李 凱，孫亮波，姚嘉偉，吳廣卓，陳望成

(武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居也進(jìn)入了快速發(fā)展期。2019年第一季度銷售量顯示智能家居市場出貨量高達(dá)2 989萬臺(tái)，同比增長26.3%[1]。本團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)有家用鞋柜功能單一、智能化程度有限、空間利用率低等問題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)并制作了一款多功能智能儲(chǔ)鞋設(shè)備“ShoesArk”智能鞋柜”。對(duì)4×4×4的鞋柜模型進(jìn)行分析，該鞋柜由儲(chǔ)存功能，護(hù)理功能,殺菌功能和烘干功能組成?；凇鞍肌毙位丨h(huán)軌道，用電機(jī)實(shí)現(xiàn)鞋的循環(huán)存儲(chǔ)；護(hù)理；殺菌。“ShoesArk”鞋柜具有存儲(chǔ)量大、護(hù)理全面、殺菌除味的特點(diǎn)。

1 智能鞋柜設(shè)計(jì)思路

該鞋柜運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)理念[2]，實(shí)現(xiàn)了清潔護(hù)理、消毒殺菌、烘干除臭等多種功能。設(shè)計(jì)了“凹”形回環(huán)軌道，電機(jī)通過傳送帶運(yùn)載載鞋板，延軌道實(shí)現(xiàn)鞋的輸送、存儲(chǔ)功能，突破鞋柜存儲(chǔ)高度限制；創(chuàng)新設(shè)計(jì)并聯(lián)分流的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋三個(gè)方位的夾持定位；創(chuàng)新設(shè)計(jì)擬合腳部的的四桿撐鞋機(jī)構(gòu)，該四桿機(jī)構(gòu)沿鞋口伸入,使前端軟桿上的彈簧受壓收縮,軟桿上的撐鞋片將鞋面撐起；固定在滾筒上的毛刷對(duì)鞋面進(jìn)行清潔整理。同時(shí)鞋柜可通過紫外線燈和高溫(適當(dāng))殺菌的方式有效消毒、殺菌、除臭。使鞋柜保持干凈清爽“ShoesArk”智能鞋柜與手機(jī)APP互聯(lián)，用戶可遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，進(jìn)行存取以及保養(yǎng)等控制[3]。該智能鞋柜具有空間利用率高、清潔、護(hù)理、消毒一體化、智能化控制等特點(diǎn)。其三維設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 “ShoesArk”智能機(jī)構(gòu)模型圖

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)家庭玄關(guān)處，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款基于“凹”形回環(huán)式軌道的模塊化智能儲(chǔ)鞋設(shè)備“ShoesArk”智能鞋柜，該鞋柜主要由進(jìn)出模塊、循環(huán)模塊、護(hù)理模塊和殺菌模塊組成，其模型如圖2。

圖2 整體模型圖1.進(jìn)出模塊 2.循環(huán)模塊/載鞋板 3.循環(huán)模塊/(后)軌道 4.循環(huán)模塊/(前)軌道 5.護(hù)理模塊/夾鞋機(jī)構(gòu) 6.顯示屏 7.護(hù)理模塊/撐鞋機(jī)構(gòu) 8.護(hù)理模塊/刷鞋機(jī)構(gòu) 9.消毒模塊

2.2 存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)功能依靠進(jìn)出模塊和循環(huán)模塊協(xié)同運(yùn)作實(shí)現(xiàn)[4]，其機(jī)構(gòu)圖如圖3所示。設(shè)備的內(nèi)部循環(huán)模塊將空的載鞋板，延“凹”形回環(huán)軌道上的同步帶及其帶輪組運(yùn)至進(jìn)出模塊，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)的存放功能；進(jìn)出模塊中的紅外傳感器可以感應(yīng)用戶的靠近，并且將反饋信息傳遞給電磁閥[5]，此時(shí)電磁閥彈出，與載鞋板扣連，步進(jìn)電機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞到電磁閥，電磁閥沿滑軌將載鞋板推出，即實(shí)現(xiàn)鞋的取用。當(dāng)電磁閥沿滑軌將載鞋板收回時(shí)，載鞋板在單片機(jī)的指令下，通過循環(huán)模塊中的“凹”形導(dǎo)軌上面的同步帶及其輪組循環(huán)移動(dòng)，將鞋運(yùn)至進(jìn)出模塊處，即實(shí)現(xiàn)鞋柜的存儲(chǔ)。

圖3 存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)圖1.進(jìn)出機(jī)構(gòu) 2.載鞋板 3.(同步帶)主電機(jī) 4.“凹”形導(dǎo)軌 5.同步帶輪 6.同步帶 7.同步帶導(dǎo)向軌

2.3 進(jìn)出模塊設(shè)計(jì)

“ShoesArk”智能鞋柜的進(jìn)出模塊位于鞋柜的下方，其機(jī)構(gòu)圖如圖4。單片機(jī)優(yōu)先篩選空的載鞋板(最近)，延軌道移至進(jìn)出模塊。紅外傳感器感應(yīng)人的靠近，將反饋信息傳遞給電磁閥，電磁閥彈出，與載鞋板相扣，步進(jìn)電機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞到電磁閥，電磁閥沿滑軌將載鞋板推出，實(shí)現(xiàn)鞋的取用[6]；當(dāng)電磁閥沿滑軌將載鞋板收回時(shí)，實(shí)現(xiàn)鞋的存儲(chǔ)。當(dāng)紅外傳感器1感應(yīng)到有人回家時(shí)，反饋信息控制電磁閥3彈出，與載鞋板5扣連，步進(jìn)電機(jī)4正轉(zhuǎn)，使電磁閥3延滑軌2將載鞋板推出；當(dāng)人離開，紅外傳感器1反饋信息，步進(jìn)電機(jī)4反轉(zhuǎn)，收回載鞋板，電磁閥3復(fù)位。循環(huán)往復(fù)，完成鞋的存儲(chǔ)與取用。

圖4 進(jìn)出模塊機(jī)構(gòu)圖1.紅外傳感器 2.滑軌 3.電磁閥 4.步進(jìn)電機(jī) 5.載鞋板

2.4 循環(huán)模塊設(shè)計(jì)

循環(huán)模塊基于“凹”形回環(huán)軌道進(jìn)行循環(huán)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其原理圖如圖4所示。機(jī)當(dāng)電磁閥沿滑軌將載鞋板收回時(shí)，載鞋板在單片機(jī)的指令下，通過循環(huán)模塊中的“凹”形導(dǎo)軌上面的同步帶及其輪組循環(huán)移動(dòng)，將鞋運(yùn)至進(jìn)出模塊處，即實(shí)現(xiàn)鞋柜的存儲(chǔ)。

當(dāng)進(jìn)出模塊存鞋完成，單設(shè)備根據(jù)用戶所選命令，延“凹”形導(dǎo)軌2控制載鞋板1進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)[7]。當(dāng)載鞋板1完成命令后，單片控制離進(jìn)出模塊最近的空鞋板，運(yùn)至進(jìn)出模塊處；當(dāng)用戶需要取鞋時(shí)，在手機(jī)app上選擇目標(biāo)鞋，鞋柜即可將目標(biāo)鞋移至進(jìn)出模塊[8]。

2.5 護(hù)理功能設(shè)計(jì)

護(hù)理模塊用于幫助不同鞋碼用戶清洗不同類鞋面的灰塵以及殺菌除臭，由夾鞋機(jī)構(gòu)、撐鞋機(jī)構(gòu)、刷鞋機(jī)構(gòu)和消毒模塊組成[9]。四個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，可對(duì)不同大小的鞋碼進(jìn)行清理。利用并聯(lián)分流的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)鞋三個(gè)方位的夾持定位[10]；四桿撐鞋機(jī)構(gòu)擬合腳部進(jìn)入鞋中軌跡，延鞋口進(jìn)入支撐鞋面，通過滾筒毛刷對(duì)鞋面進(jìn)行清潔整理；利用紫外線燈和(適當(dāng))高溫殺菌的方式，可有效消毒、殺菌、除臭，使鞋柜保持干凈清爽。

2.6 夾鞋過程設(shè)計(jì)

夾鞋機(jī)構(gòu)用于將載鞋板上的鞋擺至對(duì)應(yīng)的位置，以便于清理機(jī)構(gòu)對(duì)相應(yīng)的鞋進(jìn)行清理[11]，其原理圖如圖5。當(dāng)需要清理鞋時(shí)，目標(biāo)載鞋板移至夾鞋模塊，在步進(jìn)電機(jī)的控制下，齒條移動(dòng)適當(dāng)高度，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，使曲柄桿組收攏并將鞋推至指定位置[12]，即實(shí)現(xiàn)夾鞋過程。

圖5 夾鞋機(jī)構(gòu)原理圖1.載鞋板 2.推鞋板 3.滑軌 4.齒條 5.(行程)步進(jìn)電機(jī) 6.(桿組)步進(jìn)電機(jī) 7.(桿組)旋轉(zhuǎn)樞紐 8.曲柄桿組

在夾鞋機(jī)構(gòu)非工作狀態(tài)(用戶未選擇清理鞋)，其機(jī)構(gòu)整體位于鞋柜(模型)頂層上方，便于循環(huán)模塊的正常運(yùn)行，如圖6(a)；在夾鞋機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)(用戶選擇清理鞋)，當(dāng)目標(biāo)載鞋板運(yùn)至夾鞋模塊，步進(jìn)電機(jī)5控制機(jī)構(gòu)延齒條4向下移動(dòng)至適當(dāng)高度，步進(jìn)電機(jī)6正轉(zhuǎn)，使曲柄桿組收攏，將鞋推至指定位置[13]，如圖6(b)。

圖6 夾鞋流程圖

2.7 清理功能設(shè)計(jì)

清理功能的實(shí)現(xiàn)由撐鞋機(jī)構(gòu)、刷鞋機(jī)構(gòu)協(xié)同完成，撐鞋機(jī)構(gòu)將鞋面撐起[14]，刷鞋機(jī)構(gòu)在鞋面進(jìn)行清理，其原理圖如圖7。

圖7 撐鞋機(jī)構(gòu)制鞋機(jī)構(gòu)原理圖1.載鞋板 2.(清理機(jī)構(gòu))舵機(jī) 3.(撐鞋機(jī)構(gòu))絲桿滑臺(tái)1 4.電機(jī) 5.(撐鞋機(jī)構(gòu))絲桿滑臺(tái) 6.(清理機(jī)構(gòu))滾筒毛刷

撐鞋機(jī)構(gòu)利用并聯(lián)分流的三個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)鞋三個(gè)方位的夾持定位；設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)擬合腳部進(jìn)入鞋中軌跡的撐鞋機(jī)構(gòu)，支撐鞋面；刷鞋機(jī)構(gòu)里面的毛刷對(duì)鞋面進(jìn)行清潔整理，并且通過紫外線燈和高溫(適當(dāng))殺菌的方式，可有效消毒、殺菌、除臭[15]。在撐鞋機(jī)構(gòu)、刷鞋機(jī)構(gòu)協(xié)同工作下，鞋柜能夠保持干凈清爽。

3 載鞋板校核理論設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)調(diào)研，取鞋的質(zhì)量為800 g，鞋板重20 g，滑軌中1 kg，支撐鋁板重40 g，螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：螺栓數(shù)z=4，螺栓為內(nèi)六角螺栓，公稱直徑為4 mm，對(duì)稱布置。

為了便于計(jì)算，由于滑軌和鞋板，支撐鋁板重量均勻分布，視為加了外部載荷，如圖8。

圖8 附加外部載荷圖

(1)

同時(shí)由于鞋的質(zhì)量分布不均勻，取鞋的質(zhì)心位置為(160,20)。

(2)

將兩載荷合成得總作用力和力矩：

F=F1+F2=9.3 N

M=0.2 N·m

取F0=10 N,m0=0.2 N·m,如圖9進(jìn)行計(jì)算。

圖9 總作用力力矩圖

4 螺栓組校核

4.1 螺栓校核

(1)在總載荷F∑的作用下，螺栓組連接承受以下各力和傾覆力矩的作用：

軸向力(F∑的水平分力，F(xiàn)∑h作用于螺栓組中心，水平向右)：

F∑h=F∑hsinα=0

(3)

橫向力(F∑的垂直分力F∑v,作用于接合面，垂直向下)：

F∑v=F∑cosα=10 N

(4)

傾覆力矩(順時(shí)針方向)：

M=m0+F∑v×0.13=1.5 N·m

(5)

(2)在軸向力F∑h的作用下，各螺栓所受的工作拉力為Fα=0 N。

(3)在傾覆力矩M的作用下，上面兩螺栓受到加載作用，而下面兩螺栓受到減載作用，故上面的螺栓受力較大，所受的載荷按下式確定：

(6)

故上面的螺栓所受的軸向工作載荷為：

F=Fα+Fmax==2.25 N

(7)

(4)在橫向力F∑v的作用下，底板連接接合面可能產(chǎn)生滑移，根據(jù)底板接合面不滑移的條件：

(8)

(9)

(10)

4.2 校核螺栓組連接接合面的工作能力

(1)連接接合面下端的擠壓應(yīng)力不超過許用值，以防止接合面壓碎。

=5.962 8 MPa

(11)

查得[σ]=0.5σb=0.5×250 MPa=125 MPa?5.962 8 MPa，故接合面下端受壓最小處不至壓碎。

(2)連接接合面上端應(yīng)保持一定的殘余預(yù)緊力，以防止托架受力時(shí)接合面間產(chǎn)生間隙，即：

=5.94 MPa>0

(12)

故接合面上端受壓最小處不會(huì)產(chǎn)生間隙。

4.3 校核螺栓所需的預(yù)緊力是否合適

參考碳鋼螺栓要求：

F0≤(0.6～0.7)σsA1

0.6σsA1=10.6×240×12.56=1 808.64 N

(13)

要求的預(yù)緊力F0=18.75 N，小于上值，故滿足要求。故支撐板處連接符合強(qiáng)度要求。

5 結(jié) 論

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的多功能一體化智能鞋柜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)物制作并且能夠較好的完成設(shè)定動(dòng)作，如圖10所示。

圖10 整體實(shí)物圖

本作品適用于處理鞋子較多且雜亂的家庭環(huán)境，具有一定的整理能力，能夠一定程度上幫助人們減輕家務(wù)負(fù)擔(dān)，同時(shí)，課題組設(shè)計(jì)的多功能一體化智能鞋柜還具有以下特點(diǎn)：

(1)操作便捷。用戶可自由選擇在鞋柜面板上或手機(jī)上操作控制鞋柜功能，如圖11所示。

(2)鞋子存儲(chǔ)方式。使用了4×4 的模塊化儲(chǔ)存空間，可自由選擇存儲(chǔ)位置。

(3)“凹”形軌道設(shè)計(jì)?！鞍肌毙位丨h(huán)軌道可以更加便捷的輸送鞋子，提高鞋子的運(yùn)輸速度和效率。

(4)清潔消毒。本鞋柜可對(duì)存放的鞋子進(jìn)行從外而內(nèi)的清潔消毒和殺菌功能，使存放更加衛(wèi)生安全。

(5)載荷校準(zhǔn)?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)尺碼鞋子的放置與撐開，并完成全部處理流程。