一种新型智慧擦鞋机＊

姚 俊，齐宏博，白久航，侯广林，崔 忱

（沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）

在经济社会快速发展的今天，人们在满足物质生活需求的同时，也对精神生活有着强烈追求。而现代人工作和生活节奏的加快，使得人们无暇把时间浪费在手握鞋刷上，人工擦鞋既费时又费力。基于此，能够解决此项问题的智慧擦鞋机应运而生。当前市场多数现有的擦鞋机为皮鞋抛光机或者清洗剂，实用性一般。为了解决目前市场上擦鞋机所存在的缺点，改进装置的设计，产品外观如图1所示。这一装置能更好地进行擦鞋作业，促进擦鞋机行业的发展。

图1 产品外观

1 社会需求

首先，在人际交往中，良好的第一印象是打开交往大门的一把无形的钥匙，因此，人们对自身的衣着外貌有很高的要求。而智慧擦鞋机作为一种新兴的服务设施，充分地满足了人们的需求。客观上要求擦鞋行业经营模式和服务档次同步转型和升级，从而满足人们对生活品位和质量的需求。最后，针对目前市场上所存在的缺点，对擦鞋机的技术进行改良，这样才能更好地进行擦鞋作业，促进擦鞋机行业的发展。

2 解决方案

机械硬件部分，通过机械结构稳定的传输机械信号，从而更好地控制鞋刷运行位置以及鞋刷的转动。减速部分由开式齿轮传动和带传动组成，具有一定程度上的减振和抗外界灰尘油污干扰能力。鞋底鞋面由不同的鞋刷清洁，以防鞋底的重污染物对鞋面造成二次污染。选用具有一定程度上可控制的步进电机的普通电机组成动力系统，为擦鞋机提供动力。

控制信号部分，采用AT89C2051单片机来作为整机的控制单元[1]。红外线探头采用市面上通用的发射管和接收管组成简易的遮挡式红外发射与接收电路，将感应到的红外信号通过三极管的工作状态转化为数字信号送到单片机系统处理[2]。设备更注重使用体验，与智能音箱等智慧家居进行联动。手机蓝牙控制，提供个性化擦鞋方案。

该擦鞋机系统比较灵活，采用软硬件结合的方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，也更加的人性化。

3 结构设计

产品由传送带、电动机、减速机构、轮状毛刷、控制电路及附属机构组成，它的轮状毛刷不仅在轮体的外圆柱面上有刷毛，而且在轮体的端面上也有刷毛。擦鞋机采用嵌入式系统开发，嵌入式系统优点在于体积小、成本低且能耗低。

此外，通过采用CERO和Adams等软件，对产品结构进行了静力学和动力学仿真和分析，优化擦鞋机结构，提高产品设计效率。驱动模块设计采用可变结构的驱动模块，可以在不同工作环境下正常工作，多驱动轴协调控制，从而适应多种不同型号擦鞋机。

3.1 材料选择

在材料选择方面坚持绿色材料选择原则，选材坚持无毒无害、低能耗、材料易回收再利用原则，从而进行最佳选材。

机械外部结构各部分受力不同，所以采用多材料组合的方法，在众多材料中选取了4种材料，分别为低密度聚乙烯、HDPE、不锈钢、ABS，对各种材料进行加权分析。由于市面上共享产品更新换代速度快，第一代产品预计使用3年。所以选取了阻燃ABS作为主体外壳，ABS外观为不透明呈象牙色，无毒、无味、吸水率低，可以制作成各种颜色；热变形小、尺寸稳定性好，具有优良的综合物理和机械性能，成品加工和机械加工较好[3]，是我们选材的不二之选。在有集中应力的地方加以不锈钢圆圈，减少集中应力对框架的损坏。

3.2 机械结构设计

机械结构的基本要求：①保证机构有合适的夹紧力，夹紧力过大会将破坏鞋和设备；而夹紧力小，结构空间过大，成本会增加。有一定的承载能力，结构稳定可靠。②机构的设计应该尽量做到结构紧凑，生产成本低，后期维修维护方便，设备的自身要有一定的强度、硬度和良好的稳定性。③机构应有一定程度的开合距离，机构张开能保证各种型号的鞋子能放进去，且不同大小的鞋子都可以用合适的力来工作[4]。

机械主体结构采用可拆卸设计，底部擦鞋底系统可取出，使产品的结构便于装配、拆卸和回收，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。

采用紧固件标准化、数量最小化的准则。这样可以便于批量生产，从而降低成本，也可以加快制造业的标准化进程。

鞋底擦鞋系统由一个电机通过带轮带动3个旋转式鞋刷，3个旋转轴为中空四周带孔结构，水管把水抽进旋转轴，水被旋转轴高速转动的离心力带到鞋刷上，鞋子上面和侧边擦鞋方式均采用上述方法。

3.3 控制模块设计

在擦鞋机控制方面，从成本、功耗、体积、可靠性等方面考虑，嵌入式系统都是一个很好的选择。嵌入式系统由硬件和软件组成，是能够独立进行运作的器件。嵌入式系统差异很大，对处理器的要求各不相同，选取ARM-Cortex-M 4为处理器[5]。设备使用ESP8266组件的Wi-Fi技术接入互联网，不需要使用其他网关设备，用户可以通过手机APP与擦鞋机之间建立通信，依托于Wi-Fi信号发送数据信息给单片机[6]，从而实现远程控制，使擦鞋机数据可视化，工作流程如图2所示。为增强人机交互体验，方便使用，在擦鞋机设备上增加了ADS7846芯片驱动电容式触摸屏[7]。采用电容式技术能使机器耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低。

图2 工作流程图

电源模块要求具有较快的输入电压、稳定的输出电压和一定带负载能力，以保证外部供电电源出现较大波动时不会损坏系统，保证整个系统能够稳定地工作。电源模块内增设低压差线性稳压器（LDO）和直流/交流转换器，利用电感和电容的储能特性，加上高频可控开管，实现电能的持续输出，电源模块如图3所示。

图3 电源模块

3.4 绿色设计

该产品遵循了绿色环保的设计理念。在设计中，生态效益是不可忽缺的。在整个设计流程中，我们所要追求的不仅仅是所生产的产品要绿色环保，而且产品在使用过程中也不会污染周围环境。

简化设计，对产品结构进行简化设计，尽量减少擦鞋机零件的数量，把水管和固定装置都设计到框架上，并将外壳的连接方式设计成螺钉连接，内部基本框架的连接方式为螺栓连接。这样做大大减少了产品的装配和拆卸时间，还可以达到减少紧固件数量的目的。

减噪设计，根据设计要求，机器工作噪声要小。而环保型ABS聚合物减振隔音板可以有效减少机器在工作时发出的噪声[8]。

4 产品优势

智慧擦鞋机是智慧家居的外延，是物联网产品，可以让更多人体会到物联网技术在生活中应用的便利性。产品主要特点如下：①适应能力强。智慧刷鞋机既可以家用也可以商用。②可靠性高。对产品进行可靠性调查、分析和评价，对其进行可靠性环境和寿命试验分析，结果平均寿命均符合要求。只有高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要。

5 创新点

该设备创新点在于擦鞋机结构的优化，提升其功能性和智慧程度。通过物联网智能家居技术，实现对设备的监视和控制。在供电方式上，除了传统式通过电线连接进行电源供电，还可以根据产品的应用场所选择太阳能电池进行供电。太阳能供电系统由太阳能电磁板、太阳能控制器、蓄电池、逆变器等组成。

6 结语

本文是对目前市场上擦鞋机产品存在的缺陷进行改造，并对传统产品进行创新。首先，在设计结构上不仅采用滚轮型鞋刷，还单独地设计了擦鞋底装置。缓冲吸振的设计方案增加了产品的可靠性，采用智能的控制方式，带来全新的用户体验。通过对内部结构和外部结构的创新设计，使该节能环保式智慧擦鞋机向多功能化发展，使其具有更好的节能、环保性能，设计更具有个性化、智能化的智慧型产品，进一步提升产品的实用价值。