间歇式多功能智能鞋柜的设计及制作

刘玉辰 杨育熙 张龙 李潇 道尔吉 曹刚

摘 要：本研究设计了一款间歇式多功能智能鞋柜，不仅具有杀菌消毒的功能，而且能实现自动化存取鞋，价格也十分亲民。该智能鞋柜主要包括传动部分、运输部分、智能部分。传动部分通过电机上连接的皮带轮提供原动力，实现槽轮机构和链板的转动;运输部分通过舵机与伸缩杆的配合实现存取鞋的功能;智能部分通过面板控制实现定点选取鞋。

关键词：多功能;自动化;智能鞋柜

中图分类号：TS665.2文献标识码：A文章编号：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

隨着我国经济的不断发展，以及人们生活水平的不断提高，人们的消费观念和消费水平有了很大的转变与提升。从GDP占比来看，发达国家的健康产业生产总值GDP比重超过了15%，而中国健康产业生产总值仅占GDP的5%左右。未来十年内，这一数字将快速上升到15%以上，预计到2025年，中国健康产业的规模可望突破10万亿元。在这个契机下，智能鞋柜得到快速发展。市场上现有的智能鞋柜仅具有杀菌、消毒、烘干等功能，并没有大的创新与升级，也没有对客户群体进行分类定制产品。本研究设计了一种间歇式多功能智能鞋柜，除了具备市场上一般智能鞋柜所具备的杀菌、消毒、烘干等功能外，还可以帮助腰腿不便的老人完成选鞋、换鞋、穿鞋等。

1 鞋柜整体设计介绍

团队以自动化+智能化为出发点，将电控与传统机械相结合以实现自动选鞋的功能，最终确定了设计方案，如图1所示。

从图1可知，本文设计的间歇式多功能智能鞋柜主要包括三个部分，即传动部分、运输部分和智能部分。每个部分又包括不同的构件。

传动部分通过电机上连接的皮带轮提供原动力，实现槽轮机构和链轮的转动;运输部分通过舵机将鞋顶到运鞋板上，再通过电动推杆运输鞋，可以实现存取鞋的功能;智能部分通过面板控制实现定点选取鞋。传动与运输结构如图2所示，鞋柜的实物模型如图3所示。

传动部分中的主动轴固定在鞋柜内部两侧，槽轮结构和链板安装在主动轴上实现同轴转动，电机通过皮带轮带动传动部分的槽轮转动。取鞋时，电机带动从动轮驱使槽轮运动，因槽轮特殊结构作间歇转动，使得放鞋板与运鞋板重合，因两板存在高度差可让所选的鞋通过运输部分运输到使用者面前，辅助完成穿鞋动作。放鞋时，鞋放在运鞋板上，电动推杆回缩运鞋板与放鞋板重合，电机转动带动传动部分转动完成放鞋过程。

该智能鞋柜具备自动与手动两种操作模式，两种模式相结合，使用者首先可以通过鞋柜顶部的控制面板选择存放在鞋柜中的鞋子，其次鞋柜会自动将选中的鞋子送出，最后在使用者换完鞋后，运鞋装置可自动收回换下的鞋子并进行存储和杀菌消毒。同时，该智能鞋柜提供了各种消毒、杀菌和烘干不同模式供用户选择。

2 鞋柜各部分设计介绍

2.1 传动部分

2.1.1 链轮。链轮部分由大链条、链条、循环大链轮组成（见图4）。大链条通过链条与销配合十字分布在循环大链轮上。

2.1.2 鞋架。鞋架的机构如图5所示。鞋架部分由空心管、挂钩和放鞋板组成。空心管是不锈钢薄壁管，主要与大链条上的孔配合，放鞋板通过小孔安放在铁丝弯成的挂钩上，并将挂钩挂在空心管上。

由于重力作用，放鞋板能一直保持水平状态，鞋子能稳定地放在放鞋板上。

2.1.3 传动轮。传动轮部分由大传动比轮、皮带和小传动比轮组成。小传动比轮与电机相连实现转动，再通过皮带带动大传动比轮转动，大传动比轮与槽轮圆柱销连接带动槽轮做间歇运动。传动轮的结构如图6所示。

2.1.4 槽轮。槽轮部分由槽轮、圆柱销、主动拨杆和缺口圆盘组成。主动拨杆上的圆柱销进入槽轮上的径向槽以前，凸锁止弧将凹锁止弧锁住，则槽轮静止不动。圆柱销进入径向槽时，凸锁止弧、凹锁止弧刚好分离，圆柱销可以驱动槽轮转动。当圆柱销脱离径向槽时，凸锁止弧又将凹锁止弧锁住，从而使槽轮静止不动。因此，当主动拨杆作连续转动时，槽轮被驱动作单向的90°间歇转动，满足使每个装鞋架能停在整个装置正下方。槽轮结构如图7所示。

2.2 运输部分。运输部分由电动推杆、舵机和运鞋板组成，如图8所示。舵機通过转臂的高低差将鞋顶起到运鞋板上，电动推杆实现鞋子运出和收入。

2.3 智能部分

鞋柜控制系基于ARM Cortex-M4系列单片机进行拓展。

第一，功能菜单控制面板，用户通过控制面板选择不同的功能，如烘干、杀菌、存鞋和取鞋等。

第二，存鞋和取鞋，主要动力来源于电机，为了精准地控制电机的转速、方向，电机采用闭环的PID控制（比例-积分-微分控制）。

第三，杀菌、烘干。通过控制面板反馈的命令，单片机对传感器与执行器的开关和运行时间进行控制。

第四，使用蓝牙模块或者WIFI模块，使手机与智能鞋柜之间实现远程通信，在一定范围内，通过手机APP实现不同功能命令的远程输入。

鞋柜控制系统基于ARM Cortex-M4系列单片机进行拓展。芯片主频高达100 Hz，足以应对鞋柜内部控制部分和人机交互部分。

3 鞋柜的功能

杀菌：智能鞋柜通过控制鞋柜内部紫外线的开关以及开启加热功能，能有效杀死一些细菌。

烘干：鞋柜开启加热功能，并通过排风扇，将内部湿度较高的空气抽走。

自动存鞋：主控板通过控制电机驱动的时间、转速和方向，从而控制运鞋板移出鞋柜。当鞋放置于运鞋板上时，运鞋板返回鞋柜内部，将鞋传递给存鞋板，并对鞋进行分类标记。

选鞋：在存鞋过程中对鞋的种类进行分类与标记，可通过液晶显示屏提示直接选择想要的鞋。

自动取鞋：当用户需要取鞋时，存鞋板通过槽轮机构做间歇圆周运动，当存鞋板与运鞋板重合时，舵机驱动运鞋板抬起，将鞋运送出鞋柜。

4 创新点

结构创新：该鞋柜内部的选鞋装置采用槽轮机构，将电机的连续旋转运动转化为放鞋架的间歇旋转运动，为自主选鞋提供空挡时间。错位设计，简单灵活，当放鞋板运动到最低点时，鞋会自动落到运鞋板上。

功能创新：集分类存储、烘干消毒、智能存取为一体。

外观创新：具有美观实用、方便环保和轻便安全等特点，能满足不同人的需求。

5 结语

本文设计了一款具有杀菌、消毒、智能选鞋、自动存鞋和自主取鞋等功能的间歇式多功能智能鞋柜。该鞋柜主要由传动部分、运输部分和智能部分组成。外观采用木板与亚克力板结合，既美观，又环保耐用。

参考文献：

[1]卜许辉，李志刚，殷成，等.自动化智能鞋柜的设计[J].现代制造技术与装备，2019（7）：59-60.

[2]秦川，孙沐钰，袁嘉鑫.智能家用自动存取鞋柜的设计[J].南方农机，2020（5）：238.

[3]赵宇东，陈坤.一款智能鞋柜的设计和开发[J].价值工程，2020（14）：218-220.

[4]李灿霞，尹晓丽，宗可峰，等.自适应智能鞋柜的研发[J].现代信息科技，2020（17）：157-160.

[5]吴燕.基于物联网的智能鞋柜的发展现状研究[J].电子元器件与信息技术，2020（7）：55-56.

[6]李鑫，韩均雷，苏勇勇，等.智能鞋柜发展现状研究[J].电子世界，2016（1）：56-57.

[7]王佳权，王皓，陈少勇，等.基于物联网的智能鞋柜系统设计[J].电子技术应用，2017（3）：84-87.