鐘宇欣 劉 磊 吳宇鵬 高 飛 陳楠樺 林 權(quán)

（武夷學(xué)院，福建 南平 354300）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境提出了更高的要求，也越來(lái)越注重家庭生活的便利、節(jié)能、安全和舒適［1-2］。因此，智能家居有著非常廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。從發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，智能家居的普及是一種必然趨勢(shì)，其有著相當(dāng)大的開(kāi)發(fā)潛力和應(yīng)用前景［3-5］。在智能家居高速發(fā)展的背景下，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)一種自動(dòng)衣物折疊器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的全自動(dòng)折疊及收集，解決平時(shí)衣物雜亂、手動(dòng)折疊衣物工序煩瑣、時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，改善人們的生活環(huán)境。

1 自動(dòng)衣物折疊器總體結(jié)構(gòu)

圖1 為自動(dòng)衣物折疊器的總體結(jié)構(gòu)示意圖，其針對(duì)的是懸掛衣物，采用吊軌折疊板來(lái)實(shí)現(xiàn)衣物的自動(dòng)折疊，即在卸衣時(shí)衣物會(huì)自然下落，利用錯(cuò)位的方式對(duì)其進(jìn)行一次對(duì)折，然后利用空氣吸附來(lái)防止衣物出現(xiàn)褶皺，并在衣物折疊裝置中對(duì)其進(jìn)行兩次折疊，完成折疊后可擺放收集。

圖1 自動(dòng)衣物折疊器總體結(jié)構(gòu)

吊軌折疊板式自動(dòng)衣物折疊器由吊軌角度控制裝置、衣物分離裝置、自動(dòng)卸衣裝置、衣物折疊裝置、衣物收集裝置組成。吊軌角度控制裝置用來(lái)調(diào)節(jié)吊軌與水平面的角度，當(dāng)?shù)踯壸蟾哂业蜁r(shí)，衣物會(huì)向右側(cè)滑動(dòng)。當(dāng)?shù)踯壸蟮陀腋邥r(shí)，衣物會(huì)向左側(cè)滑動(dòng)；衣物分離裝置在擋住衣物向右滑動(dòng)的同時(shí)，還可對(duì)聚集的衣物進(jìn)行分離；自動(dòng)卸衣裝置可對(duì)掛在衣架上的衣物進(jìn)行卸衣操作；衣物折疊裝置上的對(duì)折桿先對(duì)自然掉落的衣物進(jìn)行錯(cuò)位對(duì)折，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)折桿的角度把對(duì)折后的衣物轉(zhuǎn)移到折疊板上，然后再進(jìn)行兩次折疊，折疊板上有空氣吸附裝置，可防止衣物出現(xiàn)褶皺。在衣物折疊完畢后，折疊裝置會(huì)通過(guò)吹氣的方式將衣物送入收集裝置。

吊軌折疊板式自動(dòng)衣物折疊器采用錯(cuò)位對(duì)折及空氣吸附折疊方式，對(duì)自然掉落的衣物進(jìn)行對(duì)折，在吸附時(shí)再次對(duì)衣物進(jìn)行折疊，從而保證衣物的平整性。同時(shí)，分離裝置可對(duì)聚集在一起的衣物進(jìn)行分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一件件下滑衣物的折疊。該系統(tǒng)使用C51 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行延時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，折疊裝置使用Arduino 控制器驅(qū)動(dòng)舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的折疊。折疊器的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)穩(wěn)定、制造成本低，適合用于居家生活。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 吊軌角度控制裝置設(shè)計(jì)

吊軌角度控制裝置是用于傾斜吊軌的。當(dāng)?shù)踯壸蟾哂业蜁r(shí)，可依靠重力來(lái)傳送衣物；當(dāng)?shù)踯壸蟮陀腋邥r(shí)，吊軌收回衣架，為下一批衣物提供空閑衣架。角度控制原理可參考曲柄搖桿機(jī)構(gòu)［6］，使用滾珠絲桿來(lái)代替曲柄，通過(guò)滾珠絲桿螺母的左右移動(dòng)帶動(dòng)連桿推動(dòng)吊軌，使其角度發(fā)生變化，工作原理如圖2所示。

圖2 吊軌角度控制原理

用滾珠絲桿取代曲柄用來(lái)實(shí)現(xiàn)角度的變化。曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一圈可實(shí)現(xiàn)從最大角度到最小角度的變化，曲柄若要實(shí)現(xiàn)最大角度與最小角度的變化就要使用精度較好的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，而滾珠絲桿則通過(guò)左右移動(dòng)連桿來(lái)推動(dòng)搖桿角度的緩慢變化，轉(zhuǎn)動(dòng)精度容易控制，可直接使用直流電機(jī)進(jìn)行控制，生產(chǎn)成本低。另外，滾珠絲桿上方通過(guò)添加直線(xiàn)導(dǎo)軌來(lái)增加其在運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向與支承，防止?jié)L珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)造成連桿左右擺動(dòng)。吊軌角度控制裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 吊軌角度控制裝置結(jié)構(gòu)

2.2 衣物分離裝置設(shè)計(jì)

衣物分離裝置用于對(duì)吊軌傾斜向右側(cè)滑動(dòng)的衣物進(jìn)行阻擋分離，該裝置利用凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，在不同時(shí)刻對(duì)兩個(gè)分離擋桿逐次進(jìn)行推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的逐個(gè)分離，其工作原理如圖4所示。

圖4 衣物分離裝置工作原理

當(dāng)衣物在重力的作用下向右側(cè)滑動(dòng)時(shí)，凸輪處于原始位置，左側(cè)分離擋桿會(huì)對(duì)下滑衣物進(jìn)行阻擋，阻礙衣物的下滑，通過(guò)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的分離。凸輪從A 位置轉(zhuǎn)動(dòng)到B 位置，左側(cè)分離擋桿被凸輪推動(dòng)打開(kāi)，衣物可繼續(xù)往下滑，直到被右側(cè)的分離擋桿阻擋才停止下滑；凸輪從B位置轉(zhuǎn)動(dòng)到C位置時(shí)，左側(cè)分離擋桿回到原位，此時(shí)兩側(cè)分離擋桿不受力，且都處于阻擋狀態(tài)，兩分離擋桿間只會(huì)停留一件衣物；凸輪從C位置轉(zhuǎn)動(dòng)到D位置時(shí)，右側(cè)分離擋桿會(huì)被凸輪推動(dòng)打開(kāi)，兩分離擋桿之間的衣物會(huì)往下滑，左側(cè)分離擋桿會(huì)阻擋剩下的衣物；凸輪從D位置轉(zhuǎn)動(dòng)到A位置時(shí)，可完成一次衣物分離，也就是凸輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，就會(huì)分離出一件衣物。

為了保證分離裝置一次只分離出一件衣物，要計(jì)算出兩分離擋桿間的距離。通過(guò)查找資料可知，吊軌所用的配套吊滑輪長(zhǎng)度為40～50 mm，吊滑輪長(zhǎng)度可取中間值45 mm，兩分離擋桿間距為兩吊滑輪的中心距離，為45 mm，圖5為衣物分離裝置結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖5 衣物分離裝置結(jié)構(gòu)

2.3 自動(dòng)卸衣裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)卸衣裝置的作用有兩個(gè)：一是阻擋衣物分離裝置分離出來(lái)的衣物，使其能停留在此，等待卸衣；二是對(duì)阻擋的衣物進(jìn)行卸衣操作。圖6 為自動(dòng)卸衣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 自動(dòng)卸衣裝置結(jié)構(gòu)

在衣物開(kāi)始分離前，自動(dòng)卸衣裝置在舵機(jī)2 的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)90°，與吊軌呈垂直狀態(tài)，待衣物分離裝置分離出一件衣物后，其會(huì)立刻對(duì)后續(xù)衣服進(jìn)行阻擋。機(jī)械爪位于吊軌的正下方，由齒輪改裝而成，舵機(jī)1 對(duì)其進(jìn)行控制，舵機(jī)1 通過(guò)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪對(duì)衣架兩側(cè)按鈕的精準(zhǔn)按壓［7］，從而實(shí)現(xiàn)卸衣。在卸衣完成后，自動(dòng)卸衣裝置在舵機(jī)2 的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)-90°，回到與吊軌呈平行狀態(tài)的原位，衣架往右側(cè)滑動(dòng)，卸衣裝置再次轉(zhuǎn)動(dòng)90°，與吊軌呈垂直狀態(tài)，等待下一件衣物。擋板作為整個(gè)裝置的主體，其最前端有一小塊平板，擋板轉(zhuǎn)動(dòng)90°后，位于前面的平板會(huì)阻擋衣物。機(jī)械爪安裝在吊軌下方，便于機(jī)械爪卸衣。機(jī)械爪是由兩個(gè)齒輪改造而成的［8］，因衣架兩側(cè)按鈕所需的力不大，使用的傳動(dòng)比為1。

2.4 衣物折疊裝置設(shè)計(jì)

衣物折疊裝置的主要功能有兩個(gè)：一是利用錯(cuò)位方式對(duì)衣物進(jìn)行一次折疊，從而優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)；二是利用空氣吸附折疊板對(duì)衣物進(jìn)行折疊［9］，從而保證衣物的平整性。圖7 為衣物錯(cuò)位對(duì)折結(jié)構(gòu)示意圖，圖8為衣物折疊裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 衣物折疊裝置結(jié)構(gòu)

衣物折疊裝置在卸衣前啟動(dòng)，舵機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)-90°，使錯(cuò)位對(duì)折桿與吊軌呈垂直狀態(tài)，同時(shí)撥動(dòng)衣物，使衣物從豎直狀變?yōu)樘菪螤?，且?huì)分成兩部分（見(jiàn)圖7）。卸衣啟動(dòng)時(shí)，因衣物在中間有錯(cuò)位對(duì)折桿的支撐，上半部分沒(méi)有支撐會(huì)自然掉落在錯(cuò)位對(duì)折桿與卸衣裝置間，而下半部分有錯(cuò)位對(duì)折桿的支撐而懸掛在桿上，此時(shí)衣物會(huì)被對(duì)折，懸掛在錯(cuò)位對(duì)折桿上。舵機(jī)2 轉(zhuǎn)動(dòng)90°，把懸掛在桿上的衣物送到折疊板處，啟動(dòng)空氣吸附，使衣物緊貼折疊板，滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)使衣物隨整個(gè)折疊板向右移動(dòng)，此時(shí)衣物從錯(cuò)位對(duì)折桿上逐漸抽出，折疊板移動(dòng)到最右側(cè)，衣物完全脫離錯(cuò)位對(duì)折桿。左側(cè)舵機(jī)1 轉(zhuǎn)動(dòng)180°，帶動(dòng)左折疊板對(duì)衣物進(jìn)行翻轉(zhuǎn)折疊后，反轉(zhuǎn)相同角度回到原位；右側(cè)舵機(jī)1 轉(zhuǎn)動(dòng)-180°帶動(dòng)右折疊板對(duì)衣物進(jìn)行翻轉(zhuǎn)折疊后，反轉(zhuǎn)相同角度回到原位，兩個(gè)折疊板依次完成動(dòng)作，且互不干擾。折疊完畢后，吸氣變?yōu)榇禋猓挛镌诠饣膬A斜面上往下滑動(dòng)，進(jìn)入收集裝置，滾珠絲桿反轉(zhuǎn)，折疊板向左移動(dòng)，回到原位，等待下一件衣物。

圖7 衣物錯(cuò)位對(duì)折結(jié)構(gòu)

該裝置的折疊板上安裝有兩個(gè)滑軌（滑塊滑軌和直線(xiàn)導(dǎo)軌），上方采用滑塊滑軌，下方采用直線(xiàn)滑軌。在兩個(gè)導(dǎo)軌的共同作用下，保證折疊板能夠水平移動(dòng)。折疊板后方安裝有吸氣吹氣機(jī)，吸氣時(shí)衣物能夠緊貼折疊板，保證衣物的平整性，吹氣時(shí)衣物能緩慢下滑至翻轉(zhuǎn)板上，能夠使衣物從錯(cuò)位對(duì)折桿上脫離。

2.5 衣物收集裝置設(shè)計(jì)

衣物收集裝置主要對(duì)完成折疊后的衣物進(jìn)行翻轉(zhuǎn)擺放及收集。衣物翻轉(zhuǎn)板接收下滑的衣物，翻轉(zhuǎn)板板末有一小塊突起的擋板用來(lái)阻擋下滑的衣物，衣物翻轉(zhuǎn)板快速翻轉(zhuǎn)使衣物擺放到收集板上，收集板下方安裝彈簧，每收集一件衣物都會(huì)下降一定距離。圖9為衣物收集裝置結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖9 衣物收集裝置設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本研究基于智能化技術(shù)對(duì)自動(dòng)衣物折疊器進(jìn)行設(shè)計(jì)，在為人們生活提供便利的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)衣物的全自動(dòng)折疊及收集，解決平常衣物雜亂、手動(dòng)折疊衣物工序煩瑣、時(shí)間長(zhǎng)久等問(wèn)題。本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)衣物折疊器由吊軌角度控制裝置、衣物分離裝置、自動(dòng)卸衣裝置、衣物折疊裝置、衣物收集裝置等構(gòu)成。吊軌角度控制裝置采用滾珠絲桿推動(dòng)連桿來(lái)控制角度；衣物分離裝置的凸輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈就會(huì)分離出一件衣物；自動(dòng)卸衣裝置通過(guò)機(jī)械爪來(lái)按取衣架兩側(cè)按鈕的方式實(shí)現(xiàn)卸衣；衣物折疊裝置采用兩步驟方式對(duì)衣物進(jìn)行折疊，一是錯(cuò)位掉落對(duì)折，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，二是吸氣吸附折疊板折疊，保證衣物的平整性；衣物收集裝置采用翻轉(zhuǎn)擺放及彈簧壓板收集。最后，通過(guò)制作實(shí)物模型進(jìn)行組裝演示，試驗(yàn)結(jié)果證明，本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)衣物折疊器結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、簡(jiǎn)單可靠，有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。