電機(jī)所需的保持扭矩可由公式(2)計(jì)算：

(2)

式(2)中：F為軸向負(fù)載，即沙發(fā)，最大重力為999.6 N；I為滾珠絲杠的導(dǎo)程為10 mm/r；n為滾珠絲杠的正效率0.94.

計(jì)算結(jié)果所需電機(jī)保持扭矩T為1.69 N·m，設(shè)計(jì)中選用的57BYG100步進(jìn)電機(jī),其保持扭矩為3.1 N·m，能夠確保沙發(fā)床升降機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行.

書房+餐廳模塊的結(jié)構(gòu)如圖6所示，該模塊主要是由墻體柜內(nèi)嵌的桌椅以及電腦顯示器組成.桌子和椅子的旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)桌子兩側(cè)的絲杠進(jìn)行連接，并由步進(jìn)電機(jī)和同步帶同時(shí)驅(qū)動(dòng)其進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，控制桌椅同時(shí)上下翻折，來(lái)實(shí)現(xiàn)桌椅的展開(kāi)和隱藏.同時(shí)固聯(lián)軸處安有阻尼裝置，保證桌子平穩(wěn)下滑.電腦顯示器閑置時(shí)隱藏于墻體柜內(nèi)，使用時(shí)可通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)其翻轉(zhuǎn)展開(kāi)，也可通過(guò)手動(dòng)翻折活動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)進(jìn)行快捷的調(diào)整.

圖6 書房、餐廳模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3 智能控制系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)主要是由Arduino系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家具各部分的運(yùn)動(dòng).主控板設(shè)置有紅外、藍(lán)牙和WiFi3種接口，用戶可通過(guò)這些接口與外部設(shè)備(紅外遙控器或者手機(jī)APP)連接來(lái)對(duì)智能家具進(jìn)行整體控制.考慮到使用安全性，在墻體柜內(nèi)裝有紅外測(cè)距傳感器(夏普紅外測(cè)距傳感器 GP2Y0A710K0F，測(cè)量距離1 000～5 500 mm)并連接Arduino系統(tǒng).墻體柜水平移動(dòng)時(shí)，紅外傳感器自動(dòng)打開(kāi)，Arduino主控單元通過(guò)紅外傳感器反饋的信號(hào)判斷障礙物是否存在及大概位置[10]，控制步進(jìn)電機(jī)做出避障應(yīng)答，使墻體柜立即停止移動(dòng)，防止機(jī)械傷人，保證用戶的安全.有關(guān)此項(xiàng)目控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將在另一篇報(bào)道中進(jìn)行詳細(xì)介紹.

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一款小戶型公寓使用的可變形智能擴(kuò)容家具，提出了小戶型公寓提升空間利用率的新方案，也實(shí)現(xiàn)了可變形家具的智能化；對(duì)智能家具主體的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，確定了智能家具主體的水平移動(dòng)速度10 m/min，確保家具可在30 s內(nèi)完成空間切換，又保證了運(yùn)行的穩(wěn)定性；對(duì)智能家具的主要的承載滑軌進(jìn)行了靜力學(xué)仿真，確保了方案的安全性和可靠性.