智能鞋柜多功能一体清洁机结构设计*

薛晓龙 ，周洪艳 ，刘鑫明 ，刘晓宇 ，王 鑫 ，于佳伟 ，张 硕

（长春师范大学工程学院，吉林 长春 130032）

随着社会的发展，智能设备逐渐深入到人们的生活，鞋柜作为服务人们生活的家具也在飞速发展[1]。人们对智能家居产品的购买力逐步上升，市场上的智能鞋柜产品越来越丰富多彩，热门的智能鞋柜一般具有收纳、消毒、除臭、杀菌、抽湿等功能，而集自动存取鞋、及时清洁护理于一体的智能鞋柜则较少[2-5]。以北方冬季下雪时鞋面鞋底挂满雪这一情况为例，通常人们在门口跺脚不能将雪处理干净，导致鞋面鞋底浸湿，该情况说明鞋子及时清洁具有一定的市场需求。而具有皮鞋护理功能的设计，能够增加智能鞋柜多功能性，以便实现智能鞋柜产品经济效益更大化。为此，在智能鞋柜能够实现自动存取鞋功能的基础上，本研究设计一种多功能鞋子清洁机，以便满足鞋子及时清洁与护理两大需求。

1 智能鞋柜多功能一体清洁机总体设计

智能鞋柜由存取鞋装置、清洁机两大部分组成，如图1所示。清洁机可以放置在鞋柜里面，也可以独立形式放置在鞋柜旁边，可根据用户需求进行相应放置，满足鞋柜占用空间合理性。清洁机的传动方式为传送带传动和丝杠传动，通过传感器的感应自动识别是否已经有鞋停放在清洁机里，根据用户需要，通过清洁、护理按键进行智能选择，对鞋面鞋底进行全方位清洁。清洁机由鞋底清洁装置、鞋面清洁装置、皮鞋护理装置、落尘收集装置四个部分组成，如图2所示。

图1 智能鞋柜

图2 清洁机

2 清洁机装置设计

2.1 鞋子清洁功能

鞋子的清洁功能包括鞋底清洁与鞋面清洁，使用两个装置达到清洁目的，分为鞋底清洁装置和鞋面清洁装置。鞋底清洁装置主要包含X轴方向上的同步传送带实现鞋底清洁功能，传送带上附着的硬毛刷，以及在固定支撑座上安装的一个温度传感器，如图3所示。当人将脚放置在传送带后，传感器检测到信号，程序启动传送带同步转动，传送带转动带动其表面的毛刷同步运动，毛刷与鞋底接触，这样就实现了鞋底的清洁。考虑到传送带使用疲劳后，会使清洁效率变低，于是在其底部设有一处可自动调节的张紧轮。当达到疲劳后，可以将旋钮转动90°，然后调节至合适的紧度，再将旋钮转至水平位置即可调节完成。

图3 鞋底清洁装置

鞋面清洁装置主要包含三个滚动毛刷、驱动毛刷转动的电机（以下简称电机1）、带有25°倾角的导轨、以及负责沿X轴移动的传动丝杠和驱动丝杠转动的电机（以下简称电机2），如图4所示。当程序启动后，电机1开始转动通过两个正齿轮带动最中间的滚动毛刷转动，中间的滚动毛刷与两个侧面滚动毛刷则通过夹角为60°的锥齿轮传动，滚动毛刷贴合鞋面转动，实现了固定鞋面的清洁。而实现鞋面的全方位的清洁需要用到导轨和丝杠，电动机2转动后，因为导轨带有倾角，在丝杠的带动下，滚动毛刷会逐步地往下移动，滚动毛刷就会一直贴着鞋面转动，达到覆盖鞋面的清洁目的。

图4 鞋面清洁装置

2.2 鞋子保养与后续运行

这一部分主要负责皮鞋保养与鞋子清洁后的落尘处理。包含两个装置，分别为皮鞋保养装置与落尘收集装置。皮鞋保养装置由喷油器、电动泵、油管和油壶组成，皮鞋保养装置是依托在鞋面清洁装置之上。油壶在导轨上推动装置的下表面，油管顺着滚动毛刷支撑座延伸到滚动毛刷上面，悬空在与滚动毛刷相距不远处，每个滚动毛刷上的油管接有两个喷油器[6]。程序启动后，电动泵开始工作，使油壶中的鞋油顺着油管通过喷油器落在滚动毛刷上，毛刷开始滚动，鞋油一并刷在了皮鞋上，进行擦鞋油工作，实现皮鞋保养作用。落尘收集装置主要由一个长条形的吸尘器和导尘管组成，当灰尘被滚动毛刷处理后，会慢慢向底板落去，在落到底部之前，吸尘器内部的电机高速旋转将灰尘沿着导尘管吸入内部储尘袋储藏起来。当其灰尘储存收集至饱满状态，吸尘器内的感应器反馈至主程序，然后蜂鸣器开始报警，提醒人们将内部储物袋拿出来清理。

2.3 电动机以及毛刷的选择

选用符合装置要求规格的电动机是提高装置的可靠性与经济效益的重要因素。在选择电动机前，同步传送带与工作物的总质量m=10 kg，滑轮直径D=24 mm，滑轮材质为铝，滑轮质量mp=0.25 kg，滑轮效率η=0.9。在惯性的计算中，滑轮的负载惯性、工作物与皮带的负载惯性分别为：

在所需转矩的计算中，负载转矩、加速转矩分别为：

所需扭矩T=TL+Tα=0.38 N·m。

以上述的计算结果为条件，选择满足条件的品名为ZAM46AC-HP9F-C+CC010VZF步进电机为同步传送带的驱动电机。

毛刷使用的地方不同，毛刷的材质也不尽相同[7]。清洁鞋底时，因为鞋底灰尘较多，且鞋底质地

较硬，不用担心毛刷将其刷坏，故在同步传送带上的毛刷一般选用磨料尼龙。磨料尼龙是以尼龙6或尼龙612为刷丝的原料加入碳化硅（SIC）或氧化铝（Al2O3）磨料颗粒后的合成丝，也称磨料丝或研磨丝，其制成的毛刷成品具有耐磨的特性，可以增加鞋底清洁装置的使用寿命[8-9]。而清洁鞋面时，鞋面一般为布料，此时的毛刷宜选用普通的尼龙6，其价格在尼龙系列中优廉，质地柔软，还具有恢复性、耐温性与耐磨性。

3 运动原理分析

智能鞋柜清洁机的智能控制由一个控制面板和一个电源组成，通过计算机上的编程软件将程序编写完毕后导入控制面板中，当机构与程序相结合，这个清洁机构就孕育而生了。

当人穿着鞋将脚放到传送带上时，温度传感器感应到人后，反馈到主程序，整个系统开始工作。同步传送带开始工作，驱动电机快速转动带动传送带表面的毛刷沿X轴方向运动，鞋子底部的灰尘被毛刷扫下，同步传送带工作的同时，鞋面清洁装置也会同时启动，电动机1工作使处于最中间的滚动毛刷转动，两边的滚动毛刷通过锥齿轮与最中间的滚动毛刷实现联动，三个滚动毛刷开始清理鞋面灰尘。电动机2工作，在正齿轮的连接下带动丝杠传动，通过丝杠使三个滚动毛刷实现在X轴与Z轴的移动，电动机2正反旋转两次后，鞋底与鞋面的清洁装置同时停止运行，但落尘收集装置在与前两者同步工作至停止工作后会延时15秒钟后停止，这是为了保证从鞋子上清理的灰尘能够充分地通过导尘管被吸入吸尘器的储物袋中。当人们需要给皮鞋做保养、擦鞋油时，需另外选择皮鞋保养功能，程序会在人结束选择时，命令清洁机构在清灰完毕后，鞋面清洁装置再次启动，但此时皮鞋保养装置会启动，电动泵会将油壶中的鞋油泵出，顺着油管末端的喷油器落在滚动毛刷上，滚动毛刷转动的同时，鞋油便被均匀地刷在了皮鞋上，依旧往复工作两次后，两个装置停止工作[10-13]。

4 结语

综上所述，多功能一体清洁机放置在鞋柜中，或者放置在鞋柜旁边，达到空间利用合理、一柜多用的使用效果，能够满足智能家居时代人们对鞋子及时清洁的需求，更加智能化及人性化。清洁机利用鞋底清洁装置、鞋面清洁装置、皮鞋护理装置、落尘收集装置的分工与协同共同完成清扫、护理、收集一体化处理工作，提升了智能鞋柜产品竞争力，减少了人工劳动量，满足了用户对智能家居产品的需求。智能鞋柜多功能一体清洁机设计具有一定的开发前景，对于智能鞋柜未来的发展具有较好的参考价值。