文韜 張永琦 鄒清源 張超

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

0.引言

現(xiàn)如今，人們對(duì)日常家居智能化、自動(dòng)化的要求越來越高[1-3]。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研和分析，并根據(jù)現(xiàn)代化智能家居的要求，對(duì)解決鞋子的自動(dòng)存取，智能存取等問題進(jìn)行了適合于家用的智能鞋柜的設(shè)計(jì)。鞋柜以實(shí)現(xiàn)快速、方便、占用面積小為目的，力圖實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、價(jià)格低廉。

1.總體設(shè)計(jì)

鞋柜總共包含三大機(jī)構(gòu)：同步帶機(jī)構(gòu)、機(jī)械抓手和拖鞋收納機(jī)構(gòu)。其中同步帶機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)機(jī)械抓手水平和豎直移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鞋子在鞋柜內(nèi)部的二維運(yùn)動(dòng)。機(jī)械抓手主要是由齒輪齒條機(jī)構(gòu)改變而來，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子的“抓”與“放”。拖鞋收納機(jī)構(gòu)則由電動(dòng)推桿和滑軌滑塊組成，電動(dòng)推桿的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑軌滑塊機(jī)構(gòu)前后運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)拖鞋的自動(dòng)存取。

控制系統(tǒng)根據(jù)單片機(jī)控制原理技術(shù)，采用STC89C51芯片進(jìn)行控制[4]，C語(yǔ)言程序編程，并使用了LCD顯示屏、霍爾傳感器、執(zhí)行模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等電氣元件，使得鞋柜更加智能化。

該智能鞋柜基于家庭中的、立體的、多層的全自動(dòng)智能鞋柜，設(shè)計(jì)過程中充分考慮了鞋子、房間的實(shí)際尺寸要求，主體為封閉式長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，一次可容納12雙常見鞋子。設(shè)計(jì)中根據(jù)鞋子尺寸和房間大小的要求采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，以托盤和傳動(dòng)裝置為載體[5]，利用機(jī)器手和傳感裝置實(shí)現(xiàn)托盤的自動(dòng)升降、水平移動(dòng)、鞋子抓取和類型識(shí)別，完成鞋子的快速分揀和智能存放。與傳統(tǒng)鞋柜相比，具有有效利用空間、智能存取、準(zhǔn)確、快捷、方便等特點(diǎn)，滿足了家用多種鞋子的存取要求，具有創(chuàng)新性。

2.工作原理

鞋柜正面透明，分為3層，一層存放拖鞋，二層和三層存放其他不同高度的鞋。在未工作時(shí)，裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)。

拖鞋的自動(dòng)存?。寒?dāng)用戶走到鞋柜附近時(shí)，通過控制系統(tǒng)的識(shí)別，發(fā)出指令，電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)一層門板下翻，將一層整體彈出，用戶即可選擇所需的拖鞋。取鞋完成后，門板在電動(dòng)推桿的帶動(dòng)下恢復(fù)原狀。拖鞋收納機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)示意圖

其他鞋的自動(dòng)存?。河脩敉ㄟ^鞋柜上的控制面板，選擇適當(dāng)?shù)奈恢?，電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平和豎直的同步帶運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械抓手移動(dòng)至對(duì)應(yīng)位置。然后，機(jī)械抓手在電機(jī)的帶動(dòng)下對(duì)鞋進(jìn)行抓取。

2.1 機(jī)械抓手移動(dòng)過程

用戶選擇需要的鞋之后，電機(jī)先驅(qū)動(dòng)水平同步帶運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械抓手移動(dòng)至左側(cè)豎直通道內(nèi)，如圖1～圖6所示，此時(shí)水平電機(jī)停止工作。然后，電機(jī)再驅(qū)動(dòng)豎直同步帶運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)水平同步帶整體上下移動(dòng)。機(jī)械抓手移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械抓手移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機(jī)械抓手抓取過程

當(dāng)機(jī)械抓手移動(dòng)至指定位置以后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條，使機(jī)械抓手下降至合適位置，舵機(jī)控制機(jī)械抓手開合的角度，從而將鞋子抓住。然后，機(jī)械抓手在齒輪齒條的控制下上升，抓取過程完成，機(jī)械抓手和齒條的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)示意圖

3.控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖總共分為5大部分，它們分別是執(zhí)行模塊、電源模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊。其系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)

3.1 執(zhí)行模塊

傳動(dòng)模塊包含四個(gè)部分，由三個(gè)部分可升降鞋柜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)既定功能，由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械爪手和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。用戶選擇需要的鞋之后，電機(jī)先驅(qū)動(dòng)水平和豎直同步帶運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械抓手移動(dòng)至左側(cè)豎直通道內(nèi)，送到預(yù)先設(shè)置的位置。

3.2 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊通過霍爾傳感器檢測(cè)鞋子的位置，當(dāng)鞋成功放在合適的位置后，給控制模塊發(fā)送鞋子的位置信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的機(jī)械手回到原來的位置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止工作。

3.3 控制模塊

控制模塊主要是用于處理系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)同時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定功能，通過單片機(jī)給控制實(shí)現(xiàn)控制功能。根據(jù)單片機(jī)控制原理技術(shù)，本控制系統(tǒng)采用STC89C51芯片進(jìn)行控制，C語(yǔ)言程序編程，并使用了LCD顯示屏、霍爾傳感器、執(zhí)行模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等電氣元件。

3.4 電源模塊

電源模塊主要是將高電壓轉(zhuǎn)換成為我們所需要的電壓為系統(tǒng)供電。

4.結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能鞋柜，采用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存取鞋，開發(fā)過程易于上手，設(shè)計(jì)新穎，隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的來臨及5G技術(shù)的發(fā)展，有利于實(shí)現(xiàn)所有家居智能化。