間歇式多功能智能鞋柜的設(shè)計(jì)及制作

劉玉辰 楊育熙 張龍 李瀟 道爾吉 曹剛

摘 要：本研究設(shè)計(jì)了一款間歇式多功能智能鞋柜，不僅具有殺菌消毒的功能，而且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存取鞋，價(jià)格也十分親民。該智能鞋柜主要包括傳動(dòng)部分、運(yùn)輸部分、智能部分。傳動(dòng)部分通過電機(jī)上連接的皮帶輪提供原動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)槽輪機(jī)構(gòu)和鏈板的轉(zhuǎn)動(dòng);運(yùn)輸部分通過舵機(jī)與伸縮桿的配合實(shí)現(xiàn)存取鞋的功能;智能部分通過面板控制實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)選取鞋。

關(guān)鍵詞：多功能;自動(dòng)化;智能鞋柜

中圖分類號(hào)：TS665.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）08-0053-03

Design and Manufacture of Intermittent Multifunctional Smart Shoe Cabinet

LIU Yuchen YANG Yuxi ZHANG Long LI Xiao DAO Erji CAO Gang

（Jianghan University，Wuhan Hubei 430056）

Abstract： In this study， an intermittent multi-functional intelligent shoe cabinet is designed， which not only has the function of sterilization， but also can realize automatic access to shoes， and the price is very close to the people. The intelligent shoe cabinet mainly includes transmission part， transportation part and intelligent part. The driving part provides the original power through the belt pulley connected to the motor to realize the rotation of the Geneva mechanism and the chain plate; The transportation part realizes the function of shoe access through the cooperation of steering gear and telescopic rod; The intelligent part realizes the fixed-point selection of shoes through panel control.

Keywords： multifunction;automation;intelligent shoe cabinet

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以及人們生活水平的不斷提高，人們的消費(fèi)觀念和消費(fèi)水平有了很大的轉(zhuǎn)變與提升。從GDP占比來看，發(fā)達(dá)國(guó)家的健康產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值GDP比重超過了15%，而中國(guó)健康產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值僅占GDP的5%左右。未來十年內(nèi)，這一數(shù)字將快速上升到15%以上，預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)健康產(chǎn)業(yè)的規(guī)模可望突破10萬(wàn)億元。在這個(gè)契機(jī)下，智能鞋柜得到快速發(fā)展。市場(chǎng)上現(xiàn)有的智能鞋柜僅具有殺菌、消毒、烘干等功能，并沒有大的創(chuàng)新與升級(jí)，也沒有對(duì)客戶群體進(jìn)行分類定制產(chǎn)品。本研究設(shè)計(jì)了一種間歇式多功能智能鞋柜，除了具備市場(chǎng)上一般智能鞋柜所具備的殺菌、消毒、烘干等功能外，還可以幫助腰腿不便的老人完成選鞋、換鞋、穿鞋等。

1 鞋柜整體設(shè)計(jì)介紹

團(tuán)隊(duì)以自動(dòng)化+智能化為出發(fā)點(diǎn)，將電控與傳統(tǒng)機(jī)械相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選鞋的功能，最終確定了設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

從圖1可知，本文設(shè)計(jì)的間歇式多功能智能鞋柜主要包括三個(gè)部分，即傳動(dòng)部分、運(yùn)輸部分和智能部分。每個(gè)部分又包括不同的構(gòu)件。

傳動(dòng)部分通過電機(jī)上連接的皮帶輪提供原動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)槽輪機(jī)構(gòu)和鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng);運(yùn)輸部分通過舵機(jī)將鞋頂?shù)竭\(yùn)鞋板上，再通過電動(dòng)推桿運(yùn)輸鞋，可以實(shí)現(xiàn)存取鞋的功能;智能部分通過面板控制實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)選取鞋。傳動(dòng)與運(yùn)輸結(jié)構(gòu)如圖2所示，鞋柜的實(shí)物模型如圖3所示。

傳動(dòng)部分中的主動(dòng)軸固定在鞋柜內(nèi)部?jī)蓚?cè)，槽輪結(jié)構(gòu)和鏈板安裝在主動(dòng)軸上實(shí)現(xiàn)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)傳動(dòng)部分的槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)。取鞋時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)從動(dòng)輪驅(qū)使槽輪運(yùn)動(dòng)，因槽輪特殊結(jié)構(gòu)作間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，使得放鞋板與運(yùn)鞋板重合，因兩板存在高度差可讓所選的鞋通過運(yùn)輸部分運(yùn)輸?shù)绞褂谜呙媲?，輔助完成穿鞋動(dòng)作。放鞋時(shí)，鞋放在運(yùn)鞋板上，電動(dòng)推桿回縮運(yùn)鞋板與放鞋板重合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)完成放鞋過程。

該智能鞋柜具備自動(dòng)與手動(dòng)兩種操作模式，兩種模式相結(jié)合，使用者首先可以通過鞋柜頂部的控制面板選擇存放在鞋柜中的鞋子，其次鞋柜會(huì)自動(dòng)將選中的鞋子送出，最后在使用者換完鞋后，運(yùn)鞋裝置可自動(dòng)收回?fù)Q下的鞋子并進(jìn)行存儲(chǔ)和殺菌消毒。同時(shí)，該智能鞋柜提供了各種消毒、殺菌和烘干不同模式供用戶選擇。

2 鞋柜各部分設(shè)計(jì)介紹

2.1 傳動(dòng)部分

2.1.1 鏈輪。鏈輪部分由大鏈條、鏈條、循環(huán)大鏈輪組成（見圖4）。大鏈條通過鏈條與銷配合十字分布在循環(huán)大鏈輪上。

2.1.2 鞋架。鞋架的機(jī)構(gòu)如圖5所示。鞋架部分由空心管、掛鉤和放鞋板組成。空心管是不銹鋼薄壁管，主要與大鏈條上的孔配合，放鞋板通過小孔安放在鐵絲彎成的掛鉤上，并將掛鉤掛在空心管上。

由于重力作用，放鞋板能一直保持水平狀態(tài)，鞋子能穩(wěn)定地放在放鞋板上。

2.1.3 傳動(dòng)輪。傳動(dòng)輪部分由大傳動(dòng)比輪、皮帶和小傳動(dòng)比輪組成。小傳動(dòng)比輪與電機(jī)相連實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過皮帶帶動(dòng)大傳動(dòng)比輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大傳動(dòng)比輪與槽輪圓柱銷連接帶動(dòng)槽輪做間歇運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.1.4 槽輪。槽輪部分由槽輪、圓柱銷、主動(dòng)撥桿和缺口圓盤組成。主動(dòng)撥桿上的圓柱銷進(jìn)入槽輪上的徑向槽以前，凸鎖止弧將凹鎖止弧鎖住，則槽輪靜止不動(dòng)。圓柱銷進(jìn)入徑向槽時(shí)，凸鎖止弧、凹鎖止弧剛好分離，圓柱銷可以驅(qū)動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)圓柱銷脫離徑向槽時(shí)，凸鎖止弧又將凹鎖止弧鎖住，從而使槽輪靜止不動(dòng)。因此，當(dāng)主動(dòng)撥桿作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槽輪被驅(qū)動(dòng)作單向的90°間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足使每個(gè)裝鞋架能停在整個(gè)裝置正下方。槽輪結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.2 運(yùn)輸部分。運(yùn)輸部分由電動(dòng)推桿、舵機(jī)和運(yùn)鞋板組成，如圖8所示。舵機(jī)通過轉(zhuǎn)臂的高低差將鞋頂起到運(yùn)鞋板上，電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)鞋子運(yùn)出和收入。

2.3 智能部分

鞋柜控制系基于ARM Cortex-M4系列單片機(jī)進(jìn)行拓展。

第一，功能菜單控制面板，用戶通過控制面板選擇不同的功能，如烘干、殺菌、存鞋和取鞋等。

第二，存鞋和取鞋，主要?jiǎng)恿碓从陔姍C(jī)，為了精準(zhǔn)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向，電機(jī)采用閉環(huán)的PID控制（比例-積分-微分控制）。

第三，殺菌、烘干。通過控制面板反饋的命令，單片機(jī)對(duì)傳感器與執(zhí)行器的開關(guān)和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行控制。

第四，使用藍(lán)牙模塊或者WIFI模塊，使手機(jī)與智能鞋柜之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，在一定范圍內(nèi)，通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)不同功能命令的遠(yuǎn)程輸入。

鞋柜控制系統(tǒng)基于ARM Cortex-M4系列單片機(jī)進(jìn)行拓展。芯片主頻高達(dá)100 Hz，足以應(yīng)對(duì)鞋柜內(nèi)部控制部分和人機(jī)交互部分。

3 鞋柜的功能

殺菌：智能鞋柜通過控制鞋柜內(nèi)部紫外線的開關(guān)以及開啟加熱功能，能有效殺死一些細(xì)菌。

烘干：鞋柜開啟加熱功能，并通過排風(fēng)扇，將內(nèi)部濕度較高的空氣抽走。

自動(dòng)存鞋：主控板通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)間、轉(zhuǎn)速和方向，從而控制運(yùn)鞋板移出鞋柜。當(dāng)鞋放置于運(yùn)鞋板上時(shí)，運(yùn)鞋板返回鞋柜內(nèi)部，將鞋傳遞給存鞋板，并對(duì)鞋進(jìn)行分類標(biāo)記。

選鞋：在存鞋過程中對(duì)鞋的種類進(jìn)行分類與標(biāo)記，可通過液晶顯示屏提示直接選擇想要的鞋。

自動(dòng)取鞋：當(dāng)用戶需要取鞋時(shí)，存鞋板通過槽輪機(jī)構(gòu)做間歇圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)存鞋板與運(yùn)鞋板重合時(shí)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)鞋板抬起，將鞋運(yùn)送出鞋柜。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：該鞋柜內(nèi)部的選鞋裝置采用槽輪機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為放鞋架的間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為自主選鞋提供空擋時(shí)間。錯(cuò)位設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單靈活，當(dāng)放鞋板運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，鞋會(huì)自動(dòng)落到運(yùn)鞋板上。

功能創(chuàng)新：集分類存儲(chǔ)、烘干消毒、智能存取為一體。

外觀創(chuàng)新：具有美觀實(shí)用、方便環(huán)保和輕便安全等特點(diǎn)，能滿足不同人的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款具有殺菌、消毒、智能選鞋、自動(dòng)存鞋和自主取鞋等功能的間歇式多功能智能鞋柜。該鞋柜主要由傳動(dòng)部分、運(yùn)輸部分和智能部分組成。外觀采用木板與亞克力板結(jié)合，既美觀，又環(huán)保耐用。

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