劉鑫明 ， 周洪艷 ， 薛曉龍 ， 張 碩 ， 王 鑫 ， 劉曉宇

（長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長春 130032）

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們對智能家居的要求越來越高，越來越喜好利于身心的智能家居產(chǎn)品[1]。據(jù)調(diào)查，超過89%的用戶期待未來能夠廣泛普及智能家居自動(dòng)化產(chǎn)品[2]。智能鞋柜在傳統(tǒng)鞋柜的基礎(chǔ)上結(jié)合了現(xiàn)代科技，市場上的智能鞋柜一般只具有殺菌消毒功能。當(dāng)用戶進(jìn)入家門時(shí)，鞋子一般會隨便擺在地上或者不經(jīng)整理放入鞋柜中，鞋子只能手動(dòng)存取，會出現(xiàn)整理不及時(shí)的問題，具有自動(dòng)存取鞋的智能鞋柜能夠滿足智能家居自動(dòng)化產(chǎn)品市場和用戶的廣泛需求。本文設(shè)計(jì)智能鞋柜的存取鞋裝置部分，可以自動(dòng)將鞋子擺放合適的鞋格內(nèi)，不需用戶手動(dòng)整理，從而解決手動(dòng)存取和整理不及時(shí)的問題，實(shí)現(xiàn)存取鞋穩(wěn)定性和高效性。存取鞋裝置通過程序控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給絲杠和齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，通過升降機(jī)構(gòu)和移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)達(dá)到高效存取鞋的目的。

1 存取鞋裝置總體設(shè)計(jì)

存取鞋裝置由升降機(jī)構(gòu)、移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)組成，滑動(dòng)導(dǎo)軌和光杠的設(shè)計(jì)使升降結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)剛度、受力情況、傳動(dòng)比和運(yùn)動(dòng)控制精確定位和運(yùn)動(dòng)控制[3]，從而設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的絲杠尺寸。當(dāng)用戶存鞋時(shí)，墊板上的夾緊裝置將鞋子固定，螺母絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將鞋子上升至指定位置后，齒輪機(jī)構(gòu)平動(dòng)將鞋子轉(zhuǎn)移至指定位置，實(shí)現(xiàn)存取鞋的功能。在人機(jī)交互方面，用戶可以選擇直接開關(guān)柜門存取的傳統(tǒng)方式，也可通過自動(dòng)存取鞋板裝置實(shí)現(xiàn)存取鞋功能。存取鞋裝置如圖1所示。

圖1 存取鞋裝置

1.1 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、光杠、螺母、絲杠、軌道組成，利用絲杠的傳動(dòng)將鞋子升降至指定位置，光杠和軌道的加入可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和精準(zhǔn)完成升降的過程。夾緊裝置設(shè)計(jì)在鞋墊板上的左右兩側(cè)，通過推桿的推動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊過程，夾緊裝置實(shí)現(xiàn)鞋子的定位、固定、夾緊作用，避免了在升降鞋過程出現(xiàn)鞋子不穩(wěn)固的現(xiàn)象。鞋墊板通過絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲杠螺母上從裝置底層運(yùn)動(dòng)到指定位置，通過與移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)的傳遞，可完成對鞋子的定位存取。升降機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 升降機(jī)構(gòu)

絲杠和墊板組成結(jié)構(gòu)可視為懸臂梁結(jié)構(gòu)，其截面是矩形截面，因絲杠結(jié)構(gòu)組成的固定端約束了鞋子和墊板組成的端界面的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，所以存在鉛垂直約束力FRA和約束力偶MA。根據(jù)平衡方程ΣFy=0和ΣMA=0，求得又截面右側(cè)是均布載荷，如圖3所示，用右側(cè)的外力計(jì)算剪力和彎矩，如圖4、圖5所示，直接算出Fs(x)=q(1-x)(0

圖3 均布載荷圖

圖4 剪力圖

圖5 彎矩圖

1.2 移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)由齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、撥叉組成，移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)通過齒輪副傳遞動(dòng)力運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程采取齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以讓墊板準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。齒輪的應(yīng)用非常廣泛，生產(chǎn)批量大，直齒圓柱齒輪采用精密成形工藝，可以提高材料利用率和齒輪強(qiáng)度[4]，通過精密工藝可以滿足所需齒輪強(qiáng)度要求。輸出端齒輪平動(dòng)過程將墊板輸出到指定鞋格內(nèi)。該裝置采用小齒輪帶動(dòng)大齒輪的減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)比為6.9，傳動(dòng)選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。在受力過程中，直齒圓柱齒輪主動(dòng)輪上的圓周力和它的速度方向是相反的，從動(dòng)輪上的圓周力和它的速度方向是相同的，徑向力都各自指向齒輪的中心。小齒輪與步進(jìn)電機(jī)連接作為動(dòng)力源，通過齒輪正弦機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為左右方向的圓周曲線運(yùn)動(dòng)，并通過左右共四個(gè)撥叉的伸縮進(jìn)行存取功能。撥叉通過齒輪組傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)開合動(dòng)作，每個(gè)齒輪組采用五個(gè)相同的齒輪嚙合傳動(dòng)。齒輪組兩端用同一步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得兩邊撥叉運(yùn)動(dòng)同步，將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高加快齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而讓撥叉彈出的時(shí)間減短，加快存取的過程。移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)

2 電動(dòng)機(jī)的選型

電動(dòng)機(jī)在整個(gè)過程中起著提供動(dòng)力的作用，選用合適的電動(dòng)機(jī)顯得尤為重要，本研究選擇絲杠部分電機(jī)。首先選擇電動(dòng)機(jī)的種類，選擇的方案有3種：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)。從精度上考慮排除直流電機(jī)的選擇，經(jīng)過市場價(jià)格調(diào)研，伺服電機(jī)價(jià)格通常遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，故選擇相對經(jīng)濟(jì)的步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)步距角越小步數(shù)越多越精確的原理，采用步數(shù)更多的步進(jìn)電機(jī)以提高精度。

電動(dòng)機(jī)的類型選擇為步進(jìn)電機(jī)，接著進(jìn)行型號的選擇。在升降機(jī)構(gòu)中，已知螺桿的長度L=2 m，絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所受的力分別來自齒輪機(jī)構(gòu)和墊板的自重，絲杠工作臺與工作物的總質(zhì)量約為m=5 kg，螺桿的軸徑D=32 mm，導(dǎo)程P=6 mm，螺桿的材料密度ρ=7.9×103kg/m3，取滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.2。

根據(jù)以上分析選擇型號為AR911AA-1的步進(jìn)電機(jī)作為絲杠傳動(dòng)的傳輸電機(jī)。該電機(jī)安全系數(shù)16.27，慣性比7.41，加減速常數(shù)100，最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min。該轉(zhuǎn)速滿足設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需速度，安全系數(shù)較高，故滿足設(shè)計(jì)要求。

3 運(yùn)動(dòng)原理分析

智能鞋柜存取鞋系統(tǒng)由Mega2560、電源模塊、超聲波測距模塊、LCD1602顯示屏、獨(dú)立按鍵、3個(gè)步進(jìn)電機(jī)、壓力傳感器組成。通過Arduino編程軟件將程序?qū)隡ega2560中，利用控制面板中的程序?qū)ο到y(tǒng)中的鞋子的存取裝置、傳輸升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使智能鞋柜存取鞋裝置自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

鞋柜上嵌入LCD顯示屏，當(dāng)用戶存取鞋時(shí)，超聲波模塊檢測鞋子的高度，系統(tǒng)從執(zhí)行任務(wù)開始記錄時(shí)間，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，方便用戶得知系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。鞋柜內(nèi)有終止按鈕，該按鈕可終止系統(tǒng)的一切動(dòng)作，所有步進(jìn)電機(jī)暫停，此時(shí)用戶可執(zhí)行手動(dòng)存取鞋功能，如果按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)會復(fù)位到初始位置，如果沒有執(zhí)行手動(dòng)存取鞋，可再次按下終止鍵，系統(tǒng)將繼續(xù)執(zhí)行沒有完成的命令。

存取鞋裝置操作完畢自動(dòng)復(fù)位至初始位置，復(fù)位在一定程度避免每次存取所帶來的系統(tǒng)誤差。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行存鞋命令時(shí)，首先壓力傳感器檢測到鞋子的重量，超聲波測距模塊檢測鞋子的上截面到模塊間的距離，識別鞋子屬于普通高度或較高高度的鞋型，根據(jù)鞋子重量和高度分別確定相應(yīng)存放位置。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行存鞋命令時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠將平移裝置移動(dòng)到底端，齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)撥叉的打開，當(dāng)撥叉伸入墊板下，夾緊裝置啟動(dòng)，將鞋子下的墊板夾緊。通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將絲杠導(dǎo)軌升降機(jī)構(gòu)上升到指定高度，齒輪傳動(dòng)電機(jī)進(jìn)行平移操作，接著齒輪組進(jìn)行撥叉的收回將鞋子放入鞋格內(nèi)[5]。

當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行取鞋命令時(shí)，用戶直接按下取鞋鍵，系統(tǒng)對最后一次存鞋的格子執(zhí)行取鞋操作，升降機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)到鞋柜底端，從鞋柜底端步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)取鞋裝置上升到鞋格位置。齒輪傳動(dòng)將平動(dòng)系統(tǒng)帶入鞋格內(nèi)，撥叉伸出提起鞋墊板，將鞋子轉(zhuǎn)運(yùn)到鞋柜底端以便取鞋，鞋子取走后，取鞋裝置復(fù)位，設(shè)置3分鐘如果沒有執(zhí)行取鞋動(dòng)作，存鞋裝置將重啟并執(zhí)行存鞋過程。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語

綜上所述，智能鞋柜存取鞋裝置能夠解決手動(dòng)存取、整理不及時(shí)的問題。與市場上廣泛應(yīng)用的具有殺菌消毒功能的智能鞋柜相比，另加自動(dòng)存取鞋功能，更加智能化、多樣化與人性化。本設(shè)計(jì)利用升降機(jī)構(gòu)和移動(dòng)存取鞋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存取鞋功能，鞋墊板上的夾緊裝置和升降機(jī)構(gòu)上的軌道使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。另外，采用螺母絲杠傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)鞋子的自由存取，所選用的螺母、絲杠、齒輪比較常見，方便維修且價(jià)格便宜，適合面向普通用戶的消費(fèi)，具有一定的市場開發(fā)價(jià)值。