苗蓬勃，劉 瑛，李國明

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

當(dāng)前居家生活中，人們通常購買使用箱式床，箱式床下方箱體內(nèi)可用來儲(chǔ)物，這類床儲(chǔ)物時(shí)需要把床品、床墊和床板都抬起，然后放置和拿取物品，費(fèi)事費(fèi)力，尤其在人口老齡化大背景下，老年人想要在床下儲(chǔ)物，需弓身搬抬、彎腰下蹲等較大幅度動(dòng)作，可操作性不佳，往往伴隨著身體損傷等風(fēng)險(xiǎn)因素[1]。

基于上述目前箱式床儲(chǔ)物存在的不足之處，設(shè)計(jì)了一款智能儲(chǔ)物床，該智能儲(chǔ)物床可以有效協(xié)助人們輕松實(shí)現(xiàn)床下儲(chǔ)物，使用者只需在床邊觸控按鈕，床下的獨(dú)立儲(chǔ)物盒即可自動(dòng)移出，置物取物完畢，獨(dú)立儲(chǔ)物盒可自動(dòng)回到原位。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能，智能儲(chǔ)物床箱體內(nèi)包含PLC控制系統(tǒng)，總體傳動(dòng)框架，舵機(jī)推桿機(jī)構(gòu)，電磁吸附裝置，獨(dú)立儲(chǔ)物盒等部分，總體方案如圖1所示。

圖1 智能儲(chǔ)物床整體方案圖1.床體 2.整體傳動(dòng)框架 3.舵機(jī)推桿裝置 4.獨(dú)立儲(chǔ)物盒

采用同步帶滑臺(tái)模組直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為總體傳動(dòng)框架，電機(jī)控制同步帶滑臺(tái)模組中的滑塊，滑塊上裝有舵機(jī)推桿裝置，可隨滑塊移動(dòng)到目標(biāo)獨(dú)立儲(chǔ)物盒正后方，再由電磁鐵吸附獨(dú)立儲(chǔ)物盒移出移進(jìn)，獨(dú)立儲(chǔ)物盒下方安裝萬向輪。該傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)清晰，運(yùn)行順滑，高速靜音，安裝方便。

1.1 床體結(jié)構(gòu)

床體結(jié)構(gòu)以一般箱式儲(chǔ)物床為基礎(chǔ)，增設(shè)控制元件存放平臺(tái)和控制面板，應(yīng)用180°任意停合頁，使一側(cè)床板可180°任意翻轉(zhuǎn)停止。使用時(shí)手動(dòng)翻轉(zhuǎn)側(cè)門板4，然后操作控制面板1進(jìn)行全程控制，使用完畢翻轉(zhuǎn)側(cè)門板閉合即可，床體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 床體結(jié)構(gòu)圖1.控制面板 2.控制元件存放平臺(tái) 3.合頁 4.可翻轉(zhuǎn)側(cè)門板

1.2 整體傳動(dòng)框架

智能儲(chǔ)物床采用同步帶滑臺(tái)模組直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為整體傳動(dòng)框架，如圖3所示，同步帶滑臺(tái)模組上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑塊做往復(fù)水平運(yùn)動(dòng)，也就是通過步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力輸出來帶動(dòng)末端執(zhí)行器在同步帶滑臺(tái)模組的導(dǎo)軌上做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)[2]。該模組安裝靈活便捷，配有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，封閉式滑塊能夠有效防塵，模組的滑塊和導(dǎo)軌零間隙配合，該機(jī)構(gòu)運(yùn)行順滑流暢靜音，可實(shí)現(xiàn)滑塊XY坐標(biāo)方向滑塊的定位。

圖3 整體傳動(dòng)框架1.電機(jī) 2.滑塊 3.同步帶 4.機(jī)架

1.3 舵機(jī)推桿裝置

舵機(jī)主要是由外殼、電路板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中央控制器、無核心馬達(dá)、齒輪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其工作原理是將控制程序傳送到舵機(jī)調(diào)節(jié)單元，判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速齒輪及連桿將動(dòng)力傳至擺臂，實(shí)現(xiàn)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

智能儲(chǔ)物床中獨(dú)立儲(chǔ)物盒的運(yùn)動(dòng)由舵機(jī)推桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，在同步帶滑臺(tái)模組的滑塊上安裝支架，支架上安裝兩個(gè)舵機(jī)，舵機(jī)輸出端連接有推桿?；瑝K移動(dòng)定位到獨(dú)立儲(chǔ)物盒的正后上方位置后，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿由水平位置各向下轉(zhuǎn)動(dòng)90°到獨(dú)立儲(chǔ)物盒后側(cè)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，推桿上裝有的電磁鐵通電，吸牢儲(chǔ)物盒，滑塊移動(dòng)從而帶動(dòng)舵機(jī)推桿裝置推動(dòng)獨(dú)立儲(chǔ)物盒移動(dòng)。

圖4 舵機(jī)推桿裝置1.支架 2.舵機(jī) 3.推桿 4.電磁鐵

1.4 獨(dú)立儲(chǔ)物盒

每個(gè)獨(dú)立儲(chǔ)物盒下方裝有四個(gè)萬向滾珠，推桿在承受較小推力下，可將儲(chǔ)物盒順利移進(jìn)移出，降低能耗。獨(dú)立儲(chǔ)物盒上方可另配封閉盒蓋，正后面安裝有磁性金屬鋼板。獨(dú)立儲(chǔ)物盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 獨(dú)立儲(chǔ)物盒結(jié)構(gòu)圖1.盒體 2.萬向滾珠 3.磁性金屬板 4.連接螺栓

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 基于PLC的控制系統(tǒng)

PLC的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)備的象征，是現(xiàn)代工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)控制設(shè)備之一。PLC 具有穩(wěn)定、可靠和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。PLC 利用最基本的邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能進(jìn)行邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)和航模的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本控制系統(tǒng)利用三菱PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、電磁鐵實(shí)現(xiàn)總體控制目標(biāo)[4]，用于控制獨(dú)立儲(chǔ)物盒的移動(dòng)和停止，系統(tǒng)方案圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)方案示意圖

2.2 工作流程

(1) 翻轉(zhuǎn)一側(cè)門板，可見觸控面板，觸控面板上的控制按鈕，可使目標(biāo)號(hào)碼的儲(chǔ)物盒移出和復(fù)位。

(2) 1～9號(hào)獨(dú)立儲(chǔ)物盒的移出方案如圖7所示。各儲(chǔ)物盒的復(fù)位按移出軌跡原路返回。

圖7 儲(chǔ)物盒移動(dòng)方案示意圖

(3) 滑塊移動(dòng)時(shí)，兩推桿轉(zhuǎn)動(dòng)至水平0°位置，移動(dòng)到獨(dú)立儲(chǔ)物盒后方位置，舵機(jī)帶動(dòng)推桿各向下旋轉(zhuǎn)90°，推桿處于豎直位置，電磁鐵通電，吸附推拉儲(chǔ)物盒，如圖8、9所示。

圖8 舵機(jī)推桿機(jī)構(gòu)0°位置 圖9 舵機(jī)推桿機(jī)構(gòu)90°位置

3 智能儲(chǔ)物床運(yùn)動(dòng)方案實(shí)物模型

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，搭建了智能儲(chǔ)物床的運(yùn)動(dòng)方案實(shí)物模型(不含床體部分)，圖10中以一個(gè)儲(chǔ)物盒為例，通過PLC程序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)圖7中的各儲(chǔ)物盒運(yùn)動(dòng)軌跡。圖11中的舵機(jī)推桿機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和推拉儲(chǔ)物盒的功能。通過實(shí)物模型的模擬控制操作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了該智能儲(chǔ)物床的設(shè)計(jì)目標(biāo)和效果。

圖10 總體實(shí)物模型圖 圖11 舵機(jī)推桿裝置 實(shí)物模型圖

床下儲(chǔ)物盒可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移出移回，為老人及行動(dòng)不便人士在床下儲(chǔ)物帶來了輕松與便利，可有效減輕他們的難處與負(fù)擔(dān)，增加儲(chǔ)物多樣化合理化。同時(shí)，因操作不便，人們往往床下儲(chǔ)物會(huì)長期堆放不動(dòng)，甚至出現(xiàn)發(fā)潮發(fā)霉的現(xiàn)象，該便捷化的智能儲(chǔ)物床可隨時(shí)操作，對(duì)解決上述問題大有裨益。

該設(shè)計(jì)及所建模型基于1.8 m×2.0 m床體，對(duì)于家居訂制多樣化的今天，該智能儲(chǔ)物床更顯優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)不同床體大小，組建相應(yīng)尺寸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、匹配相應(yīng)數(shù)量的儲(chǔ)物盒、更改不同方向的儲(chǔ)物盒進(jìn)出口等，為不同用戶需求提供多樣方案，為智能家居訂制行業(yè)提供新的產(chǎn)品方向。

4 結(jié) 語

為了能有效幫助老人及行動(dòng)不便人士優(yōu)化床下儲(chǔ)物的問題，設(shè)計(jì)了智能儲(chǔ)物床，該智能儲(chǔ)物床以同步帶滑臺(tái)模組為床下箱體內(nèi)基礎(chǔ)傳動(dòng)框架，滑塊帶動(dòng)舵機(jī)推桿裝置，應(yīng)用PLC技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立儲(chǔ)物盒的自動(dòng)移動(dòng)，使床下儲(chǔ)物方便輕松省力。

該智能儲(chǔ)物床能夠根據(jù)使用者的不同房間尺寸和不同床體規(guī)格進(jìn)行個(gè)性化訂制，可配合床品家居企業(yè)滿足用戶可定制化的使用需求[5]，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。