一款智能儲物床的設計

苗蓬勃，劉 瑛，李國明

(杭州職業(yè)技術學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

當前居家生活中，人們通常購買使用箱式床，箱式床下方箱體內可用來儲物，這類床儲物時需要把床品、床墊和床板都抬起，然后放置和拿取物品，費事費力，尤其在人口老齡化大背景下，老年人想要在床下儲物，需弓身搬抬、彎腰下蹲等較大幅度動作，可操作性不佳，往往伴隨著身體損傷等風險因素[1]。

基于上述目前箱式床儲物存在的不足之處，設計了一款智能儲物床，該智能儲物床可以有效協(xié)助人們輕松實現(xiàn)床下儲物，使用者只需在床邊觸控按鈕，床下的獨立儲物盒即可自動移出，置物取物完畢，獨立儲物盒可自動回到原位。

1 總體結構設計

為實現(xiàn)目標功能，智能儲物床箱體內包含PLC控制系統(tǒng)，總體傳動框架，舵機推桿機構，電磁吸附裝置，獨立儲物盒等部分，總體方案如圖1所示。

圖1 智能儲物床整體方案圖1.床體 2.整體傳動框架 3.舵機推桿裝置 4.獨立儲物盒

采用同步帶滑臺模組直線傳動機構為總體傳動框架，電機控制同步帶滑臺模組中的滑塊，滑塊上裝有舵機推桿裝置，可隨滑塊移動到目標獨立儲物盒正后方，再由電磁鐵吸附獨立儲物盒移出移進，獨立儲物盒下方安裝萬向輪。該傳動方案結構清晰，運行順滑，高速靜音，安裝方便。

1.1 床體結構

床體結構以一般箱式儲物床為基礎，增設控制元件存放平臺和控制面板，應用180°任意停合頁，使一側床板可180°任意翻轉停止。使用時手動翻轉側門板4，然后操作控制面板1進行全程控制，使用完畢翻轉側門板閉合即可，床體結構如圖2所示。

圖2 床體結構圖1.控制面板 2.控制元件存放平臺 3.合頁 4.可翻轉側門板

1.2 整體傳動框架

智能儲物床采用同步帶滑臺模組直線傳動機構作為整體傳動框架，如圖3所示，同步帶滑臺模組上的步進電機帶動滑塊做往復水平運動，也就是通過步進電機的動力輸出來帶動末端執(zhí)行器在同步帶滑臺模組的導軌上做水平往復運動[2]。該模組安裝靈活便捷，配有兩個步進電機，封閉式滑塊能夠有效防塵，模組的滑塊和導軌零間隙配合，該機構運行順滑流暢靜音，可實現(xiàn)滑塊XY坐標方向滑塊的定位。

圖3 整體傳動框架1.電機 2.滑塊 3.同步帶 4.機架

1.3 舵機推桿裝置

舵機主要是由外殼、電路板、數(shù)據(jù)存儲器、中央控制器、無核心馬達、齒輪、數(shù)據(jù)存儲器與位置檢測器所構成。其工作原理是將控制程序傳送到舵機調節(jié)單元，判斷轉動方向，再驅動無核心馬達轉動，通過減速齒輪及連桿將動力傳至擺臂，實現(xiàn)擺臂的轉動[3]。

智能儲物床中獨立儲物盒的運動由舵機推桿機構推動實現(xiàn)。如圖4所示，在同步帶滑臺模組的滑塊上安裝支架，支架上安裝兩個舵機，舵機輸出端連接有推桿?；瑝K移動定位到獨立儲物盒的正后上方位置后，舵機驅動推桿由水平位置各向下轉動90°到獨立儲物盒后側停止轉動，推桿上裝有的電磁鐵通電，吸牢儲物盒，滑塊移動從而帶動舵機推桿裝置推動獨立儲物盒移動。

圖4 舵機推桿裝置1.支架 2.舵機 3.推桿 4.電磁鐵

1.4 獨立儲物盒

每個獨立儲物盒下方裝有四個萬向滾珠，推桿在承受較小推力下，可將儲物盒順利移進移出，降低能耗。獨立儲物盒上方可另配封閉盒蓋，正后面安裝有磁性金屬鋼板。獨立儲物盒的結構設計如圖5所示。

圖5 獨立儲物盒結構圖1.盒體 2.萬向滾珠 3.磁性金屬板 4.連接螺栓

2 控制系統(tǒng)的設計

2.1 基于PLC的控制系統(tǒng)

PLC的應用已經(jīng)成為現(xiàn)代設備的象征，是現(xiàn)代工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎控制設備之一。PLC 具有穩(wěn)定、可靠和實時處理能力強的優(yōu)點。PLC 利用最基本的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能進行邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，廣泛應用于機器人、機電系統(tǒng)和航模的輸出執(zhí)行機構。本控制系統(tǒng)利用三菱PLC 對步進電機、舵機、電磁鐵實現(xiàn)總體控制目標[4]，用于控制獨立儲物盒的移動和停止，系統(tǒng)方案圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)方案示意圖

2.2 工作流程

(1) 翻轉一側門板，可見觸控面板，觸控面板上的控制按鈕，可使目標號碼的儲物盒移出和復位。

(2) 1～9號獨立儲物盒的移出方案如圖7所示。各儲物盒的復位按移出軌跡原路返回。

圖7 儲物盒移動方案示意圖

(3) 滑塊移動時，兩推桿轉動至水平0°位置，移動到獨立儲物盒后方位置，舵機帶動推桿各向下旋轉90°，推桿處于豎直位置，電磁鐵通電，吸附推拉儲物盒，如圖8、9所示。

圖8 舵機推桿機構0°位置 圖9 舵機推桿機構90°位置

3 智能儲物床運動方案實物模型

根據(jù)上述設計方案，搭建了智能儲物床的運動方案實物模型(不含床體部分)，圖10中以一個儲物盒為例，通過PLC程序控制，能夠實現(xiàn)圖7中的各儲物盒運動軌跡。圖11中的舵機推桿機構，能夠實現(xiàn)定點移動、轉動和推拉儲物盒的功能。通過實物模型的模擬控制操作，進一步實現(xiàn)了該智能儲物床的設計目標和效果。

圖10 總體實物模型圖 圖11 舵機推桿裝置 實物模型圖

床下儲物盒可實現(xiàn)自動移出移回，為老人及行動不便人士在床下儲物帶來了輕松與便利，可有效減輕他們的難處與負擔，增加儲物多樣化合理化。同時，因操作不便，人們往往床下儲物會長期堆放不動，甚至出現(xiàn)發(fā)潮發(fā)霉的現(xiàn)象，該便捷化的智能儲物床可隨時操作，對解決上述問題大有裨益。

該設計及所建模型基于1.8 m×2.0 m床體，對于家居訂制多樣化的今天，該智能儲物床更顯優(yōu)勢，可根據(jù)不同床體大小，組建相應尺寸的傳動機構、匹配相應數(shù)量的儲物盒、更改不同方向的儲物盒進出口等，為不同用戶需求提供多樣方案，為智能家居訂制行業(yè)提供新的產(chǎn)品方向。

4 結 語

為了能有效幫助老人及行動不便人士優(yōu)化床下儲物的問題，設計了智能儲物床，該智能儲物床以同步帶滑臺模組為床下箱體內基礎傳動框架，滑塊帶動舵機推桿裝置，應用PLC技術進行系統(tǒng)控制,實現(xiàn)獨立儲物盒的自動移動，使床下儲物方便輕松省力。

該智能儲物床能夠根據(jù)使用者的不同房間尺寸和不同床體規(guī)格進行個性化訂制，可配合床品家居企業(yè)滿足用戶可定制化的使用需求[5]，市場應用前景廣泛。