基于小户型公寓的智能扩容家具机械结构设计

梁甜甜,王艳丽，桓耀邦,段佳明*,刘 通

(1.北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021；2.吉林省工业技师学院，吉林 吉林 132021)

随着人口增加和土地资源紧张这一矛盾的加剧,小户型住宅在解决人们居住需求方面一直发挥着重要作用[1].近年来，我国北上广深等发达地区吸引了大量年轻人才的涌入，在带动当地经济迅速崛起的同时，也拉高了当地的房价.然而，高房价也成为阻碍年轻人才继续向发达城市迈进的重要因素.在此形势下，兴起一类针对年轻人群需求的小户型公寓，建筑面积在30～50 m2之间，以一室一卫结构为主.面积在20 m2左右的一室承担了传统住房中客厅、卧室、餐厅和书房的多个角色，如何合理的利用此空间，成小户型公寓居住舒适度的关键所在[2].为解决小面积与多功能之间的矛盾，研究人员们设计了多种可变形的扩容家具[2-4].目前，可变形的扩容家具多以手动变形的中小型家具为主，移动和变形也受到人的身高和力量等因素限制.针对此问题，设计了一款专门针对小户型公寓使用的大型智能扩容家具，由Arduino单片机进行控制，通过机械结构来驱动家具的移动和变形.实现了空间的大幅度转换，同时实现了可变形家具的智能化.

1 小户型公寓的建筑布局

近年来所流行的小户型公寓建筑面积大多在30～50 m2之间，多为一室一卫的结构，如图1所示.除卫生间区域和厨房区域外，只有一个面积相对较大的多功能厅，用于日常活动和休息.此处区域需要兼顾客厅、卧室、餐厅和书房等多个用途，面积常在20 m2左右.本研究所设计的智能家具，就是针对多功能厅的区域使用，通过智能家具的移动和变形，使得多功能厅在客厅、卧室、餐厅和书房等多个角色之间进行切换，提高空间的利用率.

图1 小户型公寓常见布局和智能扩容家具的整体方案

2 总体结构设计

2.1 整体空间规划方案设计

本研究的整体方案如图1所示，智能家具主要针对小户型公寓的多功能区使用.图中4为智能家具主体，以可移动式墙体柜的形式被放置在多功能区中，其内部安装有隐藏式的沙发、书桌、书架和台式电脑等结构，所有结构均由智能家具控制器进行整体控制.墙体柜可沿着滑轨在房间中左右移动，来实现左右空间的切换.当墙体柜移动至房间左侧时，多功能区变为客厅+卧室模块.隐藏在墙体柜一侧的沙发沿着滑轨滑下并折叠，墙面安装的电视露出，多功能区转变为客厅模块.客厅模块和卧室模块之间的切换可通过隐藏式沙发的继续下滑来实现，此时，沙发转变为床.当墙体柜移动至房间右侧时，多功能区变为餐厅+书房模块，模块内设有自动升降折叠的桌椅，可作为大型餐桌使用.用餐结束后，可将此区域切换成书房模块，此时，折叠在墙体柜内部的电脑显示器翻转至桌面，墙体柜上设有内嵌的书架，内部可储存电脑的鼠标、键盘和其他办公用品，实现了设施较全的书房功能.

利用灵活移动的墙体柜代替了传统房间布局中的隔断墙，既实现了房间内区域的清晰划分，又可通过墙体柜的移动来实现房间功能的转变，将有限的空间根据实际需求进行转化，极大地提升了空间利用率.

2.2 机械结构设计

由图2所示，墙体柜的移动单元由步进电机、滚珠丝杠、两组滑轮和两条滑轨构成，两条滑轨分别安装墙壁两侧，滑轨只起到承重和导向的作用.驱动装置在墙体柜的顶部中央位置，由一台大扭矩的步进电机进行驱动，通过4010规格滚珠丝杠进行传动，来实现墙体柜整体的左右移动.将滑轨安置于墙壁顶端，可有效地避免地面的生活杂物对墙体柜的移动造成影响，但同时也使滑轨承受了较大的载荷.

图2 墙体柜移动装置

为确保滑轨的可靠性，通过CATIA软件的分析模块对滑轨的受力进行了静力学仿真[5]，墙体柜整体自重为526 kg，加上墙体柜上放置的生活用品，总载荷设定为600 kg，单只滑轨承重300 kg.分析时忽略地面对墙体柜重量的支撑，即将墙体柜重量全部施加在滑轨上.分析结果如图3所示，滑轨所受的最大应力为15.3 MPa远低于滑轨材料的屈服极限295 MPa.图4为滑轨的垂直方向应变分析结果，在墙体柜全部重量都由滑轨承受的情况下，滑轨最大变形量仅为0.044 mm，不会影响中间滚珠丝杠的传动.

图3 滑轨静力学仿真分析结果

图4 滑轨的变形仿真分析结果

此外，墙体柜底部还安装了辅助承重的轮组，轮组上安装了由弹簧支撑的柔性悬挂系统.既起到了辅助承重的作用，又避免了小型生活杂物对墙体柜移动造成的影响.

墙体柜水平移动的速度可由公式(1)计算[6]：

v=n×I

(1)

式(1)中：n为步进电机，输出转速为1 000 r/min，I为滚珠丝杠的导程为10 mm/r,

经计算墙体柜的水平移动速度v=10 000 mm/min，即10 m/min，可在30 s内完成整个行程的移动，既可确保墙体柜能在较短的时间内完成空间切换，又能保证移动过程的平稳安全.

隐藏式沙发床的机械结构如图5所示，它嵌于墙体柜内，其驱动结构由步进电机、同步带以及两根滚珠丝杠构成，沙发靠背和沙发主体之间装有活动关节，可进行翻折.两根丝杠的滑块分别安装在沙发靠背的两侧，通过步进电机和同步带同时驱动两根丝杠旋转，带动两侧的滑块和沙发的靠背共同上下运动来实现模式的转换.驱动沙发靠背的上升时，沙发主体随之上升，并在重力作用下自由向下翻折，直至与地面相垂直，实现沙发的隐藏.当驱动沙发靠背下降时，靠背沿着引导轨道向上翻折，直至与地面平行.此时，沙发主体和靠背组合成床，实现由客厅模式向卧室模式的转换.

图5 隐藏式沙发床的机械结构

沙发床运用同步带传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比[7]，由于皮带是柔性传动，对步进电机也可以起到一定的保护作用.通过丝杠传动可以将旋转运动转换成线性运动，它具有精度高、摩擦阻力小、效率高和可逆性等特点[8-9].

经过CATIA软件计算，沙发床自重为102 kg，经滚珠丝杠传动后，步进电机所需的保持扭矩可由公式(2)计算：

(2)

式(2)中：F为轴向负载，即沙发，最大重力为999.6 N；I为滚珠丝杠的导程为10 mm/r；n为滚珠丝杠的正效率0.94.

计算结果所需电机保持扭矩T为1.69 N·m，设计中选用的57BYG100步进电机,其保持扭矩为3.1 N·m，能够确保沙发床升降机构的正常运行.

书房+餐厅模块的结构如图6所示，该模块主要是由墙体柜内嵌的桌椅以及电脑显示器组成.桌子和椅子的旋转轴通过桌子两侧的丝杠进行连接，并由步进电机和同步带同时驱动其进行转动，控制桌椅同时上下翻折，来实现桌椅的展开和隐藏.同时固联轴处安有阻尼装置，保证桌子平稳下滑.电脑显示器闲置时隐藏于墙体柜内，使用时可通过控制器驱动其翻转展开，也可通过手动翻折活动关节来进行快捷的调整.

图6 书房、餐厅模块的机械结构

2.3 智能控制系统

本次设计主要是由Arduino系统控制步进电机进行驱动，来实现智能家具各部分的运动.主控板设置有红外、蓝牙和WiFi3种接口，用户可通过这些接口与外部设备(红外遥控器或者手机APP)连接来对智能家具进行整体控制.考虑到使用安全性，在墙体柜内装有红外测距传感器(夏普红外测距传感器 GP2Y0A710K0F，测量距离1 000～5 500 mm)并连接Arduino系统.墙体柜水平移动时，红外传感器自动打开，Arduino主控单元通过红外传感器反馈的信号判断障碍物是否存在及大概位置[10]，控制步进电机做出避障应答，使墙体柜立即停止移动，防止机械伤人，保证用户的安全.有关此项目控制系统的设计将在另一篇报道中进行详细介绍.

3 结 论

设计了一款小户型公寓使用的可变形智能扩容家具，提出了小户型公寓提升空间利用率的新方案，也实现了可变形家具的智能化；对智能家具主体的机械传动结构进行了设计和理论计算，确定了智能家具主体的水平移动速度10 m/min，确保家具可在30 s内完成空间切换，又保证了运行的稳定性；对智能家具的主要的承载滑轨进行了静力学仿真，确保了方案的安全性和可靠性.