薛曉龍 ，周洪艷 ，劉鑫明 ，劉曉宇 ，王 鑫 ，于佳偉 ，張 碩

（長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長春 130032）

隨著社會(huì)的發(fā)展，智能設(shè)備逐漸深入到人們的生活，鞋柜作為服務(wù)人們生活的家具也在飛速發(fā)展[1]。人們對(duì)智能家居產(chǎn)品的購買力逐步上升，市場上的智能鞋柜產(chǎn)品越來越豐富多彩，熱門的智能鞋柜一般具有收納、消毒、除臭、殺菌、抽濕等功能，而集自動(dòng)存取鞋、及時(shí)清潔護(hù)理于一體的智能鞋柜則較少[2-5]。以北方冬季下雪時(shí)鞋面鞋底掛滿雪這一情況為例，通常人們在門口跺腳不能將雪處理干凈，導(dǎo)致鞋面鞋底浸濕，該情況說明鞋子及時(shí)清潔具有一定的市場需求。而具有皮鞋護(hù)理功能的設(shè)計(jì)，能夠增加智能鞋柜多功能性，以便實(shí)現(xiàn)智能鞋柜產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益更大化。為此，在智能鞋柜能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)存取鞋功能的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)一種多功能鞋子清潔機(jī)，以便滿足鞋子及時(shí)清潔與護(hù)理兩大需求。

1 智能鞋柜多功能一體清潔機(jī)總體設(shè)計(jì)

智能鞋柜由存取鞋裝置、清潔機(jī)兩大部分組成，如圖1所示。清潔機(jī)可以放置在鞋柜里面，也可以獨(dú)立形式放置在鞋柜旁邊，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行相應(yīng)放置，滿足鞋柜占用空間合理性。清潔機(jī)的傳動(dòng)方式為傳送帶傳動(dòng)和絲杠傳動(dòng)，通過傳感器的感應(yīng)自動(dòng)識(shí)別是否已經(jīng)有鞋停放在清潔機(jī)里，根據(jù)用戶需要，通過清潔、護(hù)理按鍵進(jìn)行智能選擇，對(duì)鞋面鞋底進(jìn)行全方位清潔。清潔機(jī)由鞋底清潔裝置、鞋面清潔裝置、皮鞋護(hù)理裝置、落塵收集裝置四個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖1 智能鞋柜

圖2 清潔機(jī)

2 清潔機(jī)裝置設(shè)計(jì)

2.1 鞋子清潔功能

鞋子的清潔功能包括鞋底清潔與鞋面清潔，使用兩個(gè)裝置達(dá)到清潔目的，分為鞋底清潔裝置和鞋面清潔裝置。鞋底清潔裝置主要包含X軸方向上的同步傳送帶實(shí)現(xiàn)鞋底清潔功能，傳送帶上附著的硬毛刷，以及在固定支撐座上安裝的一個(gè)溫度傳感器，如圖3所示。當(dāng)人將腳放置在傳送帶后，傳感器檢測到信號(hào)，程序啟動(dòng)傳送帶同步轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其表面的毛刷同步運(yùn)動(dòng)，毛刷與鞋底接觸，這樣就實(shí)現(xiàn)了鞋底的清潔?？紤]到傳送帶使用疲勞后，會(huì)使清潔效率變低，于是在其底部設(shè)有一處可自動(dòng)調(diào)節(jié)的張緊輪。當(dāng)達(dá)到疲勞后，可以將旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)90°，然后調(diào)節(jié)至合適的緊度，再將旋鈕轉(zhuǎn)至水平位置即可調(diào)節(jié)完成。

圖3 鞋底清潔裝置

鞋面清潔裝置主要包含三個(gè)滾動(dòng)毛刷、驅(qū)動(dòng)毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)（以下簡稱電機(jī)1）、帶有25°傾角的導(dǎo)軌、以及負(fù)責(zé)沿X軸移動(dòng)的傳動(dòng)絲杠和驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)（以下簡稱電機(jī)2），如圖4所示。當(dāng)程序啟動(dòng)后，電機(jī)1開始轉(zhuǎn)動(dòng)通過兩個(gè)正齒輪帶動(dòng)最中間的滾動(dòng)毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)，中間的滾動(dòng)毛刷與兩個(gè)側(cè)面滾動(dòng)毛刷則通過夾角為60°的錐齒輪傳動(dòng)，滾動(dòng)毛刷貼合鞋面轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了固定鞋面的清潔。而實(shí)現(xiàn)鞋面的全方位的清潔需要用到導(dǎo)軌和絲杠，電動(dòng)機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)后，因?yàn)閷?dǎo)軌帶有傾角，在絲杠的帶動(dòng)下，滾動(dòng)毛刷會(huì)逐步地往下移動(dòng)，滾動(dòng)毛刷就會(huì)一直貼著鞋面轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到覆蓋鞋面的清潔目的。

圖4 鞋面清潔裝置

2.2 鞋子保養(yǎng)與后續(xù)運(yùn)行

這一部分主要負(fù)責(zé)皮鞋保養(yǎng)與鞋子清潔后的落塵處理。包含兩個(gè)裝置，分別為皮鞋保養(yǎng)裝置與落塵收集裝置。皮鞋保養(yǎng)裝置由噴油器、電動(dòng)泵、油管和油壺組成，皮鞋保養(yǎng)裝置是依托在鞋面清潔裝置之上。油壺在導(dǎo)軌上推動(dòng)裝置的下表面，油管順著滾動(dòng)毛刷支撐座延伸到滾動(dòng)毛刷上面，懸空在與滾動(dòng)毛刷相距不遠(yuǎn)處，每個(gè)滾動(dòng)毛刷上的油管接有兩個(gè)噴油器[6]。程序啟動(dòng)后，電動(dòng)泵開始工作，使油壺中的鞋油順著油管通過噴油器落在滾動(dòng)毛刷上，毛刷開始滾動(dòng)，鞋油一并刷在了皮鞋上，進(jìn)行擦鞋油工作，實(shí)現(xiàn)皮鞋保養(yǎng)作用。落塵收集裝置主要由一個(gè)長條形的吸塵器和導(dǎo)塵管組成，當(dāng)灰塵被滾動(dòng)毛刷處理后，會(huì)慢慢向底板落去，在落到底部之前，吸塵器內(nèi)部的電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)將灰塵沿著導(dǎo)塵管吸入內(nèi)部儲(chǔ)塵袋儲(chǔ)藏起來。當(dāng)其灰塵儲(chǔ)存收集至飽滿狀態(tài)，吸塵器內(nèi)的感應(yīng)器反饋至主程序，然后蜂鳴器開始報(bào)警，提醒人們將內(nèi)部儲(chǔ)物袋拿出來清理。

2.3 電動(dòng)機(jī)以及毛刷的選擇

選用符合裝置要求規(guī)格的電動(dòng)機(jī)是提高裝置的可靠性與經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。在選擇電動(dòng)機(jī)前，同步傳送帶與工作物的總質(zhì)量m=10 kg，滑輪直徑D=24 mm，滑輪材質(zhì)為鋁，滑輪質(zhì)量mp=0.25 kg，滑輪效率η=0.9。在慣性的計(jì)算中，滑輪的負(fù)載慣性、工作物與皮帶的負(fù)載慣性分別為：

在所需轉(zhuǎn)矩的計(jì)算中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩分別為：

所需扭矩T=TL+Tα=0.38 N·m。

以上述的計(jì)算結(jié)果為條件，選擇滿足條件的品名為ZAM46AC-HP9F-C+CC010VZF步進(jìn)電機(jī)為同步傳送帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

毛刷使用的地方不同，毛刷的材質(zhì)也不盡相同[7]。清潔鞋底時(shí)，因?yàn)樾谆覊m較多，且鞋底質(zhì)地

較硬，不用擔(dān)心毛刷將其刷壞，故在同步傳送帶上的毛刷一般選用磨料尼龍。磨料尼龍是以尼龍6或尼龍612為刷絲的原料加入碳化硅（SIC）或氧化鋁（Al2O3）磨料顆粒后的合成絲，也稱磨料絲或研磨絲，其制成的毛刷成品具有耐磨的特性，可以增加鞋底清潔裝置的使用壽命[8-9]。而清潔鞋面時(shí)，鞋面一般為布料，此時(shí)的毛刷宜選用普通的尼龍6，其價(jià)格在尼龍系列中優(yōu)廉，質(zhì)地柔軟，還具有恢復(fù)性、耐溫性與耐磨性。

3 運(yùn)動(dòng)原理分析

智能鞋柜清潔機(jī)的智能控制由一個(gè)控制面板和一個(gè)電源組成，通過計(jì)算機(jī)上的編程軟件將程序編寫完畢后導(dǎo)入控制面板中，當(dāng)機(jī)構(gòu)與程序相結(jié)合，這個(gè)清潔機(jī)構(gòu)就孕育而生了。

當(dāng)人穿著鞋將腳放到傳送帶上時(shí)，溫度傳感器感應(yīng)到人后，反饋到主程序，整個(gè)系統(tǒng)開始工作。同步傳送帶開始工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳送帶表面的毛刷沿X軸方向運(yùn)動(dòng)，鞋子底部的灰塵被毛刷掃下，同步傳送帶工作的同時(shí)，鞋面清潔裝置也會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)1工作使處于最中間的滾動(dòng)毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)，兩邊的滾動(dòng)毛刷通過錐齒輪與最中間的滾動(dòng)毛刷實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，三個(gè)滾動(dòng)毛刷開始清理鞋面灰塵。電動(dòng)機(jī)2工作，在正齒輪的連接下帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)，通過絲杠使三個(gè)滾動(dòng)毛刷實(shí)現(xiàn)在X軸與Z軸的移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)2正反旋轉(zhuǎn)兩次后，鞋底與鞋面的清潔裝置同時(shí)停止運(yùn)行，但落塵收集裝置在與前兩者同步工作至停止工作后會(huì)延時(shí)15秒鐘后停止，這是為了保證從鞋子上清理的灰塵能夠充分地通過導(dǎo)塵管被吸入吸塵器的儲(chǔ)物袋中。當(dāng)人們需要給皮鞋做保養(yǎng)、擦鞋油時(shí)，需另外選擇皮鞋保養(yǎng)功能，程序會(huì)在人結(jié)束選擇時(shí)，命令清潔機(jī)構(gòu)在清灰完畢后，鞋面清潔裝置再次啟動(dòng)，但此時(shí)皮鞋保養(yǎng)裝置會(huì)啟動(dòng)，電動(dòng)泵會(huì)將油壺中的鞋油泵出，順著油管末端的噴油器落在滾動(dòng)毛刷上，滾動(dòng)毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，鞋油便被均勻地刷在了皮鞋上，依舊往復(fù)工作兩次后，兩個(gè)裝置停止工作[10-13]。

4 結(jié)語

綜上所述，多功能一體清潔機(jī)放置在鞋柜中，或者放置在鞋柜旁邊，達(dá)到空間利用合理、一柜多用的使用效果，能夠滿足智能家居時(shí)代人們對(duì)鞋子及時(shí)清潔的需求，更加智能化及人性化。清潔機(jī)利用鞋底清潔裝置、鞋面清潔裝置、皮鞋護(hù)理裝置、落塵收集裝置的分工與協(xié)同共同完成清掃、護(hù)理、收集一體化處理工作，提升了智能鞋柜產(chǎn)品競爭力，減少了人工勞動(dòng)量，滿足了用戶對(duì)智能家居產(chǎn)品的需求。智能鞋柜多功能一體清潔機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的開發(fā)前景，對(duì)于智能鞋柜未來的發(fā)展具有較好的參考價(jià)值。