汤俊杰，陈建岑，张文长，梁鸿杰，汪朋飞

一种智能存取鞋柜的结构设计

汤俊杰，陈建岑，张文长，梁鸿杰，汪朋飞*

（深圳大学 机电与控制工程学院，广东 深圳 518060）

针对传统家用鞋柜老年用户弯腰脱鞋容易受伤、人工摆放杂乱无章等问题，设计了一款智能存取鞋柜，在避免用户弯腰脱鞋基础之上实现鞋子的自动化存取。根据辅助脱鞋及自动存取等需求，设计了辅助脱鞋机构、夹持机构、转盘储存系统等结构，并构建了相应的物联网控制系统。利用SolidWorks软件进行三维建模及运动仿真，样机实际测试结果表明其能够高效率实现辅助脱鞋和自动存取功能。该智能鞋柜能够解放双手存储鞋子，满足多种家居场景需求，具备广阔的市场前景。

智能鞋柜；自动存取；脱鞋机构；夹持机构

鞋柜作为一种日常生活中广泛使用的家具，主要用于存储鞋子、改善室内卫生和装饰家居环境。迄今为止，传统鞋柜的发展可以分为四个阶段，第一阶段为鞋子乱扔乱放，尚未形成鞋柜概念；第二阶段为用简易木架或铁管组装的开放式鞋架；第三阶段为木鞋柜阶段，采用美观精致的材料搭建的封闭式鞋柜；第四阶段为在原有封闭式鞋柜的基础上加装杀菌消毒、防潮通风等功能的智能鞋柜[1-2]。

当前，智能家居市场中常见的电子消毒鞋柜多为传统鞋柜中加装杀菌紫外灯和烘干装置[3-6]，其工作原理是鞋柜内部装有臭氧发生器和低温电热元件以及微电脑控制系统，通过电脑控制，使鞋柜内产生符合浓度的臭氧，从而实现鞋子的除臭和杀菌防霉护理。此外，通过增加清洗装置可实现洗鞋功能[7]，或使用物联网实现手机APP远程查看鞋柜状态[8]，但关于鞋的自动存取功能开发报道较少[9-10]。

本研究致力于开发一种可自动存取的家用鞋柜，以220 V家用交流电为输入电源，具备存鞋和取鞋两种工作模式。在辅助用户脱鞋后通过输送机构实现鞋子的自动存放，而在手机端软件操作选好储存的鞋子后可将其自动取出。该智能鞋柜满足多种家居场景需求，具备广阔的市场前景。

1 设计思路及难点

1.1 设计思路

普通用户脱鞋后，鞋子容易随意摆放，收集过程繁琐，需要设计辅助脱鞋机构避免用户弯腰脱鞋，同时解决地面上鞋子收集的难题；为实现鞋子在鞋柜内部的运送，需要专门的运鞋机构；由于鞋子大小不一及使用平板运送鞋子导致空间浪费，夹持鞋子的机构尤为关键。

1.2 设计难点

（1）辅助脱鞋机构的设计。由于大部分鞋面是易变形柔软材料，实现辅助脱鞋的机构需用自适应机械装置以提供足够的摩擦力使鞋子脱离用户的脚部而又不损伤鞋面。

（2）鞋子夹持机构的设计。不同码数鞋子外部尺寸区别大，从外部对鞋子进行夹持需要适配多个参数，易导致鞋子变形损坏。因此，考虑使用变形机构从内部夹持鞋子。

2 整体结构设计

图1所示为自动存取鞋柜的整体结构示意图，主要由辅助脱鞋机构、丝杠系统、鞋子夹持机构、转盘驱动系统、转盘储存装置等5部分组成。

1.鞋子夹持机构；2.丝杠系统；3.辅助脱鞋机构；4.转盘驱动系统；5.转盘储存装置。

2.1 辅助脱鞋机构设计

如图2所示，辅助脱鞋机构主要包括孔板和弹簧杆阵列。辅助脱鞋机构可以在用户站立状态下辅助脱下鞋子。一般情况下，人工脱鞋需扶住鞋子后跟并施加一定的力予以固定，同时脚后跟从鞋子内部脱出。鞋子后跟形状多为不规则曲面，因此在辅助脱鞋机构中设置弹簧杆阵列以自适应贴合鞋后跟面。用户脱鞋时往后施加适当作用力，弹簧杆阵列与孔板间安装的压缩弹簧在受到压缩时贴合鞋子的背面和底部，并提供合适的摩擦力，辅助用户脱鞋。

1.鞋子；2.弹簧杆阵列；3.孔板。

2.2 夹持机构设计

图3所示为鞋子夹持机构整体结构和工作示意图。如图3（a）所示，夹持机构主要由心型槽、限位杆、导向杆、多级连杆、拉伸弹簧和对接圆台等组成。多级连杆机构初始处于缩回状态，如图3（b）所示，外部施加垂直方向的压力，限位杆在心型槽内滑动至凹槽位置，拉伸弹簧被拉长，多级连杆可在鞋子内部伸展以夹持鞋子，如图3（c）、（d）所示，之后在丝杠系统驱动下，夹持鞋子并在竖直方向移动。

2.3 传动系统设计

（1）同步带传动系统。采用同步带实现辅助脱鞋机构的平稳推入和推出，在辅助脱鞋机构底板下方安装定向轮以减少与地面的摩擦。图4所示为同步带传动系统与辅助脱鞋机构的结构图，同步带传动系统由电机、同步带、滑块、同步带轮、导轨、轴和压板等组成。电机通过联轴器驱动同步带轮转动，同步带轮与同步带啮合，在同步带与辅助脱鞋机构间设置有压板，将同步带的一段固定在辅助脱鞋机构的底板。

（2）转盘驱动系统。如图5所示，转盘驱动系统主要包括转盘、储存盘、电磁制动器、主轴和舵机。在每层鞋子储存区域中设置有两个转盘，呈水平相邻120°布置。工作时，指定层的电磁制动器抱合主轴，主轴带动其一起转动，实现鞋的自动存取。

图3 鞋子夹持机构

2.4 整体功能实现

图6所示为存鞋的工作流程，先推出辅助脱鞋机构，脱鞋后辅助脱鞋机构进入鞋柜内部。丝杠带动夹持机构下降实现对鞋子的夹持。夹持机构上升至对应的转盘层，舵机带动储存盘旋转至鞋子正下方，夹持机构下降，鞋子被夹持机构释放后处于储存盘上方，舵机反转，储存盘归位，完成存鞋。取鞋流程为存鞋流程的逆过程。

1.同步带；2.压板；3.同步带轮；4.电机；5.导轨；6.滑块；7.轴。

1.主轴；2.电磁制动器；3.储存盘；4.转盘；5.舵机。

3 参数设计及校核

3.1 夹持机构参数设计

夹持机构需伸入鞋口将多级连杆展开以夹持鞋子，不同鞋码的鞋子内长有较大差别，需计算多级连杆的级数及伸展后的长度以适配鞋内长。经调研分析，女性鞋码一般分布于34～40码，集中分布于36～38码；男性鞋码一般分布于38～44码，集中分布于40～43码。多级连杆的每一级单个连杆尺寸设定为25 mm，采用5～6级的多级连杆，实测多级连杆伸展固定后的最大长度为95～118 mm。在多级连杆完全伸展时，测得模型中上下连杆的中心距离为24.67 mm，完全压缩时上下连杆的中心距离为4.52 mm，故多级连杆在此压缩过程的行程为20.15 mm。上述行程能够适应绝大多数用户的鞋内长，确定多级连杆级数为6级，每级长度25 mm。为保证连杆的顺利伸长和复位，选择线径为0.6 mm、半径为6 mm、工作长度为20 mm、劲度系数为160 N/m的拉伸弹簧。

图6 存鞋流程图

3.2 同步带选型设计

同步带传动用于实现辅助脱鞋机构的进出，其参数影响鞋柜的存取速度和用户体验。确定同步带的齿型、齿数、带宽及带长尤为关键。同步带选型步骤具体为，测得辅助脱鞋机构在实验室地板上的最大摩擦力为25.5 N，预估同步带速度为＝0.8 m/s，计算得到传动功率为0.0204 kW，两根同步带水平对称布置，单根同步带传动功率为＝0.0102 kW。依此数据进行设计计算[11]。

设计功率为：

式中：P为设计功率，kW；K为工况系数，取1.4。

同步带速度为：

式中：为同步带速度，m/s；1为小带轮节圆直径，mm；1为小带轮转速，初定为900 r/min。

根据圆弧齿的小带轮和大带轮的节圆直径和初定中心距，带的节线长度计算公式为[11]：

式中：0p为初定带的节线长度，mm；0为初定中心距，mm；2为大带轮节圆直径，mm。

鞋柜中的同步带传动系统通过同步带压板将同步带与辅助脱鞋机构联接实现传动，因此同步带传动比设定为1:1将会简化结构设计，此时，大带轮齿数2＝18，2＝17.19 mm，0＝533 mm。

实际中心距为：

式中：为实际中心距，mm；L为带长，mm。

根据文献[11]中的圆弧齿带节线长度表，就近选取L＝1125 mm。

小带轮啮合齿数为[11]：

式中：z为小带轮啮合齿数；p为节距，mm。

圆弧齿的带宽为[11]：

式中：b为带宽，mm；b0为选定型号的基准宽度，mm，取b0＝6 mm[11]；K为圆弧齿带长系数，取1.20；K为小带轮啮合齿数系数，取1；0为基准额定功率，kW，查表得0.015 kW[11]。

作用在轴上的力为[11]：

3.3 仿真分析

夹持机构与丝杠系统间的连接板在传动中需要传递丝杠施加于夹持机构的作用力，是鞋柜中所受应力较大的零件。通过有限元分析进一步确定其材料及厚度。

初步选取3 mm厚度的6061铝合金为设计方案并进行有限元分析。完成夹持机构的装配后，测得下压时最大压力为11.72 N。

许用应力为：

设定连接板左侧端面固定，对下端受力面施加11.72 N竖直向上的均布力。

对厚度为3 mm的6061铝合金连接板进行受力时的位移分析，分析结果如图7（b）所示，最大位移为5.23 mm，符合要求。

图7 单元化转接件有限元分析

依据上述有限元分析的应力和位移结果，确定选取3 mm厚度的6061铝合金钣金加工为此零件加工方案。

4 控制系统

4.1 硬件设计

硬件设计采用STC15和ARM架构芯片系统设计。其中STC15负责运动控制，ARM系统作为网络控制器。该架构可以高效率实现物联网控制，并减少网络延误和电路噪声带来的影响。采用PCB工艺制作MCU外围电路以及电源电路，完成两个控制器之间的通讯链路。

4.2 软件搭建

鞋柜软件设计以物联网控制为主要架构，使用物联网云平台技术实现网络连接和硬件控制。通讯协议采用MQTT V1.5轻量化协议。并使用HTML设计用户和交互UI。采用BS架构搭建，用户可以在可移动设备上操控鞋柜完成取鞋，放鞋等一系列功能。

5 样机测试

图8所示为自动存取鞋柜的样机图。测试中，鞋后跟对辅助脱鞋机构中弹簧杆阵列施加压力后，弹簧杆阵列贴合鞋后跟外形，可在用户脱鞋时提供竖直向下的摩擦力以辅助脱鞋。夹持机构能够良好地夹持鞋子且可以在丝杠系统的带动下将鞋子稳定抬升。

鞋柜的基本尺寸长宽高分别为760 mm、678 mm和800 mm，测试样机的最大储鞋量为10双，通过增加存鞋层数和对应单元模块可以进一步增大存鞋量。图9所示为5次存鞋和取鞋的完整流程测试，其中存鞋平均时长为40.4 s，取鞋平均时长为43.4 s。其他关键测试数据如表1所示。

图8 自动存储鞋柜样机

图9 存鞋和取鞋测试结果

表1 测试数据

6 结语

本文设计并制作了一款可以自动化存取鞋子的智能鞋柜，存鞋时通过辅助脱鞋机构辅助用户脱下鞋子后，鞋子由鞋柜内部的传动系统传送至用户指定的储存位置进行储存。取鞋时用户通过选择对应储存位置的鞋子，经由内部传动系统传送至辅助脱鞋机构并将其送出鞋柜。该智能鞋柜能够解放双手存储鞋子，满足多种家居场景需求，具备广阔的市场前景。

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Structural Design of an Intelligent Shoe Cabinet with Automatic Access

TANG Junjie，CHEN Jiancen，ZHANG Wenchang，LIANG Hongjie，WANG Pengfei

(College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen518060, China)

Aiming at the problems that elderly users of traditional shoe cabinets are easy to be injured when bending over to take off their shoes, and manual placement is easy to be messy, an intelligent shoe cabinet with automatic access is designed. According to the requirements of auxiliary shoe removal and automatic access, auxiliary shoe removal mechanism, clamping mechanism and turntable storage system are applied, and the corresponding IOT control system is constructed. The SolidWorks software is used for modeling and simulation, which verifies the feasibility of the shoe cabinet. Finally, the results of the prototype test show that the system can efficiently realize the functions of assisting shoe removal and automatic access. The intelligent shoe cabinet can free the users’ hands from placing or fetching the shoes, meet the needs of a variety of home scenes, and has a broad market prospect.

intelligent shoe cabinet；automatic access；taking-off mechanism；clamping mechanism

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.010

1006-0316 (2022) 08-0062-07

2021-11-01

深圳大学聚徒教学项目（202132）；广东省大学生创新训练计划项目（201910590092）；深圳大学学生创新发展基金基础实验项目（2019154）

汤俊杰（1999－），男，广东梅州人，主要研究方向为机械设计制造及其自动化，E-mail：townjj@126.com。*通讯作者：汪朋飞（1983－），男，湖北天门人，博士，副教授，主要研究方向为机械创新设计与摩擦学，E-mail：wangpf@szu.edu.cn。