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S064】分层式可升降自动化洗鞋机

图文展示3264(1)

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副标题

作品说明

作者:程可、陈白根、胡樾明、陈双双、陈庆凯

单位:河海大学

指导老师:陆其清、赵建华

      本装置针对市面上洗鞋机清洗时由于刷头单一容易造成鞋面纤维的破坏等问题,设计出一款升降式智能洗鞋机,通过升降结构及自转结构实现鞋子清洗等操作,内置多款刷头,可根据鞋面材质选择刷头材质,从而保护鞋面。

      关键词:升降式、多刷头、洗鞋机

1.  场景调研

      洗鞋一直是困扰众多家庭的一大难题,手动洗鞋需要花费大量的时间和精力。通过市场调研发现,市面上的洗鞋机结构与洗衣机类似,如下图所示,是将鞋子放进中心为刷子的洗鞋机中,向其中注水并进行旋转清洗,然后进行脱水,此类洗鞋机有许多缺陷。由于鞋子材质的不同,市面上的洗鞋机使用的鞋刷种类单一,常见的洗鞋刷多由尼龙及聚酯纤维所制成, 这类材质的刷子虽然清洁能力强,但是硬度过大,对于表面纤维精细的鞋子容易造成破坏。

作品说明

市面上常见的洗鞋机

      针对以上缺陷,本装置利用升降结构来完成洗鞋,通过升降实现鞋在不同位置的清洗等操作,中途无须手动进行任何操作,只需放入和取出鞋即可,而且内置多款刷头,可根据鞋面材质选择刷头材质,从而保护鞋面避免因为刷头的单一而受到破坏。

2. 设计方案

2.1 装置简述

      本升降式智能洗鞋装置整体结构如下图所示,由电机 1 通过联轴器与丝杆连接实现传动,利用滑块与载鞋平台固连,从而在滑轨上实现直线运动,实现装置的升降;电机 2 能够使鞋子自转,进行鞋子的清洗等操作;电机 3 与电机 4 可旋转不同的角度,针对不同材质的鞋面选择最合适的刷头;电机 5 可以通过控制截水装置来控制水流的截停。

洗鞋装置实物图

本装置洗鞋流程如下:

      ① 将鞋子放入载鞋平台,然后根据鞋面材质借助电机 3 与电机 4 切换对应的鞋刷,选择完毕后,预先设定的程序使得该平台下降,当下降至水管口时,电机 1 停止工作,电机 2 开始工作使鞋自转,电机 5 将截水装置打开使水流出。

      ② 当鞋面完全湿润后,电机 1 启动,使载鞋平台继续下降,电机 5 将截水装置关闭使水停止流出,当载鞋平台下降至鞋子与鞋刷平齐时,电机 1 停止工作,此时鞋面与鞋刷充分接触,电机 2 旋转,使鞋子在自转时实现鞋面与鞋刷的充分接触洗刷,到达预先设定的清洗时间后,电机 2 停止工作。

      ③ 然后电机 1 反转启动,控制载鞋平台向上运动,上升到水管位置时,电机 1 停止工作,电机 2 开始工作使鞋自转,电机 5 将截水装置打开使水流出,对鞋子进行冲洗。

      ④ 冲洗干净后电机 2 停止工作,电机 5 将截水装置关闭使水停止流出,电机 1 启动使载鞋平台上升,当上升至原位后,电机 1 停止,便可将鞋子取走。

整体建模效果图

2.2 设计原理

2.2.1 升降结构

      如下图所示,电机与丝杆通过联轴器联接,电机旋转时传递扭矩给丝杆,与丝杆通过螺纹连接的法兰螺母和丝杆间产生相对转动,从而实现法兰螺母的上下运动,此外,当电机停止旋转时,因为螺纹的自锁功能,法兰螺母可停止在固定位置不动。法兰螺母与装载鞋子的平台通过过盈配合,使得载鞋平台随法兰螺母上下运动,为了固定平台运动方向,我们加装一根滑轨,将滑轨上的滑块与平台固连,从而确保载鞋平台在竖直方向运动。

局部细节图

2.2.2 刷头的配合

      通过市场调研发现,市面上鞋面材质种类繁多,鞋刷材质也大有径庭。由于本次材料有限,本装置预先采用了三种鞋面和对应的鞋刷材质,分别是麂皮材质—海绵、丝织网面—硬质毛刷、皮鞋—软布。为了防止载鞋平台上下移动的时候鞋刷与平台发生干涉碰撞,如下图 所示, 3 个刷头分别呈 120°夹角,当平台移动时,鞋刷旋转 60°,使得鞋刷与平台 y 方向夹脚为 60°,此时不会发生干涉现象。当平台下降到与鞋刷平齐位置时,鞋刷再次旋转 60°,从而实现鞋刷与鞋面的充分接触。本装置由于条件受限,暂时使用三种材质颜色不同的刷头来演示清洗过程,后续会逐渐完善。

刷头局部图

3. 控制部分


       本装置使用的是 Basra 控制板配合 Bigfish 扩展板,如下图所示,通过 Arduino 平台编程。本装置电机 1 和电机 2 采用的圆周电机,方便电机做周转运动;电机 5 为直流电机;电机 3 和电机 4 采用标准舵机,可以实现特定角度旋转。

开发板实物图
4. 创新特色
      ① 利用升降式分层结构实现一体化清洗。
      ② 清洗一体化,全程只需放鞋和取鞋,即拿即穿。
      ③ 可根据鞋面材质切换清洗刷,保护鞋面。

5. 作品难点及解决方案
      本作品的难点在于如何让鞋子被清洗得更干净。经过小组成员的讨论后,我们决定增加鞋刷的厚度以及高度,以确保鞋子的各个面都能接触到,并将支撑鞋子的杆倾斜一定的角度,使鞋子放入后处于竖直状态,解决了鞋面根据人体结构设计而与平面有一定角度的问题。

6. 示例程序


#include <Servo.h>

Servo servo_pin_7;
void setRomeoMotor(int motorId, int speed)
{
  int speedPin, directionPin;
  if (motorId == 1)
  {
    speedPin = 5;
    directionPin = 4;
  }
  else
  {
    if (motorId == 2)
    {
      speedPin = 6;
      directionPin = 7;
    }
    else
    {
      return;
    }
  }


  if (speed == 0)
  {
    digitalWrite(speedPin, LOW);
  }
  if (speed > 0)
  {
    digitalWrite(directionPin, HIGH);
    analogWrite(speedPin, speed);
  }
  else
  {
    digitalWrite(directionPin, LOW);
    analogWrite(speedPin, -speed);
  }
}
Servo servo_pin_8;
Servo servo_pin_11;
Servo servo_pin_4;

void setup()
{
  pinMode( 7, OUTPUT);
  pinMode( 6, OUTPUT);
  pinMode( 5, OUTPUT);
  pinMode( 4, OUTPUT);
  servo_pin_7.attach(7);
  digitalWrite(4, LOW);

  digitalWrite(5, LOW);

  digitalWrite(6, LOW);

  digitalWrite(7, LOW);

  servo_pin_8.attach(8);
  servo_pin_11.attach(11);
  servo_pin_4.attach(4);
}

void loop()
{
  servo_pin_7.write( 180 );
  if (( ( millis() ) < ( 500.0 ) ))
  {
    servo_pin_7.write( 90 );
  }
  setRomeoMotor(1, 0);
  setRomeoMotor(2, 0);
  delay( 1000 );
  if (( ( ( millis() ) < ( 10000.0 ) ) && ( ( millis() ) >= ( 6000.0 ) ) ))
  {
    servo_pin_8.write( 30 );
    servo_pin_11.write( 30 );
  }
  setRomeoMotor(1, 0);
  setRomeoMotor(2, 0);
  if (( ( ( millis() ) >= ( 10000.0 ) ) && ( ( millis() ) < ( 20000.0 ) ) ))
  {
    servo_pin_4.write( 180 );
  }
}


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