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摘要：结合日常生活，发现当前多数家庭依旧使用传统架式鞋柜，致使鞋架杂乱无章，异味重，为解决该问题设计一款智能分类摩天鞋柜。该鞋柜通过Arduino编程控制系统运行，极大程度提高空间利用率，通过垂直升降置鞋方式减小占地面积。该产品通过语音控制带动鞋盒装置运动实现智能置鞋功能;导轨稳定机构通过鞋盒右侧滑轮在轨道上滑动实现鞋盒稳定传动;加热装置和排气装置基于温湿度传感器控制。该鞋柜能实现智能存取，定时杀菌消毒，防湿除臭等功能，该设计源于市场需要，针对城市高楼住宅用户。
关键词：链传动;Arduino;消毒杀菌智能鞋柜;防湿除臭;导轮导轨
ABSRTACT：Combining with daily life， it is found that most families still use traditional rack shoe cabinets， which makes the shoe racks messy and smells heavy. To solve this problem， a smart sorted skyscraper shoe cabinet is designed. The shoe cabinet runs through the Arduino programming control system， which greatly improves the space utilization rate and reduces the floor space by vertically lifting shoes. The product uses voice control to drive the shoe box device to move to achieve the intelligent shoe placement function; the rail stabilization mechanism uses the right pulley of the shoe box to slide on the track to achieve the stable transmission of the shoe box; the heating device and the exhaust device are controlled based on temperature and humidity sensors. The shoe cabinet can realize functions such as intelligent access， regular sterilization and disinfection， moisture prevention and deodorization. The design is based on market needs and is aimed at urban high-rise residential users.
Key Words： chain drive; Arduino; smart shoe cabinet for disinfection and sterilization; moisture-proof and deodorant; guide wheel guide
1研制背景及意義
当前鞋柜在城市家庭已成为一种必要的家具，主要用于存放鞋子和鞋具用品，传统鞋柜不具备用鞋卫生保护功能，鞋从外面带回的各类尘埃和病菌、鞋子和人体足分泌的汗液以及鞋子内部长时间滋生繁殖的各种细菌和真菌等一系列的有害物质，外加客人进进出出，交叉感染，使得足病已严重困扰家庭生活，直接威胁每个家庭的健康和正常生活。传统鞋柜只具备置鞋功能，现市面多功能智能鞋柜一般只对鞋进行杀菌、除臭及烘干等操作，且功能区域与储物区分开，对鞋进行处理时，须先将鞋从储鞋区取出，后放入功能区，待鞋处理完毕后还得将鞋放入储鞋区，其过程繁琐。传统鞋柜太高不易存取且占地面积较大，垂直空间利用不足，基于以上鞋柜存在的弊端，该设计应运而生，它能最大限度的节省劳动力，同时还能对鞋进行科学保养，使鞋穿上干净、卫生、舒适，无论鞋的存放还是保养都能轻松搞定。 2主要功能和性能指标
2.1智能摩天鞋柜的主要功能系统
1）杀菌消毒系统：该系统由LCD显示屏、键盘、开关、臭氧发生器、紫外消毒灯、开发板组成。通过键盘输入及外置开关可对紫外消毒灯和臭氧发生器进行定时控制，完成杀菌消毒功能，LCD显示屏亦可显示定时时间。
2）防湿除臭系统：防湿除臭系统由LCD显示屏、温湿度传感器，空气加热片、控制板和风扇组成。当检测到鞋柜内温湿度超过设定范围，控制板能自动启动风扇及空气加热片运行，实现防湿除臭功能。
3）智能存取系统：该系统由柜门开关机构、链传动机构、放鞋装置、开发板、语音识别模块组成，若需存取相应位置鞋，可语音输入“正转”或“反转”，语音识别模块与控制开发板控制电机的正反转;若需停止电机转动，语音输入“停止”，即可让电机停止。此外，柜门开关机构使用软移门结构，符合人体力学设计，能减少占地面积。
4）照明系统：鞋柜内部置有LED人体感应灯，当检测到人打开柜门时会自动照明。
2.2性能指标
1）该产品长1000mm，宽500mm，高1040mm，自重约20kg;
2）电机运转功率约为70W—100W，最大扭矩为18.5N.m;
3）鞋柜传动装置转动一周需15秒，存取方便快捷。
3设计方案
本作品如图1所示，基于机械设计原理，借鉴垂直立式停车库结构设计。整个机构通过型材搭建框架，由链传动实现智能存取及鞋物回转运动，链传动机构由链轮链条及传动杆组成，通过链轮链条固定支撑板定位存取装置小连杆，为减少占地面积，放鞋底板与地面具有30度弧度，为保持放鞋机构的稳定，设置导轨稳定系统。通过电机控制大连杆转动带动4个链轮同步转动，使整个传动保持平稳。
3.1传动机构设计方案
考虑本方案目的在于能实现存取装置平稳传动，根据“链传动主要用在要求工作可靠，两轴相距较远，低速载重，工作环境恶劣以及其他不宜采用链轮传动的场合”，故选取链轮传动方案，又因承载存取装置需在链条上固定支撑板，链条本身需较长节距，故选择节距大质量相对轻且不易变形的25.4mm双节距输送链条，为配合链条使用，根据链轮参数设计配套链轮。基于电机传动与机构传动需较大力情况，采用粗铝棒作为两边链轮的传动轴。电机选择上，选择带有调速箱与开关的电机，可根据用户自我需求对整个传动机构的转速进行调节。
3.2导轨稳定机构
由于放鞋底板与地面成30度角，且小连杆上接有轴承，在放置重物后，会有较大弧度变化，根据其不承载重物时的轨迹运动设计导轨与导轮，使鞋架在放鞋后的转动依旧平稳。
3.3柜门开关装置
考虑到本鞋柜设计理念是减少占地面积及充分利用空间，传统木柜门打开需占用较大空间，在狭窄的空间不适合使用，故本鞋柜柜门使用非传统的拉伸式软移门，其从右至左的带柄单开式移门符合人体工程学应用。
4工作原理及性能分析
4.1傳动机构原理分析
传动机构主要由电机、联轴器、双节距链轮、大连杆、小连杆、等组成，电机带动主动传动轴，由于主动传动轴连接有两个链轮，链轮固死，两个链轮同步转动。主动链轮与从动链轮大小相同，传动比为1：1，使左右链条始终保持与地面垂直。
4.2导轨稳定机构分析
导轨稳定机构主要由放鞋装置的导轮与导轨板组成，由于放鞋装置有倾角，且鞋本身是不规则物体，置鞋后重心无法平衡，鞋架底板与地面夹角会减小，整个置鞋装置就会不稳，当传动机构运转时，可能会出现翻鞋情况，故在放鞋板旁边延出一根杆，且根据杆的运动轨迹与放置重物后的倾斜轨迹设计挡板，由于放鞋板会与挡板摩擦滑动，将延出的导轨连杆上安装轴承，系列优化后，即设计出导轨稳定机构。当导轨与导轮设计为轮与槽时，导轨稳定机构也可看作槽轮机构。
5电路控制原理分析
5.1智能存取系统
电机调速系统由一个三路5V继电器，一个语音控制模块及一块UNO板组成，1号继电器信号端接入UNO板的10号引脚，2号继电器信号端接入UNO板的9号引脚，3号继电器接入8号引脚。语音输入口令，激活语音控制模块，开始识别命令，识别后根据指令改变三个继电器的工作状态，从而实现电机的正反转及启动停止指令。
5.2温湿度调控系统
通过DHT11温湿度传感模块测定空气中的温湿度，将反馈数据发送给控制板进行分析，并通过LCD液晶显示屏将测定的数据直观显示出来，当空气中的湿度高于设定数值，主控板发出信号，通过继电器控制PTC加热板及风扇开启。
5.3紫外线消毒灯及臭氧发生器定时系统
该系统由矩阵键盘，继电器，LCD显示屏，按键开关，UNO板，紫外线灯，臭氧发生器，开关电源组成，通过矩阵键盘输入定时时间，时间会显示在LCD显示屏上，开启紫外线消毒灯及臭氧发生器，达到设定时间后自动关闭，另外在定时期间，可通过按键开关外部中断终止定时，并关闭紫外线消毒灯和臭氧发生器。
5.4杀菌消毒系统控制电路分析
本系统的控制采取开环控制，该系统由LCD显示屏、键盘、开关、臭氧发生器、紫外线消毒灯等控制开关组成。按下开关并在键盘输入控制信号，可对紫外线消毒灯和臭氧发生器进行定时控制，完成杀菌消毒，LCD显示屏可显示定时剩余时间。
5.5防湿除臭系统控制电路分析
该系统为闭环控制，系统由LCD显示屏、温湿度传感器，空气加热片、继电器开关、控制中心和风扇组成。当温湿度传感器检测到鞋柜内温湿度超过设定范围，控制板输出信息控制继电器开关从而控制风扇和空气加热片运行，实现防湿除臭功能。
5.6智能存取控制电路分析
该系统中电机已经自带调速功能及开关控制功能，通过继电器连接减速箱的正反短接线，语音输入控制线路的短接完成整个传动结构的正反转。
6创新点及应用推广
6.1创新点
1）该鞋柜在整体结构上，借鉴立式停车库，使用双节距传送链条与链轮，结构简单轻便，该结构设计能有效利用房屋垂直空间，设计多个单独置鞋架;
2）在放鞋机构的设计上，考虑到链轮转动需要多余闲置空间，故设计具有倾角的放鞋装置，弥补鞋柜本身体积庞大的不足，为保持各鞋柜传动稳定，设计了导轮与导轨;3）在柜门设计上，使用可折叠软移门，相比传统鞋柜拉门，在狭窄的空间也能开关自如;4）功能上，集消毒杀菌，防潮除湿，自动照明，智能存取为一体，功能齐全;
5）语音输入，操作便利。
6.2应用推广
该设计具有结构新颖、操作便捷等特点，基于传统鞋柜，该设计增加垂直空间利用率，减少占地面积，功能齐全，后期维护操作简单，因此该款摩天智能鞋柜具有很强的市场推广应用价值。
参考文献
[1]濮良贵.机械设计第十版.西北工业大学出版社.
[2]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理.第八版.高等教育出版社.
[3]徐灏.机械设计手册[M].机械工业出版社，2000.
[4]吴宗泽.机械结构设计准则与实例.北京：机械工业出版社，2006.
[5]刘鸿文，材料力学[M].北京：高等教育出版社，2010.
作者简介
姓名：黄元东，性别：男，出生年月：1984.11，籍贯：江苏南通，学历：本科，学位：硕士，职称：实验师，方向：数控技术，单位：宁波工程学院，邮编：315336。
基金项目
宁波工程学院科研基金项目：一种智能摩天鞋柜的开发设计。
关键词：链传动;Arduino;消毒杀菌智能鞋柜;防湿除臭;导轮导轨
ABSRTACT：Combining with daily life， it is found that most families still use traditional rack shoe cabinets， which makes the shoe racks messy and smells heavy. To solve this problem， a smart sorted skyscraper shoe cabinet is designed. The shoe cabinet runs through the Arduino programming control system， which greatly improves the space utilization rate and reduces the floor space by vertically lifting shoes. The product uses voice control to drive the shoe box device to move to achieve the intelligent shoe placement function; the rail stabilization mechanism uses the right pulley of the shoe box to slide on the track to achieve the stable transmission of the shoe box; the heating device and the exhaust device are controlled based on temperature and humidity sensors. The shoe cabinet can realize functions such as intelligent access， regular sterilization and disinfection， moisture prevention and deodorization. The design is based on market needs and is aimed at urban high-rise residential users.
Key Words： chain drive; Arduino; smart shoe cabinet for disinfection and sterilization; moisture-proof and deodorant; guide wheel guide
1研制背景及意義
当前鞋柜在城市家庭已成为一种必要的家具，主要用于存放鞋子和鞋具用品，传统鞋柜不具备用鞋卫生保护功能，鞋从外面带回的各类尘埃和病菌、鞋子和人体足分泌的汗液以及鞋子内部长时间滋生繁殖的各种细菌和真菌等一系列的有害物质，外加客人进进出出，交叉感染，使得足病已严重困扰家庭生活，直接威胁每个家庭的健康和正常生活。传统鞋柜只具备置鞋功能，现市面多功能智能鞋柜一般只对鞋进行杀菌、除臭及烘干等操作，且功能区域与储物区分开，对鞋进行处理时，须先将鞋从储鞋区取出，后放入功能区，待鞋处理完毕后还得将鞋放入储鞋区，其过程繁琐。传统鞋柜太高不易存取且占地面积较大，垂直空间利用不足，基于以上鞋柜存在的弊端，该设计应运而生，它能最大限度的节省劳动力，同时还能对鞋进行科学保养，使鞋穿上干净、卫生、舒适，无论鞋的存放还是保养都能轻松搞定。 2主要功能和性能指标
2.1智能摩天鞋柜的主要功能系统
1）杀菌消毒系统：该系统由LCD显示屏、键盘、开关、臭氧发生器、紫外消毒灯、开发板组成。通过键盘输入及外置开关可对紫外消毒灯和臭氧发生器进行定时控制，完成杀菌消毒功能，LCD显示屏亦可显示定时时间。
2）防湿除臭系统：防湿除臭系统由LCD显示屏、温湿度传感器，空气加热片、控制板和风扇组成。当检测到鞋柜内温湿度超过设定范围，控制板能自动启动风扇及空气加热片运行，实现防湿除臭功能。
3）智能存取系统：该系统由柜门开关机构、链传动机构、放鞋装置、开发板、语音识别模块组成，若需存取相应位置鞋，可语音输入“正转”或“反转”，语音识别模块与控制开发板控制电机的正反转;若需停止电机转动，语音输入“停止”，即可让电机停止。此外，柜门开关机构使用软移门结构，符合人体力学设计，能减少占地面积。
4）照明系统：鞋柜内部置有LED人体感应灯，当检测到人打开柜门时会自动照明。
2.2性能指标
1）该产品长1000mm，宽500mm，高1040mm，自重约20kg;
2）电机运转功率约为70W—100W，最大扭矩为18.5N.m;
3）鞋柜传动装置转动一周需15秒，存取方便快捷。
3设计方案
本作品如图1所示，基于机械设计原理，借鉴垂直立式停车库结构设计。整个机构通过型材搭建框架，由链传动实现智能存取及鞋物回转运动，链传动机构由链轮链条及传动杆组成，通过链轮链条固定支撑板定位存取装置小连杆，为减少占地面积，放鞋底板与地面具有30度弧度，为保持放鞋机构的稳定，设置导轨稳定系统。通过电机控制大连杆转动带动4个链轮同步转动，使整个传动保持平稳。
3.1传动机构设计方案
考虑本方案目的在于能实现存取装置平稳传动，根据“链传动主要用在要求工作可靠，两轴相距较远，低速载重，工作环境恶劣以及其他不宜采用链轮传动的场合”，故选取链轮传动方案，又因承载存取装置需在链条上固定支撑板，链条本身需较长节距，故选择节距大质量相对轻且不易变形的25.4mm双节距输送链条，为配合链条使用，根据链轮参数设计配套链轮。基于电机传动与机构传动需较大力情况，采用粗铝棒作为两边链轮的传动轴。电机选择上，选择带有调速箱与开关的电机，可根据用户自我需求对整个传动机构的转速进行调节。
3.2导轨稳定机构
由于放鞋底板与地面成30度角，且小连杆上接有轴承，在放置重物后，会有较大弧度变化，根据其不承载重物时的轨迹运动设计导轨与导轮，使鞋架在放鞋后的转动依旧平稳。
3.3柜门开关装置
考虑到本鞋柜设计理念是减少占地面积及充分利用空间，传统木柜门打开需占用较大空间，在狭窄的空间不适合使用，故本鞋柜柜门使用非传统的拉伸式软移门，其从右至左的带柄单开式移门符合人体工程学应用。
4工作原理及性能分析
4.1傳动机构原理分析
传动机构主要由电机、联轴器、双节距链轮、大连杆、小连杆、等组成，电机带动主动传动轴，由于主动传动轴连接有两个链轮，链轮固死，两个链轮同步转动。主动链轮与从动链轮大小相同，传动比为1：1，使左右链条始终保持与地面垂直。
4.2导轨稳定机构分析
导轨稳定机构主要由放鞋装置的导轮与导轨板组成，由于放鞋装置有倾角，且鞋本身是不规则物体，置鞋后重心无法平衡，鞋架底板与地面夹角会减小，整个置鞋装置就会不稳，当传动机构运转时，可能会出现翻鞋情况，故在放鞋板旁边延出一根杆，且根据杆的运动轨迹与放置重物后的倾斜轨迹设计挡板，由于放鞋板会与挡板摩擦滑动，将延出的导轨连杆上安装轴承，系列优化后，即设计出导轨稳定机构。当导轨与导轮设计为轮与槽时，导轨稳定机构也可看作槽轮机构。
5电路控制原理分析
5.1智能存取系统
电机调速系统由一个三路5V继电器，一个语音控制模块及一块UNO板组成，1号继电器信号端接入UNO板的10号引脚，2号继电器信号端接入UNO板的9号引脚，3号继电器接入8号引脚。语音输入口令，激活语音控制模块，开始识别命令，识别后根据指令改变三个继电器的工作状态，从而实现电机的正反转及启动停止指令。
5.2温湿度调控系统
通过DHT11温湿度传感模块测定空气中的温湿度，将反馈数据发送给控制板进行分析，并通过LCD液晶显示屏将测定的数据直观显示出来，当空气中的湿度高于设定数值，主控板发出信号，通过继电器控制PTC加热板及风扇开启。
5.3紫外线消毒灯及臭氧发生器定时系统
该系统由矩阵键盘，继电器，LCD显示屏，按键开关，UNO板，紫外线灯，臭氧发生器，开关电源组成，通过矩阵键盘输入定时时间，时间会显示在LCD显示屏上，开启紫外线消毒灯及臭氧发生器，达到设定时间后自动关闭，另外在定时期间，可通过按键开关外部中断终止定时，并关闭紫外线消毒灯和臭氧发生器。
5.4杀菌消毒系统控制电路分析
本系统的控制采取开环控制，该系统由LCD显示屏、键盘、开关、臭氧发生器、紫外线消毒灯等控制开关组成。按下开关并在键盘输入控制信号，可对紫外线消毒灯和臭氧发生器进行定时控制，完成杀菌消毒，LCD显示屏可显示定时剩余时间。
5.5防湿除臭系统控制电路分析
该系统为闭环控制，系统由LCD显示屏、温湿度传感器，空气加热片、继电器开关、控制中心和风扇组成。当温湿度传感器检测到鞋柜内温湿度超过设定范围，控制板输出信息控制继电器开关从而控制风扇和空气加热片运行，实现防湿除臭功能。
5.6智能存取控制电路分析
该系统中电机已经自带调速功能及开关控制功能，通过继电器连接减速箱的正反短接线，语音输入控制线路的短接完成整个传动结构的正反转。
6创新点及应用推广
6.1创新点
1）该鞋柜在整体结构上，借鉴立式停车库，使用双节距传送链条与链轮，结构简单轻便，该结构设计能有效利用房屋垂直空间，设计多个单独置鞋架;
2）在放鞋机构的设计上，考虑到链轮转动需要多余闲置空间，故设计具有倾角的放鞋装置，弥补鞋柜本身体积庞大的不足，为保持各鞋柜传动稳定，设计了导轮与导轨;3）在柜门设计上，使用可折叠软移门，相比传统鞋柜拉门，在狭窄的空间也能开关自如;4）功能上，集消毒杀菌，防潮除湿，自动照明，智能存取为一体，功能齐全;
5）语音输入，操作便利。
6.2应用推广
该设计具有结构新颖、操作便捷等特点，基于传统鞋柜，该设计增加垂直空间利用率，减少占地面积，功能齐全，后期维护操作简单，因此该款摩天智能鞋柜具有很强的市场推广应用价值。
参考文献
[1]濮良贵.机械设计第十版.西北工业大学出版社.
[2]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理.第八版.高等教育出版社.
[3]徐灏.机械设计手册[M].机械工业出版社，2000.
[4]吴宗泽.机械结构设计准则与实例.北京：机械工业出版社，2006.
[5]刘鸿文，材料力学[M].北京：高等教育出版社，2010.
作者简介
姓名：黄元东，性别：男，出生年月：1984.11，籍贯：江苏南通，学历：本科，学位：硕士，职称：实验师，方向：数控技术，单位：宁波工程学院，邮编：315336。
基金项目
宁波工程学院科研基金项目：一种智能摩天鞋柜的开发设计。