基于空間凸輪－輪系復(fù)合機(jī)構(gòu)的可伸縮旋轉(zhuǎn)智能衣架的研究

崔雨豪 錢俊澤 于鄭鑫 段博文 朱嘉運(yùn)

[摘 ? ?要]在物質(zhì)基礎(chǔ)豐富的今天，享受智能家居成為一種潮流。但在目前的家居生活中，在晾曬衣物方面存在很多問題。為解決實(shí)際生活中存在的部分晾曬衣物問題，文章針對智能衣架的機(jī)械及控制進(jìn)行了研究。在綜合考慮家居生活需求，市場發(fā)展趨勢和陽臺，天氣等決定因素后自主設(shè)計(jì)了一款智能衣架。其水平伸縮和豎直升降裝置能夠有效控制占用空間，同步帶裝置驅(qū)動(dòng)衣物沿軌道旋轉(zhuǎn)使晾曬合理化，手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行遠(yuǎn)程控制方便操作。在經(jīng)過多次試驗(yàn)和參數(shù)調(diào)試后，使得該款多功能衣架各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)與效果，真正做到家居的智能化。

[關(guān)鍵詞]智能衣架;多功能;同步帶驅(qū)動(dòng)折疊;藍(lán)牙連接控制;空間利用

[中圖分類號]TS959.9 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–04

Research on Retractable and Rotating Intelligent Clothes Hanger

Based on Space Cam-Gear Train Composite Mechanism

Cui Yu-hao，Qian Jun-ze，Yu Zheng-xin，Duan Bo-wen，Zhu Jia-yun

[Abstract]In today's society with rich material foundation， enjoying smart home has become a trend. But in the current home life， there are many problems in drying clothes. In order to solve some of the problems of drying clothes in real life， the mechanism and control of smart clothes hangers are studied. After comprehensively considering the needs of home life， market development trends， balconies， weather and other determinants， a smart clothes hanger was independently designed. Its horizontal telescopic and vertical lifting devices can effectively control the occupied space， the synchronous belt device drives the clothes to rotate along the track to rationalize the drying， and the mobile phone Bluetooth remote control is convenient for operation. After many tests and parameter debugging， the various systems of this multi-functional hanger run stably and reliably， achieve the expected design goals and effects， and truly realize the intelligence of the home.

[Keywords]smart hanger; multi-function; timing belt drive folding; Bluetooth connection control; space utilization

1 概述

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人口的增長，造成我國城市建筑群密度較大，從而出現(xiàn)了在晾曬衣物時(shí)采光時(shí)間短等問題，這嚴(yán)重影響人們的日常起居。

伴隨科技的快速發(fā)展，智能家居作為一種新興產(chǎn)業(yè)已經(jīng)引起了人們廣泛關(guān)注，晾衣架作為智能家居的重要組成部分，其產(chǎn)品種類豐富。市場上的晾衣架從功能結(jié)構(gòu)上可分為手動(dòng)和自動(dòng)兩類，從使用場合上可分為室內(nèi)型和室外型兩類。

針對以上問題同時(shí)參考市場衣架，自主設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種智能自動(dòng)晾衣架。

（1）通過移動(dòng)衣架的位置，加速衣物的晾曬，解決衣物許久不干的問題。

（2）通過衣架的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可以解決晾曬過多衣物的陽臺擁擠帶來的困擾。其而且衣架在不用時(shí)會(huì)進(jìn)行水平面積縮小，隨后縱向回升天花板，為陽臺提供更寬闊的空間。

（3）衣架可以通過藍(lán)牙連接進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高在有限的采光率下晾衣架的使用效率。

2 多功能晾衣架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 多功能衣架的各個(gè)部件系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、水平收縮等功能，需要通過剪刀架機(jī)構(gòu)，雙向可動(dòng)帶輪機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)。

（1）剪刀架機(jī)構(gòu)：通過剪刀架的伸縮控制衣架上下的幅度。

（2）雙向可動(dòng)帶輪機(jī)構(gòu)：通過帶輪外側(cè)的凸起帶動(dòng)軌道上的衣架定向旋轉(zhuǎn)，完成皮帶輪水平面的收縮。

（3）齒輪齒條機(jī)構(gòu)：通過齒輪齒條完成衣架下板以及軌道水平方向的收縮。

（4）智能控制系統(tǒng)：按照預(yù)設(shè)的算法利用紅外裝置控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來控制衣架縱向升降在啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)使用，并假設(shè)完成一次上升或下降的時(shí)間為10 s。

（5）安全系統(tǒng)：如有以上系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

綜合以上查閱的資料，根據(jù)任務(wù)的條件與預(yù)設(shè)參數(shù)去設(shè)計(jì)并調(diào)整衣架的部分性質(zhì)與參數(shù)，去完成預(yù)設(shè)條件：

多功能晾衣架需要做到上下升降。

多功能晾衣架需要做到水平面積的伸縮。

水平面上的同步帶完成一天8 h的單向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷平穩(wěn)。

工作環(huán)境為室內(nèi)，灰塵較小，環(huán)境最高溫度為40℃，最低溫度為20℃。

假設(shè)在模型上加上10件20 N重量的濕透衣服與一床500N的濕透被子。

整個(gè)晾衣裝置的總體質(zhì)量為13 kg，展開與收縮水平板子。

同步帶的時(shí)間為2s，同步帶運(yùn)行速度為0.05 m/s。

2.2 多功能衣架的中部傳動(dòng)系統(tǒng)

（1）行星輪系結(jié)構(gòu)：利用行星輪系機(jī)構(gòu)中的一對外嚙合齒輪來改變行星輪的旋轉(zhuǎn)方向，再通過一個(gè)內(nèi)嚙合齒輪與行星齒輪嚙合做到內(nèi)嚙合齒輪既保證齒輪軸與輸入軸共線，又達(dá)到輸入軸旋向與內(nèi)嚙合齒輪旋向相反;通過控制齒輪的各個(gè)基數(shù)減少轉(zhuǎn)速，縮短位移角度，如圖1所示。

（2）空間凸輪結(jié)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)可以將切向輸入動(dòng)力轉(zhuǎn)為軸向動(dòng)力形式輸出，將內(nèi)嚙合齒輪外沿升高做成空間凸輪機(jī)構(gòu)，做到轉(zhuǎn)化的同時(shí)減速，若單純與軸承相固定，則各方面因素不易控制，如圖2所示。

（3）齒輪齒條機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)切向輸入動(dòng)力轉(zhuǎn)化為徑向輸出動(dòng)力，從而做到滑動(dòng)板水平面方向的收縮與伸長;不采用蝸輪蝸桿的原因在于，蝸輪蝸桿一般用于較大的力上，也用于較大的部件，且傳動(dòng)效率低，齒輪間不能產(chǎn)生變位，不易加工，則采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2.3 多功能衣架的收縮-伸展系統(tǒng)

將整個(gè)衣架分為動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)水平收縮功能。

（1）動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)：提供水平收縮運(yùn)動(dòng)的中心電機(jī)位于行星輪系太陽輪的正上方，由剛性聯(lián)軸器與之連接配合，提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力;兩個(gè)側(cè)電機(jī)分別位于晾衣架邊緣的板件上，與絲杠連接，提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

（2）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：由中心電機(jī)帶動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為齒輪、齒條、互補(bǔ)拼接配合在一起的兩板件，齒條與板件固連在一起;由側(cè)電機(jī)帶動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有絲杠、導(dǎo)向支座。

（3）收縮機(jī)構(gòu)：由中心電機(jī)帶動(dòng)的滑動(dòng)板件負(fù)責(zé)配合皮帶的張緊，實(shí)現(xiàn)外輪廓收縮的機(jī)構(gòu)是兩側(cè)固定板件及與其固連的滑桿、中心板件上的導(dǎo)向支座。

（4）其他機(jī)構(gòu)：皮帶輪、皮帶、中心板件、外部支架不提供動(dòng)力，它們的運(yùn)動(dòng)不參與外部輪廓的收縮，但在機(jī)構(gòu)收縮時(shí)提供法向支持力與切向摩擦力。

2.4 多功能衣架的豎直升降系統(tǒng)

不同使用者身高不同，所以對晾衣架需求高度不同;而在晾曬衣物時(shí)，考慮到冬夏太陽直射角度的不同，衣物也需要調(diào)整豎直位置;同樣，晾衣架在閑時(shí)應(yīng)不影響采光，所以在豎直位置上也應(yīng)調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用一種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，剪刀架輔助的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)衣架高度的調(diào)整與固定。

實(shí)現(xiàn)豎直收縮功能時(shí)，將整個(gè)衣架分為動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。

（1）動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)：水平放置在智能衣架中央上方的步進(jìn)電機(jī)輸出動(dòng)力。

（2）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：拉繩連接電機(jī)與智能衣架，傳遞電機(jī)輸出的動(dòng)力。

（3）收縮結(jié)構(gòu)：在上升過程中，剪刀架收縮。

（4）其他結(jié)構(gòu)：智能衣架其他部分的帶、帶輪、電機(jī)與導(dǎo)桿等不參與豎直方向的運(yùn)動(dòng)，它們的重力是上升的阻力。

2.5 多功能衣架的同步帶系統(tǒng)

該同步帶系統(tǒng)皆由機(jī)械傳動(dòng)組成，主要為同步帶傳動(dòng)，同時(shí)需要調(diào)整中部的滑動(dòng)板與外側(cè)的移動(dòng)板配合，從而使得同步帶輪在變動(dòng)位置的過程中同步帶總體長度不變。同步帶在傳動(dòng)與帶輪變動(dòng)位置的過程中，長度無法改變，而且同步帶需處于張緊狀態(tài)，否則同步帶會(huì)在移動(dòng)過程中脫落甚至拉斷。

3 多功能衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 無線藍(lán)牙裝置

藍(lán)牙模塊采用高性能主從一體的藍(lán)牙模塊ATK-HC05，ATK-HC05可以同帶有藍(lán)牙功能的電腦、手機(jī)、PSP等設(shè)備，該模塊支持4800～1382400的波特率，能夠兼容3.3 V或5 V單片機(jī)系統(tǒng)，能夠方便地與單片機(jī)連接。ATK-HC05模塊的各項(xiàng)參數(shù)，見表1：

ATK-HC05模塊需要與單片機(jī)進(jìn)行連接ATK-HC05模塊接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，ATK-HC05模塊的引腳詳細(xì)描述，見表2。

用戶可以通過手機(jī)藍(lán)牙與ATK-HC05模塊進(jìn)行配對連接，ATK-HC05模塊與單片機(jī)連接進(jìn)行串口通信，用戶通過已經(jīng)編寫好的手機(jī)APP對藍(lán)牙發(fā)送指令，從而控制單片機(jī)的運(yùn)行，通過對數(shù)據(jù)的判斷來改變減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)速以及衣架的收放。手機(jī)APP界面操作界面，

3.2 主控單片機(jī)

本系統(tǒng)通過使用ARM芯片的STM32F103ZET6單片機(jī)，32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)ADC、13個(gè)通信接口、多達(dá)112個(gè)快速IO端口。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用戶通過藍(lán)牙將手機(jī)與ATK-HC05藍(lán)牙模塊配對連接，打開控制APP發(fā)送指令給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將收到的數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過解讀數(shù)據(jù)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。用戶使用時(shí)首先通過手機(jī)控制衣架升降電機(jī)和控制衣架收放電機(jī)，掛完衣服后可以通過控制電機(jī)使得衣服移動(dòng)到光線最好的地方，在收完衣服后可以控制電機(jī)使得衣架收起并且升高空出陽臺的空間。

4 創(chuàng)新與展望

本設(shè)計(jì)以晾衣架為出發(fā)點(diǎn)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子控制的巧妙運(yùn)用實(shí)現(xiàn)智能衣架。與普通家居中的晾衣架相比，智能衣架有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）一體化輕量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，承載能力強(qiáng)。整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化。同時(shí)導(dǎo)桿對稱安裝，可伸縮、固定，合理分配載重，承載大重量時(shí)仍能保持運(yùn)動(dòng)功能與穩(wěn)定性。

（2）結(jié)構(gòu)靈活，節(jié)約空間且操作人性化。實(shí)現(xiàn)了較靈活的水平收縮功能與豎直升降功能。正常工作時(shí)，智能衣架水平結(jié)構(gòu)完全伸展開，并且通過豎直升降調(diào)整其水平位置達(dá)到一個(gè)合適的高度。智能衣架空閑時(shí)，可將水平結(jié)構(gòu)收縮，實(shí)現(xiàn)用時(shí)操作靈活、閑時(shí)節(jié)約空間。

（3）解決傳統(tǒng)晾衣方式操作繁瑣問題，實(shí)現(xiàn)衣物旋轉(zhuǎn)，定點(diǎn)晾曬、回收。本設(shè)計(jì)下的智能衣架只需將衣物掛到上面，智能衣架自身具有旋轉(zhuǎn)、上升功能，同時(shí)也可調(diào)整高度。

（4）智能藍(lán)牙操控。相比于傳統(tǒng)衣架的純手動(dòng)操作，本設(shè)計(jì)下的智能衣架實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙控制，并且添加了定時(shí)功能。藍(lán)牙操控可以解決大部分手動(dòng)操控的麻煩。在手機(jī)端操作可實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。縱觀國內(nèi)智能家居市場，在智能家居系統(tǒng)中，智能衣架不可或缺，在單體智能家具中，智能衣架也占有較高的地位。就衣架本身分析，智能衣架具有操作人性化、功能多樣化、智能系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，過去把衣服晾在木桿上、樓與樓之間的掛繩上，現(xiàn)在衣服可以晾在藍(lán)牙操控、控溫控風(fēng)的金屬桿上。智能化家居的發(fā)展潮流是方便，快捷，所以本設(shè)計(jì)符合智能的發(fā)展潮流。

在本設(shè)計(jì)中智能衣架的藍(lán)牙控制、衣架旋轉(zhuǎn)、升降收縮功能在解決種種客觀問題的時(shí)候，也體現(xiàn)了操作人性化;本設(shè)計(jì)下的智能衣架功能多樣，在結(jié)構(gòu)上、控制上都有創(chuàng)新的突破，智能衣架消費(fèi)市場的領(lǐng)先產(chǎn)品中，有向功能多樣化發(fā)展的趨勢;單單是智能衣架還不能夠滿足使用者的需求，目前最需要的、最主流的設(shè)計(jì)方案都是建立在整個(gè)居住環(huán)境實(shí)現(xiàn)一體化控制的基礎(chǔ)上，這樣為使用者提供了極大的方便，本設(shè)計(jì)中，藍(lán)牙控制便是聯(lián)系智能衣架與其他智能系統(tǒng)的窗口，使用者可以通過藍(lán)牙，將智能衣架與其他家居聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)覆蓋面更廣的智能。

參考文獻(xiàn)

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