智能健康鞋柜设计说明书—长春理工大学.doc

智能健康鞋柜 设计说明 设计者：张存彬 刘皓 吴彦达 陈建 刘海超 指导教师：刘静 王淑坤2012年2月29目 录1、 创新构思，方案设计.31.1设计背景31.2主要功能的创新设计32、 与已有或者相近产品的异同与创新之处.42.1现有相近产品的概况分析42.2异同与创新点分析 53、 主要功能指标及工作原理.63.1功能指标63.2工作原理84、 运动分析和动力分析.134.1运动分析 134.2动力分析 205、 实用化的可能性、成本分析及应用前景216、 实物整体照片.247、 装配关系图见附带CAD图纸文件（共四张）1、 创新构思，方案设计1.1设计背景随着当下人民生活水平的日益提升，人们对家居环境的品质要求也随之水涨船高。家居环境所能给人们带来的便捷与舒适成为生活中必不可少的要素，但是有些问题却仍然没有得到解决，其中之一就是鞋子脏、臭、乱的问题。普通鞋柜里的鞋子常常随意摆放，脏乱问题明显。不合理的保管让不菲的鞋子蒙尘，甚至损坏，同时鞋内常常成为细菌和异味的滋生场所，给人们的健康带来重重隐患。因此，整洁舒适的鞋子不仅可以使人的外表显得干净整洁，更可以使人避免鞋内难闻的气味带来的尴尬，并远离真菌脚气等健康问题的困扰，但是如若每天都人工的对鞋子进行由内而外的清洁又会浪费许多时间和精力，所以，我们按着大赛的设计要求和以人为本的设计理念，从家居生活中最常见的鞋柜入手，将其赋予表面清洁、加热去湿、紫外线除菌和智能存取等多项功能，从而通过一个鞋柜便轻松解决这些烦恼，以期能给人们的生活带来更多的舒适与便利。1.2主要功能的创新设计智能健康鞋柜在功能创新上主要实现以下几个方面的要求：（1）鞋柜的智能化和自动化：实现鞋子的自动存取，清理后的鞋子摆放完全智能化，使鞋柜内的鞋子摆放更规范和整洁。智能健康鞋柜考虑了日常生活中有关鞋子存放和清洁的各种不便之处，可以胜任对日常生活中鞋子的保养与储存工作。（2）全面解决鞋子脏、臭、乱等问题：针对日常生活中鞋子的摆放混乱、鞋内潮湿、滋生真菌和鞋面污垢等常见问题，通过机械结构设计、传感器技术和可编程控制器等多项技术的结合，实现对放入鞋柜内的鞋子进行全自动的智能化表面清洁、加热去湿、紫外线除菌和智能存取等多项功能的创新，解决鞋子脏乱、有气味和真菌诱发脚气等疾病的问题，使人们每天出门时都能穿上一双干净、舒适、健康的鞋子，并使人们省去了每天清洁鞋子和归置鞋子的时间，体现以人为本的设计理念。（3）鞋子清洁保养系统化：要求对鞋子的清洁过程细致规范，既保证鞋子的美观，又保证穿鞋人的健康。该鞋柜无论是鞋面清洁，还是鞋内杂物清洁，以及除菌除湿和智能加热保温，每一项工作都要求做得面面俱到，体贴入微。（4）不影响室内空间的正常使用：该鞋柜要求在保持鞋柜原有外观的基础上，将其赋予新的功能，且要求结构紧凑，制作精巧，省去不必要的空间浪费，在一定成程度上不造成对家居空间的浪费。（5）可自动判断鞋柜内是否有空余鞋位：该鞋柜要求可以自动对鞋柜内是否有空余鞋位进行判断，并通过警示灯对使用者进行提示。2、 与已有或者相近产品的异同与创新之处2.1现有相近产品的概况分析现在市面出现的鞋柜类智能产品多是利用臭氧的杀菌特性来完成杀菌除臭，并通过对鞋子局部加热来达到祛潮效果的电子产品。鞋柜内部多装有臭氧发生器、低温电热元件和控制系统。通过控制系统使鞋柜内产生浓度适合的臭氧，利用臭氧的化学特性，对鞋子进行除臭和杀菌防霉护理，同时控制电热元件间断地工作，缓慢地对鞋子进行烘干护理。这些产品功能上较为单一，主要是利用加温和产生臭氧的方法处理鞋子，人在整理鞋子的时候仍需要比较大的劳动量，同时对于鞋子上一些很难处理的污渍只能束手无策，同时大量的鞋子需要清洁和整理的问题仍未解决，这些都是困扰人们的问题。2.2异同与创新点分析 智能健康鞋柜与现有相近产品的相同点主要体现在以下几个方面：（1）根本用途相同：都是用来存放鞋子的。（2）鞋架结构相同：均为层式结构。（3）在居室中的摆放位置相同：均摆放在门口的墙边。（4）部分现有产品同样具备杀菌功能图1.1 普通家用鞋柜 智能健康鞋柜与现有相近产品的不同点和创新点主要体现在以下几个方面：（1）在现有产品除菌除臭的基础上，具有鞋面和鞋内的清洁功能。（2）具有自动将鞋摆放入架的功能，且摆放过程较为有序，使鞋架上的鞋子摆放得更为整齐。（3）存鞋和取鞋过程完全自动化，使操作更为便 图1.2 智能健康鞋柜 捷。（4）独有的鞋架空余鞋位提示功能，方便使用者了解鞋架鞋子的摆放情况。（5）智能健康鞋柜的全部功能都 实现了智能化和自动化，从鞋子的存放、清洁除菌，到鞋子的摆放、取出，都无需人为干预，让人们轻松享受科技给日常生活带来的便利。3、主要功能指标及工作原理 3.1功能指标通过调查了解日常家庭对家用鞋柜产品的使用习惯和人们对家用机械电子产品的性能要求，我们认为智能健康鞋柜的设计应考虑四点功能指标：存储量、体积、噪音、能耗和鞋架内部温度。（1）存储量：存放鞋子作为鞋柜的最基本功能，合适的存储量是鞋柜设计的前提，通过调查了解市面上一般的家用鞋柜存鞋数量多为从10双到20双不等，这样的存储量基本可以满足一个人口数目为35口的常见家庭，对于少数人口数目较多的家庭，也有容量更大的鞋柜。对于智能健康鞋柜，实体设计存储量为1020双。可以通过增加鞋柜层数和调整摆鞋机构的升降高度来设计出不同存储量的鞋柜。设计后的每个鞋位所占用的空间基本为一双鞋体积的1.11.5倍，以此计算，如果在智能健康鞋柜的鞋架部分采用与常用鞋架相同的体积，智能健康鞋柜的存储量将比传统的鞋柜略小，但对人们日常的鞋子存放影响不大，所以，在存储量上，智能鞋柜可以满足人们生活的日常需求。（由于每个鞋位的结构完全相同，为避免不必要的浪费，在保证可以完成对鞋柜的各项功能的模拟的前提下，慧鱼模型中，仅对四个鞋位进行了拼接，其中，对两个鞋位进行了机械结构的拼接，其余两个鞋位只做简单示意。实体中，存储量如需拓展可设置任意鞋位数目。）（2）体积：由于智能健康鞋柜具有诸多功能模块，所以其实物体积会比现有同类产品的体积略大。体积增大的部分主要为清洗功能模块和摆放模块，其中清洗功能模块的体积不会随着鞋架存储量的增大而放生变化，而摆放模块对鞋架整体体积的影响主要为鞋柜厚度增加，实物增厚量约为30CM。综上所述，以一个存储量为15双的智能健康鞋柜实物为例，其体积约为100cm（长）X80cm（宽）X140cm（高），基本符合日常生活所需鞋柜类产品的体积。（3）噪音：不影响正常生活的噪音要求在50db以下，所以，这就要求智能健康鞋柜的噪音不应超过该值，并做到尽可能小。为满足这一性能指标，智能健康鞋柜在结构设计上经过对多种常见结构噪声情况的对比分析，采用了噪音较小的齿轮传动，并做到结构尽量简单，机械结构尽量少，从而避免不必要的噪声产生。模型的噪音要求在1015db之间，实物则要求在2540db之间。（4）能耗：机器人的重量越大，其行走机构的电机消耗的电能也就越大，行走机构的所做的无用功也就越多。同时，电能消耗的增加也会使使用者的开销加大，不利于该机器人的普及。（5）鞋架内部温度:智能健康鞋柜可以通过温度传感器对鞋架内的温度进行测定，并通过程序控制加热灯工作。其中，加热灯的预设工作温度为30，即当鞋柜内温度低于预设工作温度时，加热灯便会自动工作，当温度比预设温度值高时，加热灯又会自动停止工作。因此，智能健康鞋柜内部的温度基本保持在30左右。3.2工作原理（1）工作平台水平移动机构图3-1 控制工作平台水平移动的齿轮齿条机构（固定在电机上的工作平台已拆除）工作平台的水平移动通过齿轮齿条机构来完成，齿条为固定元件，与之配合的齿轮通过电机的驱动，工作平台与电机固定，从而完成工作平台在齿条上的水平移动。（2）夹持机构图3-2 机械手夹持机构鞋采用机械手进行夹持，机械手由螺母丝杠机构、连杆机构和电机组成。由电机对丝杠进行驱动，从而由丝杠带动螺母做直线运动。连杆机构可以抽象成曲柄滑块机构，其中，由于运动性质相同，在丝杠上做直线往复运动的螺母可以等同于曲柄滑块机构中的滑块，由滑块带动连杆机构完成机械手的张开和夹紧。（3）回转机构 图3-3 控制机械手回转的蜗轮蜗杆机构为带动机械手做圆周转动，智能健康鞋柜采用了涡轮蜗杆机构，其中，夹持机构与涡轮为一个整体，由电机驱动蜗杆作为动力源，再由蜗杆带动涡轮和固定在上面的夹持机构运动，从而完成夹持机构在圆周方向上的回转。（4）滚刷的升降机构 图3-4 控制滚刷升降的螺母丝杠机构和齿轮系滚刷的升降机构由一对螺母丝杠机构和齿轮机构组成。由电机对其中一根丝杠进行驱动，再由齿轮系将动力传输至另一根丝杠，从而实现左右两根丝杠的同向同速转动。滚刷固定在左右两个螺母上，由同向等速的一对丝杠带动其对应的螺母做升降运动，从而实现了整个滚刷的升降。（5）工作平台升降机构图3-5 位于左右两边的齿轮齿条机构工作平台的升降由齿轮齿条机构完成。左右两对齿轮齿条机构竖直布置，由两个同步电机作为动力源，使工作平台可以在竖直方向做升降运动，便于工作平台找到每层鞋架的位置。（6）工作平台的带传动机构 图3-6 工作平台为使鞋子可以正常放入鞋柜内，智能健康鞋柜的工作平台通过带传动将鞋子送入鞋架上。如图所示，由电机驱动轴转动，从而带动两根皮带同速转动，再由皮带将放在上面的鞋子送至鞋架上。（7）可自动弹出和收回式鞋架 图3-7 自动弹出和收回式鞋架为方便使用者取鞋，智能健康鞋柜的鞋架设计成可自动弹出和收回式的。其弹出和收回由固定在放鞋板两边的齿条和一对由电机驱动的齿轮构成齿轮齿条机构，从而使放鞋板可以做水平运动。为防止不必要的自由度产生，智能健康鞋柜为放鞋板的运动设计了导轨，从而保证放鞋板可以顺利的弹出和收回。同时，为确定放鞋板的运动行程，在放鞋板的下面设置了两个限位开关，通过限位开关的输出信号的改变来限制放鞋板的行程。（8）光敏传感器在实际模型中的工作原理图3-8 位于每层鞋架两边的发光二极管（右）和光电传感器（左）图3-9鞋架空位提示灯光敏传感器主要是用来对每层鞋架和工作平台上是否有鞋进行判断，从而作为鞋架空位指示灯和摆鞋机构自动寻找空余鞋位的提供信号输入。（9）热敏传感器的工作原理 图3-10 热敏电阻及其所控制的加热灯热敏传感器是一种半导体温度传感器，由金属氧化物（NiO、CuO等）的粉末按一定比例混合烧结而成。热敏电阻具有很大的负温度系数，且其特征曲线为非线性的。这里应用热敏传感器主要是用来测定鞋架内的温度，从而控制加热灯的工作。（10）紫外线灭菌灯图3-11 紫外线灭菌灯紫外线的杀菌机理主要是通过诱导胸腺嘧啶二聚体的形成和DNA链的交联，抑制DNA的复制，从而起到杀菌的作用。这里的灭菌灯用模型中的蓝色灯示意。4、 运动分析和动力分析4.1运动分析4.1.1工作平台的运动和运动控制分析（1）工作平台的复位运动图4-1工作平台的复位程序（home flat）首先，当工作平台没有位于水平方向的鞋架内部工作位置时，该工作位置的行程开关（I5）未被触发，输出信号为“0”，则电机（M1-EM1）继续工作，直至工作平台复位至内部工作位置，触动内限位开关，输出信号为“1”,电机停止工作。然后，工作平台在进行竖直方向上的复位工作。当鞋柜一层位置的限位开关（I6）未被触发时，输出信号为“0”，竖直方向上与两个齿条配合的电机（M2-EM1和M3-EM1）同步工作，直至工作平台下落至一层位置，触动一层的限位开关，输出信号为“1”，电机停止工作。工作平台在水平和竖直方向上的复位工作完成。（2）工作平台的伸出和收回运动 图4-2 平台伸出程序和平台复位程序当使用者需要存放鞋子时，只需使用者触动开关（I5-EM1），马达（M1-EM1）便会工作，此时工作平台伸出，直至触动工作平台外限位开关（I3-EM1），输出为“1”，马达停止。当使用者将鞋子放至工作平台上后，光敏传感器（I4）接收信号为“0”，此时，允许使用者触动开关（I4-EM1），则开始执行工作平台的复位程序（home flat），鞋便可自动送入柜中。（3）工作平台的对鞋的自动摆放工作平台对清洁过后的鞋子的摆放任务由程序stocking控制执行。首先，由每层鞋架内的光电传感器（I7、I8）对鞋架内是否有空余鞋位进行判断，如果一层鞋位空闲，则光电传感器（I7）的输出信号为“1”，工作平台电机（M1-EM2）运转，使皮带运动，将鞋送入一层鞋架。如果一层鞋位被占用，则I7的输出信号为“0”，将图4-3鞋的自动摆放程序（stocking） 对二层的光电传感器（I8）的输出信号进行判断，若为“1”，则控制平台升降的电机工作，直至运动至第二层，当触动二层的限位开关（I8-EM1）后，电机停止工作，再由工作平台电机带动皮带转动，将鞋送入。（这里暂时模拟只有两个鞋位的工作情况，如需拓展鞋位，运动控制过程相同。）4.1.2鞋的夹持和回转运动和运动控制分析（1）机械手的夹紧和放松 图4-4机械手的夹紧程序（tightening gripper）和张开程序（home gripper）机械手的夹紧由两只机械手上的电机（M2、M3）同步工作，工作三秒后便可完成对鞋子的夹紧，然后电机停止工作。机械手的放松过程与夹紧过程相反，电机反转，直至限位开关（I2）被触发，输出信号“1”，电机停止工作，此时两只机械手完全打开。（2）将鞋子运送至清洁鞋面的工作位置 图4-6 机械手移动至清洁鞋面工作位的程序（homemainpulator）该程序通过控制驱动回转机构的电机（M4）转动，使机械手回转至清洁鞋面的工作位置。其中开关（I3）为清洁鞋面工作位的限位开关，开关（I4）为机械手夹持鞋子的工作位的限位开关。该程序主要用来控制机械手的复位和将鞋子运送到清洁鞋面工作位对鞋子进行清洁。（3）将鞋子运送至倒出杂物的工作位置图4-7 机械手移动至倒杂物工作位（backward2 mainpulator）该程序通过回转机构电机M4使回转机构继续回转，直至触发倒杂物工作位置的限位开关（I7-EM1）为止。（4）将鞋子运送至工作平台上 图4-8机械手回转至工作平台（forward mainpulator）此程序用来控制鞋的清洁工作完成后将鞋放回至工作台的任务。回转机构电机转动，直至运动至工作平台的位置后，位置开关（I1-EM3）被触发，电机运动停止，然后执行机械手松开程序（home gripper），鞋子被放在工作平台上后，执行机械手复位程序（home mainpulator）使机械手复位。4.1.3清洁机构的运动和运动控制分析 图4-9清洁机构的控制（function brush）当鞋子被运送到清洁鞋面工作位置后，滚刷电机（M4-EM1）开始工作，同时，升降电机（M1）开始工作使滚刷缓慢下降对鞋面进行清洁，当滚刷下降到限位开关（I6-EM1）的位置时，开关输出信号“1”，升降电机反转使滚刷上升，直至触动上限位开关I1为止，I1输出信号“1”，升降电机和滚刷电机均停止转动，此时滚刷清洁机构恢复至最高点。4.1.4取鞋过程的运动和运动控制分析开关（I3-EM2、I1-EM2）分别为一二层的取鞋开关，取鞋时由使用者触动开关，每层鞋架的放鞋板控制电机（M3-EM2、M2-EM2）开始工作，直至放鞋板弹出至其外限位开关（I4-EM2、I4-EM2）由输出信号“1”变为信号“0”，电机便停止转动。取完鞋后，触动鞋架收回开关（I8-EM2）放鞋板便会逐层收回，其中，开关（I6-EM2和I7-EM2）分别为一二图4-10取鞋过程控制程序图 层放鞋板收回时的内限位开关。4.1.5加热灯和灭菌灯的控制分析图4-11加热灯的控制加热灯的控制通过热敏电阻将温度信号输入至判断器，并与预设温度进行比较，低于预设温度则加热灯（O3-EM3）启动，反之，则加热灯停止工作，此程序可自动循环，时刻控制加热灯工作，使鞋柜内温度保持在预设值，从而使鞋子保持良好的温度，并起到去湿的作用。4.1.6鞋柜内空余鞋位提醒功能控制分析图4-12 空余鞋位提醒程序通过每层鞋架内的光电传感器（I7 I8）对鞋架内是否有鞋进行判断，有鞋则输出信号“0”，无鞋则输出信号“1”，再通过“或”逻辑运算器进行分析，只要接受到一个信号“1”则逻辑运算器便会输出一个信号“1”，并与0比较，从而控制提示灯（O5-EM3）的工作。当有空余鞋位时提示灯量，反之灭。4.1.6整机控制程序4.2动力分析智能健康鞋柜的动力分析主要针对鞋柜鞋柜机械结构中最易发生应力破坏的结构，运用CATIA进行动力分析。考虑到工作平台主要由悬臂梁进行力的承载，此处的悬臂梁为最易疲劳受损的结构，所以智能健康鞋柜就针对这一结构进行动力分析，如下图。图4-13 工作平台支撑梁动力分析图5、实用化的可能性、成本分析及应用前景5.1实用化的可能性分析对于智能健康鞋柜的实用化可能性分析，我们将从生产生活需求和技术可实现程度这两个方面加以分析。从生产生活的需求上讲，智能健康鞋柜将鞋的自动存取和清洁消毒有机地融合起来，实现了鞋从清洁灭菌到存取的全程自动化和智能化，替代了传统的人工清洁工作。而且，其自身的功能特点符合现代人简单高效的生活习惯和崇尚健康生活的生活理念，所以，从使用者的角度讲，该产品极有可能受到人们的喜爱。 该智能健康鞋柜在技术在技术层面也是完全可以实现的。首先，在机械和电子技术方面，该机器人采用的完全是现阶段已经广泛应用的技术，且随着我国制造业的发展，