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，人們對居住環(huán)境提出了更高的要求，也越來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和應(yīng)用前景。從發(fā)展趨勢上來看，智能家居的普及是一種必然趨勢，其有著相當(dāng)大的開發(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，筆者通過設(shè)計一種自動衣物折疊器，從而實現(xiàn)對衣物的全自動折疊及收集，解決平時衣物雜亂、手動折疊衣物工序煩瑣、時間長等問題，改善人們的生活環(huán)境。

1 自動衣物折疊器總體結(jié)構(gòu)

圖1 為自動衣物折疊器的總體結(jié)構(gòu)示意圖，其針對的是懸掛衣物，采用吊軌折疊板來實現(xiàn)衣物的自動折疊，即在卸衣時衣物會自然下落，利用錯位的方式對其進行一次對折，然后利用空氣吸附來防止衣物出現(xiàn)褶皺，并在衣物折疊裝置中對其進行兩次折疊，完成折疊后可擺放收集。

圖1 自動衣物折疊器總體結(jié)構(gòu)

吊軌折疊板式自動衣物折疊器由吊軌角度控制裝置、衣物分離裝置、自動卸衣裝置、衣物折疊裝置、衣物收集裝置組成。吊軌角度控制裝置用來調(diào)節(jié)吊軌與水平面的角度，當(dāng)?shù)踯壸蟾哂业蜁r，衣物會向右側(cè)滑動。當(dāng)?shù)踯壸蟮陀腋邥r，衣物會向左側(cè)滑動；衣物分離裝置在擋住衣物向右滑動的同時，還可對聚集的衣物進行分離；自動卸衣裝置可對掛在衣架上的衣物進行卸衣操作；衣物折疊裝置上的對折桿先對自然掉落的衣物進行錯位對折，通過轉(zhuǎn)動對折桿的角度把對折后的衣物轉(zhuǎn)移到折疊板上，然后再進行兩次折疊，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，折疊裝置會通過吹氣的方式將衣物送入收集裝置。

吊軌折疊板式自動衣物折疊器采用錯位對折及空氣吸附折疊方式，對自然掉落的衣物進行對折，在吸附時再次對衣物進行折疊，從而保證衣物的平整性。同時，分離裝置可對聚集在一起的衣物進行分離，從而實現(xiàn)對一件件下滑衣物的折疊。該系統(tǒng)使用C51 單片機驅(qū)動電機進行延時轉(zhuǎn)動，折疊裝置使用Arduino 控制器驅(qū)動舵機來實現(xiàn)對衣物的折疊。折疊器的機械結(jié)構(gòu)簡單、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

2.1 吊軌角度控制裝置設(shè)計

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，可依靠重力來傳送衣物；當(dāng)?shù)踯壸蟮陀腋邥r，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構(gòu)［6］，使用滾珠絲桿來代替曲柄，通過滾珠絲桿螺母的左右移動帶動連桿推動吊軌，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實現(xiàn)角度的變化。曲柄轉(zhuǎn)動一圈可實現(xiàn)從最大角度到最小角度的變化，曲柄若要實現(xiàn)最大角度與最小角度的變化就要使用精度較好的步進電機進行控制，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，而滾珠絲桿則通過左右移動連桿來推動搖桿角度的緩慢變化，轉(zhuǎn)動精度容易控制，可直接使用直流電機進行控制，生產(chǎn)成本低。另外，滾珠絲桿上方通過添加直線導(dǎo)軌來增加其在運動時的導(dǎo)向與支承，防止?jié)L珠絲桿轉(zhuǎn)動造成連桿左右擺動。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

衣物分離裝置用于對吊軌傾斜向右側(cè)滑動的衣物進行阻擋分離，該裝置利用凸輪的轉(zhuǎn)動，在不同時刻對兩個分離擋桿逐次進行推動，實現(xiàn)對衣物的逐個分離，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)滑動時，凸輪處于原始位置，左側(cè)分離擋桿會對下滑衣物進行阻擋，阻礙衣物的下滑，通過凸輪轉(zhuǎn)動角度來實現(xiàn)對衣物的分離。凸輪從A 位置轉(zhuǎn)動到B 位置，左側(cè)分離擋桿被凸輪推動打開，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)動到C位置時，左側(cè)分離擋桿回到原位，此時兩側(cè)分離擋桿不受力，且都處于阻擋狀態(tài)，兩分離擋桿間只會停留一件衣物；凸輪從C位置轉(zhuǎn)動到D位置時，右側(cè)分離擋桿會被凸輪推動打開，兩分離擋桿之間的衣物會往下滑，左側(cè)分離擋桿會阻擋剩下的衣物；凸輪從D位置轉(zhuǎn)動到A位置時，可完成一次衣物分離，也就是凸輪每轉(zhuǎn)動一圈，就會分離出一件衣物。

為了保證分離裝置一次只分離出一件衣物，要計算出兩分離擋桿間的距離。通過查找資料可知，吊軌所用的配套吊滑輪長度為40～50 mm，吊滑輪長度可取中間值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 自動卸衣裝置設(shè)計

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

圖6 自動卸衣裝置結(jié)構(gòu)

在衣物開始分離前，自動卸衣裝置在舵機2 的帶動下旋轉(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，其會立刻對后續(xù)衣服進行阻擋。機械爪位于吊軌的正下方，由齒輪改裝而成，舵機1 對其進行控制，舵機1 通過帶動齒輪轉(zhuǎn)動一定的角度，可實現(xiàn)機械爪對衣架兩側(cè)按鈕的精準按壓［7］，從而實現(xiàn)卸衣。在卸衣完成后，自動卸衣裝置在舵機2 的帶動下轉(zhuǎn)動-90°，回到與吊軌呈平行狀態(tài)的原位，衣架往右側(cè)滑動，卸衣裝置再次轉(zhuǎn)動90°，與吊軌呈垂直狀態(tài)，等待下一件衣物。擋板作為整個裝置的主體，其最前端有一小塊平板，擋板轉(zhuǎn)動90°后，位于前面的平板會阻擋衣物。機械爪安裝在吊軌下方，便于機械爪卸衣。機械爪是由兩個齒輪改造而成的［8］，因衣架兩側(cè)按鈕所需的力不大，使用的傳動比為1。

2.4 衣物折疊裝置設(shè)計

衣物折疊裝置的主要功能有兩個：一是利用錯位方式對衣物進行一次折疊，從而優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)；二是利用空氣吸附折疊板對衣物進行折疊［9］，從而保證衣物的平整性。圖7 為衣物錯位對折結(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，舵機2轉(zhuǎn)動-90°，使錯位對折桿與吊軌呈垂直狀態(tài)，同時撥動衣物，使衣物從豎直狀變?yōu)樘菪螤?，且會分成兩部分（見圖7）。卸衣啟動時，因衣物在中間有錯位對折桿的支撐，上半部分沒有支撐會自然掉落在錯位對折桿與卸衣裝置間，而下半部分有錯位對折桿的支撐而懸掛在桿上，此時衣物會被對折，懸掛在錯位對折桿上。舵機2 轉(zhuǎn)動90°，把懸掛在桿上的衣物送到折疊板處，啟動空氣吸附，使衣物緊貼折疊板，滾珠絲桿轉(zhuǎn)動使衣物隨整個折疊板向右移動，此時衣物從錯位對折桿上逐漸抽出，折疊板移動到最右側(cè)，衣物完全脫離錯位對折桿。左側(cè)舵機1 轉(zhuǎn)動180°，帶動左折疊板對衣物進行翻轉(zhuǎn)折疊后，反轉(zhuǎn)相同角度回到原位；右側(cè)舵機1 轉(zhuǎn)動-180°帶動右折疊板對衣物進行翻轉(zhuǎn)折疊后，反轉(zhuǎn)相同角度回到原位，兩個折疊板依次完成動作，且互不干擾。折疊完畢后，吸氣變?yōu)榇禋?，衣物在光滑的傾斜面上往下滑動，進入收集裝置，滾珠絲桿反轉(zhuǎn)，折疊板向左移動，回到原位，等待下一件衣物。

圖7 衣物錯位對折結(jié)構(gòu)

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

2.5 衣物收集裝置設(shè)計

衣物收集裝置主要對完成折疊后的衣物進行翻轉(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)計圖

3 結(jié)語

本研究基于智能化技術(shù)對自動衣物折疊器進行設(shè)計，在為人們生活提供便利的同時，也實現(xiàn)了對衣物的全自動折疊及收集，解決平常衣物雜亂、手動折疊衣物工序煩瑣、時間長久等問題。本研究設(shè)計的自動衣物折疊器由吊軌角度控制裝置、衣物分離裝置、自動卸衣裝置、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連桿來控制角度；衣物分離裝置的凸輪每轉(zhuǎn)動一圈就會分離出一件衣物；自動卸衣裝置通過機械爪來按取衣架兩側(cè)按鈕的方式實現(xiàn)卸衣；衣物折疊裝置采用兩步驟方式對衣物進行折疊，一是錯位掉落對折，優(yōu)化機械結(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，通過制作實物模型進行組裝演示，試驗結(jié)果證明，本研究設(shè)計的自動衣物折疊器結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、簡單可靠，有較大的市場應(yīng)用前景。