智能鞋柜存取清洗装置设计*

王 鑫，周洪艳，张 硕，刘鑫明

(长春师范大学 工程学院，吉林 长春 130032)

0 引 言

目前市场上大部分鞋柜只有存储和装饰两个作用，对其改良大多是款式创新和令其储存空间充分利用，少数鞋柜增添了消毒、除菌的功能，但普遍存在寻鞋速度慢、存鞋洗鞋独立化、存取鞋方式单一的问题。就智能鞋柜未来的发展趋势而言,市场容量很大,因此未来市场对其需求量的增势是值得期待的[1]。笔者致力于设计一款打破传统储存鞋子方式的智能鞋柜存取清洗装置，解决鞋子收纳和储存问题，保证玄关干净整洁，避免动手开柜寻鞋，节约时间，提高生活幸福感。此外在智能鞋柜存取清洗装置中增设清洗功能，解决日常生活中手动清洁鞋子的种种问题。

1 总体设计方案

智能鞋柜存取清洗装置由刷鞋机1、存储系统2、洗鞋机3和运输系统4组成，如图1所示。存储系统位于鞋柜的前侧，用于检测鞋柜储存状态和存放鞋子。清洁系统由洗鞋机3和刷鞋机1构成，位于鞋柜左右两侧，用于实现鞋子的清洁。运输系统位于鞋柜后侧，用于实现鞋子在鞋柜中的自由移动。此设计将储存系统与其他系统隔开，在外观设计时，可将清洁部分和运输部分遮挡，在不影响美观的基础上，各部分互不影响，各司其职。

图1 智能鞋柜存取清洗系统1.刷鞋机 2.存储系统 3.洗鞋机 4.运输系统

2 结构设计

基于慧鱼创意组合模型搭建智能鞋柜存取清洗装置，直观地实现机器间的组合和扩充，辅以TXT 控制器和Robo Pro编程软件，实现鞋子存取清洗一体化功能。

2.1 存储系统设计

存储系统即在每个鞋柜格的底部加上开关，利用鞋子重力检测鞋格中是否有鞋。初始状态下，开关处于断开状态。放入鞋子，开关被压迫至闭合。存鞋时，运输系统根据鞋格中的开关是否闭合选择鞋格，将鞋子存入。为让用户在不打开鞋柜的情况下更直观地观察鞋柜储存情况，在鞋格前端安装小灯，当鞋格中开关闭合时，小灯亮起，表示鞋格中有鞋，实现可视化。

2.2 运输系统设计

运输装置由转向部分1、升降部分2、推送部分3、抓取部分4、移动部分5组成，如图2所示。转向部分由涡轮与齿轮盘啮合而成，负责带动升降部分实现抓取部分的180°旋转。升降部分搭载在齿轮盘上,由两根丝杠和丝杠上的滑块构成[2]，为保证装置平衡以及更好的运转，在其四周加四根承重柱用于固定。升降部分用于实现抓取部分沿z轴的移动。工作时，丝杠上的滑块随着丝杠转动做直线运动，滑块上搭载的推送部分即可随之做沿z轴的直线运动。转向部分搭载在移动部分上，移动部分工作原理与升降部分相同，用于实现抓取部分沿y轴移动。推送部分由丝杠构成，用于实现抓取部分沿x轴运动。升降部分、转向部分、移动部分相互配合实现抓取部分在鞋柜中自由移动。抓取部分即在丝杠带动下，滑块上的连杆的运动带动夹板运动，用于实现将抓取鞋子、放下鞋子、将鞋子送入指定地点、将鞋子从指定地点取出的功能。

图2 运输系统1.转向部分 2.升降部分 3.推送部分 4.抓取部分 5.移动部分

2.3 清洗系统设计

由于刷鞋机和洗鞋机工作原理不同，清洁系统分为刷鞋部分和洗鞋部分，分别放置在鞋柜的两侧,实现对鞋子的多方位清洗、擦拭[3]。

刷鞋机由撑鞋器1、刷毛2、导轨3组成，如图3所示。撑鞋器采用类似机械手结构，当丝杠在电机带动下转动时，其上的滑块实现沿x轴直线运动，而滑块与夹板间用杆连接，夹板得以运动至夹紧，反之，夹板张开。利用撑鞋器两个夹板张开时的张力和鞋子鞋口一般较小的特点，可在撑鞋器伸入鞋口后使夹板张开，将鞋子固定在撑鞋器上。导轨由齿条与齿轮箱配合，实现沿y轴的直线运动，导轨上配有限位开关，当撑鞋器运动到指定位置时，触碰开关使其停止。运输系统将鞋子放入刷鞋机后，控制撑鞋器夹板的电机开始运转，待夹板完全张开，撑鞋器随导轨沿y轴运动直至触碰限位开关停止。刷鞋机四周的刷毛随导轨向撑鞋器停止位置移动，触碰限位开关后停止。刷毛到位后，鞋面上的刷毛和鞋底的刷毛同时运转，达到清洁鞋子的作用。清洁结束后，用于清洁鞋面的刷毛复位，撑鞋器将鞋子带回。随后运输系统将鞋子放入储存系统。

洗鞋机由底部筛板1和中心转轴2组成，如图4所示。底部筛板用于将鞋子带离洗鞋机。中心转轴和洗鞋机桶壁上带有刷毛，利用中心转轴旋转时转轴和桶壁上的刷毛与鞋子接触产生的摩檫力将鞋子清洗干净并利用中心转轴高速旋转的离心力将鞋子甩干。当运输部分将鞋子送入洗鞋机，洗鞋机的中心转轴电机在程序控制下开始运转，清洁结束后，底部筛板连同洗鞋机中心转轴随导轨一起上升，将鞋子带离洗鞋机，随后运输系统将鞋子放入储存系统。

图3 刷鞋机 图4 洗鞋机1.撑鞋器 2.刷毛 3.导轨 1.筛板 2.中心转轴

3 运动原理分析

智能鞋柜存取清洗装置中存储系统、传输系统、刷鞋机、洗鞋机各用一个TXT控制器，当8路通用输入接口和4路电机输出接口不够时，可采用双机通信方式解决问题。用户将鞋子放在指定位置并且输入需求后，整个装置开始运行。当用户选择直接存鞋，运输系统的左右移动部分首先启动，将带有升降部分的转盘移动到鞋柜的第一列，根据运转时间判断到达第一列后，升降部分开始运作，将推送部分放在鞋柜的第一行，根据运转时间判断到达第一行后，推送部分开始工作，将抓取部分送入第一行第一列的鞋格中，随后抓取部分张开，将鞋子拿起，推送部分归位，升降部分和左右移动部分再次配合将搭载着鞋子的推送部分停在鞋格处，推送部分重复工作将鞋子放入鞋格。当鞋子存入储存系统后，鞋格底部的限位开关被按压，表示鞋格中有鞋。将鞋子送入其他鞋格的过程与其相似，即先确定列，后确定行。储存时运输系统将避开有鞋的鞋格。

当用户选择刷鞋后存鞋，运输系统按上诉方式将鞋子从第一行第一列鞋格中取出，随后转向部分配合升降与左右移动部分，将鞋子运输到刷鞋机，当刷鞋机检测到鞋子时，刷鞋机的撑鞋器伸入鞋内，两个夹板同时伸开，模拟穿鞋过程，撑鞋器将鞋提起后，跟随齿条运动到指定位置，鞋子到位后，刷毛开始向鞋子方向聚拢，随后刷鞋机的刷毛和固定在刷鞋机底部的刷毛同时运转，围绕鞋子上下左右运动将鞋子清洁干净，将鞋刷干净后，运输系统重复步骤将鞋子放入合适的鞋格。当用户选择洗鞋后存鞋，运输系统将鞋子送入洗鞋机。洗鞋机检测到重力开始运转，利用摩擦力将鞋子刷洗干净，利用离心力将鞋子甩干。随后筛板连同中心转轴一起升到刷鞋机外部，这时，运输系统开始工作，将鞋子放入空鞋格内保存。智能鞋柜存储清洗设计流程如图5。

图5 智能鞋柜存储清洗设计流程图

当用户想要取出某双鞋时，只需在控制面板上输入鞋子所在的行列数，运输系统将根据用户需求到达该鞋格，推送部分带动抓取部分向前抓取鞋子，鞋子到位后，推送部分归位，升降和移动部分将鞋子送到储存系统的第一行第一列处，推送部分伸出，抓取部分将鞋子放下。

4 结 语

智能鞋柜存取清洗系统符合当下年轻人追求快节奏生活的潜在需求，迎合了目前电子产品代替传统产品的市场趋势，可以预测其市场发展将与其他智能家具相同。但目前该装置还处于模拟现实情况阶段，在现实使用过程中可能会出现排水不畅、噪声过大、存储空间有限等问题。后续将继续开展排水部分设计、运输部分减震优化、鞋柜材料选择及改变储存部分结构实现空间利用最大化等工作，对该装置进行进一步改良。