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2

目 录

1、 创新构思，方案设计……………………………………………………….3

1.1设计背景…………………………………………………………………3

1.2主要功能的创新设计…………………………………………………3

2、 与已有或者相近产品的异同与创新之处…………………………….4

2.1现有相近产品的概况分析……………………………………………4

2.2异同与创新点分析 ……………………………………………………5

3、 主要功能指标及工作原理………………………………………………….6

3.1功能指标……………………………………………………………………6

3.2工作原理……………………………………………………………………8

4、 运动分析和动力分析……………………………………………………….13

4.1运动分析 …………………………………………………………………13

4.2动力分析 …………………………………………………………………20

5、 实用化的可能性、成本分析及应用前景……………………………21

6、 实物整体照片……………………………………………………………….24

7、 装配关系图见附带CAD图纸文件（共四张）

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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、4

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。 5 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6

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3~5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10~20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1.1~1.5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。） 7

（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10~15db之间，实物则要求在25~40db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8

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

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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

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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。