1、多功能家具一体机设计者：李静，张宇，王奕钦，黄杰，陶旭指导教师：王世刚齐齐哈尔大学2012 年 4 月 多功能家具一体机设计者：李静，张宇，王奕钦，黄杰，陶旭指导教师：王世刚（齐齐哈尔大学 机电工程学院，齐齐哈尔 161006）摘要：随着时代的发展，小居室越来越多的成为了当代家庭的选择，相比与大居室，小居室的空间布局成为了一个难题，本着节省空间，合理布局的意图，研发了此多功能家具一体机。集桌椅，书架，衣柜，床为一体，充分节约了居室空间，美化了家庭布局，简约而不见简单。关键词：家具；组合；多功能；省空间作品内容简介本作品跟据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，属于“家庭用机械” 。此机械以角铁
2、和木板为支撑结构，高 1m，宽 80cm 厚 30cm。机器一面利用弹簧合页拉开可组成一套桌椅。另一面为书架，手机客户端用 wifi 或直接触控机器侧身电子屏幕可执行床的展开操作。展开床长为 90cm 宽为 90cm.展开后机器内部空间变为橱衣柜。机器顶部配有摄像头可对居室进行监视，保护屋内的安全。联系人：联系电话：EMAIL：1 研制背景及意义随着国家的的发展和当前社会大背景，住房问题越来越多的成为了人民关注的焦点。各地的房价都在持续上涨，对于当代家庭来说，小居室受到了众多人的青睐，但麻雀虽小，如何能够五脏俱全，这是一个非常令人头疼的问题，同一个家具，大居室摆放的就能相当协调，而小居室就会稍
3、显拥挤，拥挤的空间会减少居室采光，影响人们的视觉审美，难以创造更高品质的家庭生活。对于诸多问题我们提出如下解决思路：1）家具的摆放应具有灵活性；2）在不影响性能的前提下，家具的体积应尽可能的小；3）家具应具有更多的功能。此多功能家具一体机旨在对对家庭内物品进行整理、储存和用机械。它未展开态时是一个箱体，占用 0.24面积。而且机械底部装有万向轮，能做到想放哪里放哪里。一旦选定位置，可用脚踩下轮锁进行固定。本机械分为 4 个功能部分，需要桌椅时，可拉开机器一侧由弹簧合页组组成的机构，即变为一套桌椅。收回桌椅打开万向轮，把机器转过来，另一侧即为一个“书架墙” 。当需要休息的时候，手机客户端用 wi
4、fi 或直接触控机器侧身电子屏幕可执行书架墙变为床的操作。机器内部空间即位橱衣柜。机器顶部配有摄像头，可对屋内进行监视。此机器真正做到了多功能，省空间，省材料，方便灵活的特点。必定具有广阔的市场。2 设计方案2.1 总体设计构想为了实现多功能家具一体机（以下简称一体机）多功能，省空间，省材料的设计要求。我们采用折叠，替换原则，把占用表面空间转向占用直立空间，在不用的时候把室内的平面空闲出来。一体机总体分两个立面，正面有一个书架，书架内侧是床，背面是可收起的折叠桌椅。床面收起的时候背面可以当书架，当床放下，书架用链传动始终保持与地面平行，这样既可以保证书不会落下也能起到支撑床的作用，一体机下安装
5、自锁万向轮可以随时移动、固定某一位置，一体机的内部又能当衣柜贮藏物品。因为我是家居类机器，为了满足客户实用性的要求我们控制部分分 android手机用户端（和 arm linux 用户端）和一体机受控端，一体机用嵌入式 linux 系统提供可视界面和显示摄像头图像，底层细节处理用回环控制的单片机系统。手机用户端采用市场上最广泛的 android 系统的控制端，用 wife 连接，而且我们采用 internet 穿透技术，在任何一个连接到 internet 的地方只要输入控制端 ip就能实现远程接收一体机摄像头的图像，显示室内的温度和控制书架床起降的动作。这样只要是任意一款 android 手机
6、都能安装我们提供的用户端安装包进行操作。而且我们可以设置当人员回家或者离开的时候自动升降书架床。2.2 书架方案结构设计寝室里有很多书，而且因为空间不够不能把要看的全部摆放出来，为了解决这个问题，我们把床背面的空间利用上，要想使书架上的书不会因为床放下而掉落，我们考虑书架和机架分开，他们组成一个机构。这样当床放下的时候就可以考虑把书架人为的使其与地面平行。由此我们设计以下两种方案。方案一：（图 1）采用了一个轴与机架连接，使书架相对床面转动。这样就可以在床下降的时候转动书架使其上面的书不会掉落下来。出于床落下，床因为力矩太大不容易固定，这时书架暂时当一个支点，起支撑床的作用，书架的高度为？。但
7、由于人参与操作，精度低，且速度不稳定，很容易使书掉落下来。方案二：（图 2）仍然采用了一个轴和机架连接，使设计相当于床面转动。但是我们不用人为干预，采用链传动。因为要想使书架不会掉落，我们只需保持角 a 和角 b 相等即可，这里我们用了 1:1 的链传动，主动轮固定在机架、从动轮和书架相连。这样就可以准确的保持书架和地面平行，很方便。综合考虑我们选用方案二。图 2 2.3 主轴方案设计因为设计采用了电机用作驱动，使床升降，用带传动。对于轴皮带轮的安放位置我们设计如下两个方案。方案一：（图 3）把皮带轮放在中间位置，这样把轴和床面固定的时候可以保证轴受力均匀，不容易发生扭转变形。但是出于装配考虑
8、，轴必须加工成台阶轴，轴的长度是？那样一侧是的是细长轴，在强度上轴的屈服强度不均，容易破坏；在加工上，因为是细长轴，不易加工。方案二：我们把皮带轮放在离轴承？，中间放一个顶圈，保证皮带轮的横向约束，不让其轴向移动。在材料上我们选用轴径 30mm 的 45 刚，根据计算远远超过要求的最小轴径，设计上符合要求，因为所以阶梯都集中在一侧，且阶梯不长，用车床双头加工，不用中心架就能轻松加工。综合上述方案，我们选用方案二。图 32.4 折叠桌椅的设计比较折叠桌椅在不用的时候收起，折叠在机架一侧，这样可以大大节省空间，根据这些要求我们有两个方案，符合设计要求。方案一：（图 5）折叠座椅用木板，侧面用杆件支
9、撑，与桌椅用？连接，这样放下的时候可以把杆收起，但因为用？连接，不能保证杆与桌面保持 90角，而且这种结构不是标准件，互换性不好，不易加工。方案二：（图 6）折叠座椅用木板，侧面用板面支撑，与桌椅用 90合页，这样放下的时候不但可以保证与桌椅保持 90角，而且合页在市场上非常常见，木板又方便加工，符合互换性要求。综上所述，我们采用方案二。图 53 控制系统设计概述 3.1 系统整体打捞系统采用Samsung公司S3C2440 的ARM9 处理器主频最高可达400 MHz，通过在USB接口外接一个带USB口的CMOS摄像头，将采集HSL 空问的图像，并二值化，显示在qt的可视化窗口上，然后通过可
10、视化的控制平台进行手动和自动的模式，有反馈的进行控制。自动模式下我们能通过手动设置设置开启和关闭分立的六个机械爪子，以便于控制抓取位置，避免对被打捞物的损伤。同时我们可以设置抓取的三个档位，实现31步完成本次是抓取过程；手动模式下与自动模式基本相同，唯一不同的可以实现六个机械爪子的单步执行。本系统最大特点是使用了嵌入式Linux操作系统。嵌入式Linux用于机械控制系统势必大大减少了工作量，因为操作系统将控制软件的通用部分抽取出来，抽象为一个底层硬件系统和上层软件系统之间的不同，而在设计新的嵌入式控制系统时，只需编写应用程序以及驱动，就可快速的完成一个全新的嵌入式系统 ，而且嵌入式Linux的
11、打捞系统在很容易原有基础上进行系统功能的扩展，如实现无线监视，无线遥控，进一步添加传感器等，必将使得在Linux下可以做到很短时问设计出一个功能强大，高效，低成本的嵌入式打捞系统（后简称打捞系统） ，如图1。如图 13.2 一体机系统硬件设计系统选用S3C2440作为CPU，在S3C2440 上具有五个16位寄存器，由于嵌入式io有很多复用功能，引脚非常珍贵，我们其中还用到了串口功能减少 io引脚的浪费。另外S3C2440处理器内部集成的 USB HOST控制器支持两个USB host通信端口，其符合USB11 协议规范，用其进行视频信息的采集，usb1.1 65m 的无线网卡。以下进行模块说
12、明：图 2嵌入式一体机的硬件结构CPU制模块如图2所示，电路包括核心CUP，JTAG调试电路，USB接口，存储电路，复位电路等，采用一颗 ARM核心的嵌入式CPUs3C2440结合外围扩展元件组成小型嵌入式系统。运行Linux操作系统。ARM处理器的主要应用领域有工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用，S3C2440是三星公司开发的一款32位RISC处理器，采用了 ARM 920T核心，支持 WINDOWS CE和LINUX 操作系统，内置SDRAM控制器，液晶控制器，SD 控制器， AD转换器。可以方便地扩充所需的设备而不用增加外围元件。存储器
13、分为FLASH存储器和SDRAM存储器，FLASH 存储器是一种非易失性存储器，掉电后数据不丢失。所以用来保存OS、应用程序和重要数据。电路上程序存储器采用了K9XXX08UOA-PCB0。其容量为256 Mbytes，电路上采用兼容设计，可以根据需要采用不同容量的存储器。SDRAM是一种随机读取存储器，掉电后数据不保存，但是其读写速度非常快。所以，一般用作为程序的运行空间。系统引导以后，将FLASH中的程序解压缩到SDRAM中运行，提高系统的运行速度。电路设计中选择K9F1216U0A，容量为32M Bytes，采用2片组成64M，32位存储系统。复位电路，提供CPU和外围设备上电复位和按键
14、复位。使用一片美信公司专用复位芯片MAX8860EUA18。电路结构简单，复位可靠，提供标准的20 PJTAG 调试接口。可以下载烧写板上BOOTLOADER程序。2.3 一体机系统软件设计所有软件在Fedora 10环境下建立嵌入式 Linux开发所需要的交叉编译环境，安装编译工具，编译内核，制作yaffs根文件系统并添加驱动程序以及应用程序，该打捞系统软件主要分为三个模块：图形控制界面、执行部分和反馈部分。整个Linux 软件模块如图3所示。图 3 嵌人式 Linux 操作系统Linux操作系统内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、且源代码完全开放，软硬件均可裁减适合于嵌入式开发应用，虽然
15、Linux内核本身不具备强实时性，并不是一个专门为嵌入式设计的操作系统，且内核体积较大，而且一般嵌入式系统的硬件资源有限。但是，如果对Linux通过配置内核，裁减shell和嵌入式c库对系统定制，使整个系统能够存放到容量较小的FLASH中，Linux进行实时化和嵌入式化便是可行的。 嵌入式一体机软件系统平台建立1）uboot 移植去网站下载uboot 1.1.6的源码包，因为2440和2410 都是arm920t核心，参照2410的配置修改2440的板子的支持，根据笔者经验，如果是nor flash启动，汇编start.s文件几乎不用改，因为在进入start_armboot 的 c入口点的时候
16、会自动初始化。直接修改speed.c 文件，因为 2420和2440的总线时钟分频计算不同，根据2440手册get_PCLK函数中多了2倍的关系，修改一下。到此为止串口就能打印出信息，加上几个自定义的命令，然后移植usbslave，网上有大把的usbslave 资料，这里不做介绍。能够在nor flash 上运行之后就是让板子支持 nand flash。2440手册中明确说明，cpu启动自动加载 flash前4k 的代码。因为nand不能直接运行代码，必须复制到内存重运行，需要修改start.s中从flash复制到内存的这段代码，把nand flash 的驱动加上就ok了。2）Linux 移植
17、首先填写machine_desc结构体，支持当前开发板，因为linux第一个运行的汇编文件head.s调用检测cpu 支持id的_lookup_processor_type和板级支持的_lookup_machine_type段校验， arm920 的id是0x41129200 不用管，板级校验machine_desc时要校验自己填写的machine_desc ，如果没有填写引导不能通过。在这里要注意uboot和linux的机器码必须一致，要不uboot向linux传递参数的时候，linux不能通过机器码校验。完成以上，就可以在menuconfig 上配置自己板子的 linux了，网上配置arm
18、 linux的时候大同小异，自己琢磨一下就ok了。3）Yaffs文件系统的建立我们用busybox制作文件系统，把相应的linux交叉编译出来的指令、库和模块驱动都加入进去，修改一些启动脚本，就完成了文件系统的制作。4）Qtopia图形平台的移植下载源码包，首先编译pc下的qtopia模拟平台，然后编译arm平台的qt，最后把一些程序和库加入到制作好的文件系统里，修改启动脚本rc，完成qt的移植 Linux 驱动与应用编程本系统中有USB的CMOS摄像头，以及oi控制需要驱动程序的编写，一般需要进行以下几步：(1) 给file operations结构赋初值l2。一般语句为：static st
19、ruct file_operations_fops=，Open：用户定义功能函数，Read：用户定义功能函数，Write：用户定义功能函数，Release：用户定义功能函数。(2) 设计open、read、write 、release后用户定义的功能函数，实现设备的选定、读、写等功能。(3) 设计一init函数实现向内核注册设备。(4) 设计moduleinit驱动程序的模块人口当整个驱动程序写完后，需要编写Makefile文件，这样可以利用交叉编译环境在主机上生成嵌入式系统可执行的目标文件，最后利用insmod命令向内核加载编写好的驱动程序，这样就会在Linux系统的dev下产生一个新的逻辑
20、设备结点。 本一体机系统中 Linux 下 USB 摄像机应用程序本系统中摄像头所实现的任务是进行数据采集，以便处理，而摄像头是视频类设备。在目前的Linux中，Video4Linux是其下用于获取视频和音频数据的API接口，V4L定义了套接口，内核、驱动、应用程序以这个接口为标准进行交流。本系统中的USB摄像头受到V4L支持。图像采集的程序流程如下：(1)打开系统的COMS摄像头；(2)读取CMOS摄像头的信息；(3)更改CMOS摄像头当前设置；(4)进行CMOS摄像头图象采集时我们有两种方法可以选择：内存映射，直接从设备读取；(5)对CMOS摄像头采集的视频进行处理压缩，采用jpg 压缩格
21、式，完成位图到灰度颜色空间的转换并用Qpixmaps类的repainer 刷新缓冲池。用DateToLoader()加载数据到缓冲池；(6)关闭CMOS摄像头。3. 4 控制系统结论随着控制系统功能变的复杂，现实中的系统已经再不是过去逻辑结构简单情况下进行设计了，从新设计一个新的控制软件系统的费用还有软件人员的工作量会成倍的增加，那么基于Linux嵌入式操作系统的用于家居系统势必大大减少了工作量，原因就像我们说过的因为有了操作系统，而在设计新的嵌入式控制系统时，只要编写应用程序以及驱动，就可快速的完成一个全新的嵌入式系统而也是因为操作系统的出现使得嵌入式Linux的控制在很容易原有基础上进行系
22、统功能的扩展，如实现监视，遥控，进一步添加传感器进行数据融合等，必将使得在Linux下可以做到很短时间设计出一个功能强大，高效，低成本的家居系统。2.5 手机用户端系统设计本系统外接 android 手机用户端，android 也属于嵌入式系统，这里只是简单的描述界面设计。总体用两个 SurfaceView 类，一个用来显示接收的视频流，一个用 log。在按键设计方面，我们也用考虑了很多方法防止误按，最后我们决定用安卓上下文菜单 ContextMenu 类来实现，通过长按屏幕激活菜单，这样解决了重新设计按键锁屏的麻烦。在连接方面，我们用 socket tcp/ip 进行通信，一体机 linux
23、 当接收到连接的时候就一直发送视频流，因为我们用的是无线 wifi，传输速度受环境影响，我们特意加上手段调节网络延时功能（菜单接收帧数设置） 。具体操作方法见软件帮助（菜单关于和帮助） 。主界面3 理论设计计算3.1 总体尺寸设计此作品最大特点在于床体、立式柜体、书桌三种状态的转换，因此只有设计好各状态的结构尺寸才能合理、协调的实现其功能。（1）桌椅外形尺寸：为了使人坐着舒适，椅子应与桌子高度相协调，使桌子不过高或过低影响人的读写等工作，故椅子应取 365mm，桌子应取 515mm。再根据青少年、成年人的肩宽，读写姿势及审美观角度考虑，桌宽设计 300mm，椅宽 210mm。以及承担人体重量的
24、考虑设计桌椅板厚和结构。（2）床体尺寸：根据市场主流床体尺寸，床体的长度取 1760mm，床高 310mm。（3）立柜外形尺寸：根据市场主流立柜尺寸，立柜底面边长取 250mm820mm，高度为配合作连接菜单 帮助为墙体的要求取 2000mm。（4）结构协调尺寸：为了满足三种状态之间的转换，各部分的尺寸取值如图所示。图 8 金属框架结构尺寸示意图3.2 带传动设计说明1. 已知 D=44mm V=0.85m/s 由于工作机效率 = 1 2 V 带传动的效率一般取 0.920.97 取1=0.96 ， 2=0.99= 1 2=0. 952. 计算功率 P= 500w3. 确定转速 n1=7r/m
25、in 4. 选择 V 带的带型根据 Pca n1 由书中图 8-11 选用 A 型5. 确定带轮的基准直径 dd1， 并验证带速 1）小带轮的基准直径 dd1 Dd1=44mm.2） 验算带速 VV=d d1 n1/601000=0.81m/s因为 V90 7. 计算带的根数 Z计算 V 带根数 Z=Pca/Pr=1.37 取 2 根8. 计算单根 V 带的初拉力的最小值（F 0） mim由表 8-3 A 型带单位长度质量. q=0.1/m 所以（F 0)min=500(2.5-k ）P ca/k ZV +qV2应使带的实际初拉力 F0（F 0)min9. 计算压轴力 Fp压轴力的最小值为（F
26、 p)min=2Z(F0)minsin 1/2=25141 sin152/2=1368N3.3 电机选择由于是在室内常温下长期连续工作载荷平稳，单向运转，环境有灰尘。电压为 220V，所以选用两相电动机。工作机传动转速 N = 6.21r/mind/10V6这里我们选择厂家定做的 7r/min 电动机（含减速器） ，符合设计要求。3.4 强度与刚度校核此作品对立柜的强度设计没有特别要求，必然满足使用条件。床板设计载重 130kg，我们参考了市场上性能类似床架的选材，并结合此作品的结构及设计要求对承重轴承进行了校核。3.4.1 床架杆强度校核床体框架上，就承重而言，床架可简化为两根 1760mm
27、 的长直角铁的受力情况，床架承载布面受力可视为受均布载荷。床架架杆的受力可以简化为如下简支梁模型，其中 。mL1760已知：床架杆的材料为 25*25*3Q235B 角铁，弹性模量 ，取安全系GpaE9数 ，设计承受最大重量为 130kg，受力如图 10 所示。2.1s图 10 担架杆受力图（）计算最大工作载荷床架承受最大的载荷130NmgG单根担架杆承受的最大载荷 652130F均布载荷 mN1.8.Lq（）计算支座反力由载荷的对称性可知： 325602FRBA（）计算剪力 和弯矩）（ xs）（ xsM剪力 qRAs)(弯矩 21MxFxs（）画出剪力图和弯矩图如图 11 所示。图 11 床
28、架杆剪力、弯矩图（）计算最大弯曲正应力查表可得 25*25*3Q235B 角铁对 Z 轴的惯性矩 41057.Imz抗弯界面系数 334maxz 68.2150.yIWm最大弯曲正应力 MpapaM.41068.2549axax（）校核担架杆的强度许用弯曲应力pas1962.3显然 ，满足强度要求。max3.4.2 床架杆的刚度计算由以上简化模型可知，在床架承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）为：cmEIqLz 4.10.157.019638452344max 由此，担架的最大弯曲变形为 4.4cm，并且出现在担架杆的中心位置，完全满足使用要求。3.4.3 轴强度校核1. 求作用在轴上的作用
29、力根据轴的扭矩计算知： 则圆周力： ；NdTFt15022 初步确定轴的最小直径初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45#钢，调质处理。根据表 14-3，取 10A，于是得： ；mnPAd36.2430min这里我们选择 d=30mm。符合设计要求。3 轴的结构设计轴上零件的装配方案装配方案如图所示：3.5 部分工程图4 工作原理及性能4.1 工作原理下面对背包变为担架，再变为帐篷的过程予以说明。（1）如图 16 为背包状态。黑色的带子为固定带，背包状态时可约束包体，担架状态可固定伤员。（2）揭开背包盖，打开侧连接机构(图 17)，揭开背包两侧的粘扣，展开背包，变为担架（图 18） 。这时侧
30、连接机构为担架的四个支座，如图 19 所示。图 16 背包 图 17 侧连接机构图 18 担架图 19 担架支座（3）翻转担架，将侧连接机构扭转 90与地面平行，用于帐篷和地面的固定。（4）取出折叠干，翻起帐篷包（图 20） ，打开两端的螺纹开合装置（图21） ，将担架分为两部分， 揭开粘扣，向两侧拉开担架，如图 22 所示。图 20 帐篷包图 21 开合装置图 22 拉开担架（5）铺开帐篷，与担架地面用拉链拉合。接好两根折叠杆，插入四个角框架上的圆孔中，如图 23 所示。图 23 帐篷折叠杆安装图（6）拉起帐篷布体，与折叠杆绑定，及变为帐篷，如图 24 所示。图 24 帐篷4.2 性能（1）
31、背包宽 50cm，高 70cm，厚 30cm，自重约 8kg，设计容量 90L。（2）担架长 200cm，承载布面长 180cm，宽 50cm，设计承重 120kg。（3）帐篷底面边长为 2m1.8m，高 145cm，可容纳三人居住。5 实物照片背包、担架和帐篷实物图分别见图 25-27。图 25 背包图 26 担架图 27 帐篷6 创新点及应用6.1 创新点1）将与救援、避难有关的三件设备巧妙的结合了起来，独立解决了救灾过程中的一系列问题。2）四折叠可分离框架结构、侧连接机构、开合装置的创新设计。3）采用时间分离原理的设计及布置，实现了侧连接机构、帆布、固定带在不同状态下的不同功能。6.2
32、应用此多功能救灾背包可大批量库存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然灾害发生时，可集成放入卧具、食品、药品，供救援人员使用。可以解决灾后中小规模的物资运输、被困灾民的医疗救治、伤员的转移，以及被困灾民的住宿这一系列问题。除救灾外还可用于几个人的户外徒步旅行。此背包重量轻、制造容易、使用方便，单件制造成本为 480 元，批量化生产成本还可降低，有良好的市场前景。参考文献1 濮良贵，纪名刚. 机械设计.北京：高等教育出版社.20062 张占新材料力学西安：西北工业大学出版社20053 于永泗，齐民机械工程材料大连：大连理工大学出版社20074 机械设计手册编委会机械设计手册北京：机械工业出版社20055 大连理工大学工程图学教研室机械制图（第六版） 北京：高等教育出版社2007
