湯俊杰，陳建岑，張文長(zhǎng)，梁鴻杰，汪朋飛

一種智能存取鞋柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湯俊杰，陳建岑，張文長(zhǎng)，梁鴻杰，汪朋飛*

（深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

針對(duì)傳統(tǒng)家用鞋柜老年用戶彎腰脫鞋容易受傷、人工擺放雜亂無(wú)章等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款智能存取鞋柜，在避免用戶彎腰脫鞋基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)鞋子的自動(dòng)化存取。根據(jù)輔助脫鞋及自動(dòng)存取等需求，設(shè)計(jì)了輔助脫鞋機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤(pán)儲(chǔ)存系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真，樣機(jī)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明其能夠高效率實(shí)現(xiàn)輔助脫鞋和自動(dòng)存取功能。該智能鞋柜能夠解放雙手存儲(chǔ)鞋子，滿足多種家居場(chǎng)景需求，具備廣闊的市場(chǎng)前景。

智能鞋柜；自動(dòng)存??；脫鞋機(jī)構(gòu)；夾持機(jī)構(gòu)

鞋柜作為一種日常生活中廣泛使用的家具，主要用于存儲(chǔ)鞋子、改善室內(nèi)衛(wèi)生和裝飾家居環(huán)境。迄今為止，傳統(tǒng)鞋柜的發(fā)展可以分為四個(gè)階段，第一階段為鞋子亂扔亂放，尚未形成鞋柜概念；第二階段為用簡(jiǎn)易木架或鐵管組裝的開(kāi)放式鞋架；第三階段為木鞋柜階段，采用美觀精致的材料搭建的封閉式鞋柜；第四階段為在原有封閉式鞋柜的基礎(chǔ)上加裝殺菌消毒、防潮通風(fēng)等功能的智能鞋柜[1-2]。

當(dāng)前，智能家居市場(chǎng)中常見(jiàn)的電子消毒鞋柜多為傳統(tǒng)鞋柜中加裝殺菌紫外燈和烘干裝置[3-6]，其工作原理是鞋柜內(nèi)部裝有臭氧發(fā)生器和低溫電熱元件以及微電腦控制系統(tǒng)，通過(guò)電腦控制，使鞋柜內(nèi)產(chǎn)生符合濃度的臭氧，從而實(shí)現(xiàn)鞋子的除臭和殺菌防霉護(hù)理。此外，通過(guò)增加清洗裝置可實(shí)現(xiàn)洗鞋功能[7]，或使用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看鞋柜狀態(tài)[8]，但關(guān)于鞋的自動(dòng)存取功能開(kāi)發(fā)報(bào)道較少[9-10]。

本研究致力于開(kāi)發(fā)一種可自動(dòng)存取的家用鞋柜，以220 V家用交流電為輸入電源，具備存鞋和取鞋兩種工作模式。在輔助用戶脫鞋后通過(guò)輸送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鞋子的自動(dòng)存放，而在手機(jī)端軟件操作選好儲(chǔ)存的鞋子后可將其自動(dòng)取出。該智能鞋柜滿足多種家居場(chǎng)景需求，具備廣闊的市場(chǎng)前景。

1 設(shè)計(jì)思路及難點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)思路

普通用戶脫鞋后，鞋子容易隨意擺放，收集過(guò)程繁瑣，需要設(shè)計(jì)輔助脫鞋機(jī)構(gòu)避免用戶彎腰脫鞋，同時(shí)解決地面上鞋子收集的難題；為實(shí)現(xiàn)鞋子在鞋柜內(nèi)部的運(yùn)送，需要專門(mén)的運(yùn)鞋機(jī)構(gòu)；由于鞋子大小不一及使用平板運(yùn)送鞋子導(dǎo)致空間浪費(fèi)，夾持鞋子的機(jī)構(gòu)尤為關(guān)鍵。

1.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）輔助脫鞋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于大部分鞋面是易變形柔軟材料，實(shí)現(xiàn)輔助脫鞋的機(jī)構(gòu)需用自適應(yīng)機(jī)械裝置以提供足夠的摩擦力使鞋子脫離用戶的腳部而又不損傷鞋面。

（2）鞋子夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。不同碼數(shù)鞋子外部尺寸區(qū)別大，從外部對(duì)鞋子進(jìn)行夾持需要適配多個(gè)參數(shù)，易導(dǎo)致鞋子變形損壞。因此，考慮使用變形機(jī)構(gòu)從內(nèi)部夾持鞋子。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為自動(dòng)存取鞋柜的整體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由輔助脫鞋機(jī)構(gòu)、絲杠系統(tǒng)、鞋子夾持機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤(pán)儲(chǔ)存裝置等5部分組成。

1.鞋子夾持機(jī)構(gòu)；2.絲杠系統(tǒng)；3.輔助脫鞋機(jī)構(gòu)；4.轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；5.轉(zhuǎn)盤(pán)儲(chǔ)存裝置。

2.1 輔助脫鞋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，輔助脫鞋機(jī)構(gòu)主要包括孔板和彈簧桿陣列。輔助脫鞋機(jī)構(gòu)可以在用戶站立狀態(tài)下輔助脫下鞋子。一般情況下，人工脫鞋需扶住鞋子后跟并施加一定的力予以固定，同時(shí)腳后跟從鞋子內(nèi)部脫出。鞋子后跟形狀多為不規(guī)則曲面，因此在輔助脫鞋機(jī)構(gòu)中設(shè)置彈簧桿陣列以自適應(yīng)貼合鞋后跟面。用戶脫鞋時(shí)往后施加適當(dāng)作用力，彈簧桿陣列與孔板間安裝的壓縮彈簧在受到壓縮時(shí)貼合鞋子的背面和底部，并提供合適的摩擦力，輔助用戶脫鞋。

1.鞋子；2.彈簧桿陣列；3.孔板。

2.2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3所示為鞋子夾持機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)和工作示意圖。如圖3（a）所示，夾持機(jī)構(gòu)主要由心型槽、限位桿、導(dǎo)向桿、多級(jí)連桿、拉伸彈簧和對(duì)接圓臺(tái)等組成。多級(jí)連桿機(jī)構(gòu)初始處于縮回狀態(tài)，如圖3（b）所示，外部施加垂直方向的壓力，限位桿在心型槽內(nèi)滑動(dòng)至凹槽位置，拉伸彈簧被拉長(zhǎng)，多級(jí)連桿可在鞋子內(nèi)部伸展以?shī)A持鞋子，如圖3（c）、（d）所示，之后在絲杠系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，夾持鞋子并在豎直方向移動(dòng)。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)。采用同步帶實(shí)現(xiàn)輔助脫鞋機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)推入和推出，在輔助脫鞋機(jī)構(gòu)底板下方安裝定向輪以減少與地面的摩擦。圖4所示為同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)與輔助脫鞋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、同步帶、滑塊、同步帶輪、導(dǎo)軌、軸和壓板等組成。電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶輪與同步帶嚙合，在同步帶與輔助脫鞋機(jī)構(gòu)間設(shè)置有壓板，將同步帶的一段固定在輔助脫鞋機(jī)構(gòu)的底板。

（2）轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。如圖5所示，轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)盤(pán)、儲(chǔ)存盤(pán)、電磁制動(dòng)器、主軸和舵機(jī)。在每層鞋子儲(chǔ)存區(qū)域中設(shè)置有兩個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，呈水平相鄰120°布置。工作時(shí)，指定層的電磁制動(dòng)器抱合主軸，主軸帶動(dòng)其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鞋的自動(dòng)存取。

圖3 鞋子夾持機(jī)構(gòu)

2.4 整體功能實(shí)現(xiàn)

圖6所示為存鞋的工作流程，先推出輔助脫鞋機(jī)構(gòu)，脫鞋后輔助脫鞋機(jī)構(gòu)進(jìn)入鞋柜內(nèi)部。絲杠帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)下降實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子的夾持。夾持機(jī)構(gòu)上升至對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)盤(pán)層，舵機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)存盤(pán)旋轉(zhuǎn)至鞋子正下方，夾持機(jī)構(gòu)下降，鞋子被夾持機(jī)構(gòu)釋放后處于儲(chǔ)存盤(pán)上方，舵機(jī)反轉(zhuǎn)，儲(chǔ)存盤(pán)歸位，完成存鞋。取鞋流程為存鞋流程的逆過(guò)程。

1.同步帶；2.壓板；3.同步帶輪；4.電機(jī)；5.導(dǎo)軌；6.滑塊；7.軸。

1.主軸；2.電磁制動(dòng)器；3.儲(chǔ)存盤(pán)；4.轉(zhuǎn)盤(pán)；5.舵機(jī)。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)及校核

3.1 夾持機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)需伸入鞋口將多級(jí)連桿展開(kāi)以?shī)A持鞋子，不同鞋碼的鞋子內(nèi)長(zhǎng)有較大差別，需計(jì)算多級(jí)連桿的級(jí)數(shù)及伸展后的長(zhǎng)度以適配鞋內(nèi)長(zhǎng)。經(jīng)調(diào)研分析，女性鞋碼一般分布于34～40碼，集中分布于36～38碼；男性鞋碼一般分布于38～44碼，集中分布于40～43碼。多級(jí)連桿的每一級(jí)單個(gè)連桿尺寸設(shè)定為25 mm，采用5～6級(jí)的多級(jí)連桿，實(shí)測(cè)多級(jí)連桿伸展固定后的最大長(zhǎng)度為95～118 mm。在多級(jí)連桿完全伸展時(shí)，測(cè)得模型中上下連桿的中心距離為24.67 mm，完全壓縮時(shí)上下連桿的中心距離為4.52 mm，故多級(jí)連桿在此壓縮過(guò)程的行程為20.15 mm。上述行程能夠適應(yīng)絕大多數(shù)用戶的鞋內(nèi)長(zhǎng)，確定多級(jí)連桿級(jí)數(shù)為6級(jí)，每級(jí)長(zhǎng)度25 mm。為保證連桿的順利伸長(zhǎng)和復(fù)位，選擇線徑為0.6 mm、半徑為6 mm、工作長(zhǎng)度為20 mm、勁度系數(shù)為160 N/m的拉伸彈簧。

圖6 存鞋流程圖

3.2 同步帶選型設(shè)計(jì)

同步帶傳動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)輔助脫鞋機(jī)構(gòu)的進(jìn)出，其參數(shù)影響鞋柜的存取速度和用戶體驗(yàn)。確定同步帶的齒型、齒數(shù)、帶寬及帶長(zhǎng)尤為關(guān)鍵。同步帶選型步驟具體為，測(cè)得輔助脫鞋機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室地板上的最大摩擦力為25.5 N，預(yù)估同步帶速度為＝0.8 m/s，計(jì)算得到傳動(dòng)功率為0.0204 kW，兩根同步帶水平對(duì)稱布置，單根同步帶傳動(dòng)功率為＝0.0102 kW。依此數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[11]。

設(shè)計(jì)功率為：

式中：P為設(shè)計(jì)功率，kW；K為工況系數(shù)，取1.4。

同步帶速度為：

式中：為同步帶速度，m/s；1為小帶輪節(jié)圓直徑，mm；1為小帶輪轉(zhuǎn)速，初定為900 r/min。

根據(jù)圓弧齒的小帶輪和大帶輪的節(jié)圓直徑和初定中心距，帶的節(jié)線長(zhǎng)度計(jì)算公式為[11]：

式中：0p為初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度，mm；0為初定中心距，mm；2為大帶輪節(jié)圓直徑，mm。

鞋柜中的同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)同步帶壓板將同步帶與輔助脫鞋機(jī)構(gòu)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，因此同步帶傳動(dòng)比設(shè)定為1:1將會(huì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此時(shí)，大帶輪齒數(shù)2＝18，2＝17.19 mm，0＝533 mm。

實(shí)際中心距為：

式中：為實(shí)際中心距，mm；L為帶長(zhǎng)，mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的圓弧齒帶節(jié)線長(zhǎng)度表，就近選取L＝1125 mm。

小帶輪嚙合齒數(shù)為[11]：

式中：z為小帶輪嚙合齒數(shù)；p為節(jié)距，mm。

圓弧齒的帶寬為[11]：

式中：b為帶寬，mm；b0為選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，mm，取b0＝6 mm[11]；K為圓弧齒帶長(zhǎng)系數(shù)，取1.20；K為小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取1；0為基準(zhǔn)額定功率，kW，查表得0.015 kW[11]。

作用在軸上的力為[11]：

3.3 仿真分析

夾持機(jī)構(gòu)與絲杠系統(tǒng)間的連接板在傳動(dòng)中需要傳遞絲杠施加于夾持機(jī)構(gòu)的作用力，是鞋柜中所受應(yīng)力較大的零件。通過(guò)有限元分析進(jìn)一步確定其材料及厚度。

初步選取3 mm厚度的6061鋁合金為設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行有限元分析。完成夾持機(jī)構(gòu)的裝配后，測(cè)得下壓時(shí)最大壓力為11.72 N。

許用應(yīng)力為：

設(shè)定連接板左側(cè)端面固定，對(duì)下端受力面施加11.72 N豎直向上的均布力。

對(duì)厚度為3 mm的6061鋁合金連接板進(jìn)行受力時(shí)的位移分析，分析結(jié)果如圖7（b）所示，最大位移為5.23 mm，符合要求。

圖7 單元化轉(zhuǎn)接件有限元分析

依據(jù)上述有限元分析的應(yīng)力和位移結(jié)果，確定選取3 mm厚度的6061鋁合金鈑金加工為此零件加工方案。

4 控制系統(tǒng)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)采用STC15和ARM架構(gòu)芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中STC15負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制，ARM系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)控制器。該架構(gòu)可以高效率實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制，并減少網(wǎng)絡(luò)延誤和電路噪聲帶來(lái)的影響。采用PCB工藝制作MCU外圍電路以及電源電路，完成兩個(gè)控制器之間的通訊鏈路。

4.2 軟件搭建

鞋柜軟件設(shè)計(jì)以物聯(lián)網(wǎng)控制為主要架構(gòu)，使用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和硬件控制。通訊協(xié)議采用MQTT V1.5輕量化協(xié)議。并使用HTML設(shè)計(jì)用戶和交互UI。采用BS架構(gòu)搭建，用戶可以在可移動(dòng)設(shè)備上操控鞋柜完成取鞋，放鞋等一系列功能。

5 樣機(jī)測(cè)試

圖8所示為自動(dòng)存取鞋柜的樣機(jī)圖。測(cè)試中，鞋后跟對(duì)輔助脫鞋機(jī)構(gòu)中彈簧桿陣列施加壓力后，彈簧桿陣列貼合鞋后跟外形，可在用戶脫鞋時(shí)提供豎直向下的摩擦力以輔助脫鞋。夾持機(jī)構(gòu)能夠良好地夾持鞋子且可以在絲杠系統(tǒng)的帶動(dòng)下將鞋子穩(wěn)定抬升。

鞋柜的基本尺寸長(zhǎng)寬高分別為760 mm、678 mm和800 mm，測(cè)試樣機(jī)的最大儲(chǔ)鞋量為10雙，通過(guò)增加存鞋層數(shù)和對(duì)應(yīng)單元模塊可以進(jìn)一步增大存鞋量。圖9所示為5次存鞋和取鞋的完整流程測(cè)試，其中存鞋平均時(shí)長(zhǎng)為40.4 s，取鞋平均時(shí)長(zhǎng)為43.4 s。其他關(guān)鍵測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 自動(dòng)存儲(chǔ)鞋柜樣機(jī)

圖9 存鞋和取鞋測(cè)試結(jié)果

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了一款可以自動(dòng)化存取鞋子的智能鞋柜，存鞋時(shí)通過(guò)輔助脫鞋機(jī)構(gòu)輔助用戶脫下鞋子后，鞋子由鞋柜內(nèi)部的傳動(dòng)系統(tǒng)傳送至用戶指定的儲(chǔ)存位置進(jìn)行儲(chǔ)存。取鞋時(shí)用戶通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存位置的鞋子，經(jīng)由內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)傳送至輔助脫鞋機(jī)構(gòu)并將其送出鞋柜。該智能鞋柜能夠解放雙手存儲(chǔ)鞋子，滿足多種家居場(chǎng)景需求，具備廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]林育坤，王小琴，靳亞超. 從理念到現(xiàn)實(shí)的智能家具——一種新型智能鞋柜的設(shè)計(jì)[J]. 黑龍江科技信息，2016（35）：54-55.

[2]卜許輝，李志剛，殷成，等. 自動(dòng)化智能鞋柜的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（7）：59-60，64.

[3]王佳權(quán)，王皓，陳少勇，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鞋柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（3）：84-87，91.

[4]戈忠義，王樂(lè)，汪語(yǔ)哲，等. 基于STM32單片機(jī)的閉環(huán)反饋控制節(jié)能鞋柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 節(jié)能，2019，38（1）：65-68.

[5]侯孟暉. 一種具有可升降旋轉(zhuǎn)功能的自動(dòng)化殺菌鞋柜設(shè)計(jì)[J]. 科技傳播，2019，11（2）：151-152.

[6]吳燕. 基于WiFi的多功能智能鞋柜設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子制作，2020（17）：36-38，92.

[7]海翔宇，楊宛螢，黃韜，等. 家用智能多方位清洗式鞋柜設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2020（9）：4-5.

[8]李成鳳，況春華，張陽(yáng)偉，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的可升降鞋柜設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，42（4）：1-6.

[9]秦川，孫沐鈺，袁嘉鑫. 智能家用自動(dòng)存取鞋柜的設(shè)計(jì)[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2020，51（5）：238，240.

[10]柳錦宏，薛琴，何偉鴻，等. 家用小型旋轉(zhuǎn)式智能鞋柜設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2021，11（2）：44-45.

[11]成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 4版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002（13）：60-94.

[12]朱浩，呂丹，朱亮，等.6061鋁合金斷裂機(jī)理的原位拉伸研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（2）：94-99.

Structural Design of an Intelligent Shoe Cabinet with Automatic Access

TANG Junjie，CHEN Jiancen，ZHANG Wenchang，LIANG Hongjie，WANG Pengfei

(College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen518060, China)

Aiming at the problems that elderly users of traditional shoe cabinets are easy to be injured when bending over to take off their shoes, and manual placement is easy to be messy, an intelligent shoe cabinet with automatic access is designed. According to the requirements of auxiliary shoe removal and automatic access, auxiliary shoe removal mechanism, clamping mechanism and turntable storage system are applied, and the corresponding IOT control system is constructed. The SolidWorks software is used for modeling and simulation, which verifies the feasibility of the shoe cabinet. Finally, the results of the prototype test show that the system can efficiently realize the functions of assisting shoe removal and automatic access. The intelligent shoe cabinet can free the users’ hands from placing or fetching the shoes, meet the needs of a variety of home scenes, and has a broad market prospect.

intelligent shoe cabinet；automatic access；taking-off mechanism；clamping mechanism

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.010

1006-0316 (2022) 08-0062-07

2021-11-01

深圳大學(xué)聚徒教學(xué)項(xiàng)目（202132）；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910590092）；深圳大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新發(fā)展基金基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（2019154）

湯俊杰（1999－），男，廣東梅州人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，E-mail：townjj@126.com。*通訊作者：汪朋飛（1983－），男，湖北天門(mén)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與摩擦學(xué)，E-mail：wangpf@szu.edu.cn。