李佳奇，馬天桐，韓秋宇，林 璠，姚芳萍

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

1 研究背景

在日常生活中，智能化產(chǎn)品隨處可見(jiàn)，智能化的家居在人們生活的方方面面也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。例如在大型酒店、機(jī)場(chǎng)、火車站等，可以看到智能掃地機(jī)正在吸取地上的灰塵，現(xiàn)在的智能冰箱也可以自動(dòng)調(diào)整冷藏溫度來(lái)對(duì)食物進(jìn)行保鮮。隨著智能化的普及，特別是對(duì)家居生活中智能化產(chǎn)物的研究與投入生產(chǎn)，極大地便利和改善了人們的生活條件。家居生活中的晾衣架也由原來(lái)較為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)樣式和日常使用功能逐步創(chuàng)新發(fā)展起來(lái)，進(jìn)入更為現(xiàn)代化和智能化的家居應(yīng)用產(chǎn)品行列，逐步駛?cè)敫咚侔l(fā)展的快車道[1-2]。晾衣、疊衣是人們生活中的一個(gè)重要組成部分，為了能夠更方便人們的生活，設(shè)計(jì)一個(gè)智能化的晾衣疊衣機(jī)器已經(jīng)成為了智能家居行業(yè)的研究熱點(diǎn)，本文基于智能晾衣疊衣機(jī)展開(kāi)了設(shè)計(jì)和研究[3]。

2 智能晾衣疊衣機(jī)的設(shè)計(jì)和控制

2.1 總體設(shè)計(jì)

智能晾衣疊衣機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能晾衣疊衣機(jī)結(jié)構(gòu)三視圖

洗過(guò)的衣物掛在衣架上，通過(guò)干濕傳感器來(lái)辨識(shí)衣物是否晾干，然后在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用下驅(qū)使收集機(jī)構(gòu)上的摘衣機(jī)械手把晾干的衣物從衣架上分離，并傳遞給夾取機(jī)械手。在完成了衣物與衣架的脫離后，電動(dòng)機(jī)驅(qū)使機(jī)械手在同步帶上移動(dòng)來(lái)夾取已經(jīng)從衣架上脫離的衣物，隨后在同步帶上移動(dòng)把衣物輸送到疊衣機(jī)構(gòu)的疊衣平臺(tái)上，并松開(kāi)衣物。當(dāng)收集機(jī)構(gòu)中的機(jī)械手把衣物放到疊衣臺(tái)上后，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)使下疊衣機(jī)構(gòu)對(duì)衣物進(jìn)行整疊。在完成一整套的動(dòng)作流程后，機(jī)械手回到初始位置，開(kāi)始對(duì)下一件已經(jīng)晾干的衣物進(jìn)行同樣操作。智能晾衣疊衣機(jī)三維圖如圖2所示。

圖2 智能晾衣疊衣機(jī)三維圖

2.2 主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2.1 摘衣機(jī)械手

圖3為摘衣機(jī)械手，主要由導(dǎo)軌架、夾爪、轉(zhuǎn)桿、連桿和電機(jī)組件組成。電機(jī)帶動(dòng)中間的轉(zhuǎn)桿，夾爪在桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下夾緊和松開(kāi)，實(shí)現(xiàn)衣物的摘取。

圖3 摘衣機(jī)械手

2.2.2 收集機(jī)構(gòu)

圖4為收集機(jī)構(gòu)，主要由橫向和縱向步進(jìn)電機(jī)、同步帶、摘衣機(jī)械手等組成。在步進(jìn)電機(jī)的作用下，摘衣機(jī)械手可通過(guò)橫向、縱向移動(dòng)后到達(dá)衣物所在位置，并將衣物從衣架上摘取下來(lái)。

圖4 收集機(jī)構(gòu)

2.2.3 疊衣機(jī)構(gòu)

圖5為疊衣機(jī)構(gòu)，主要由左、右、橫向疊衣板，縱向和橫向疊衣機(jī)構(gòu)擺桿及連桿等組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺桿和連桿做設(shè)計(jì)軌跡的運(yùn)動(dòng)，使三側(cè)折衣板翻折，完成疊衣動(dòng)作。

圖5 疊衣機(jī)構(gòu)

晾衣疊衣一體機(jī)的基本控制流程為：①摘衣機(jī)械手關(guān)聯(lián)的干濕傳感器首先能正確地辨識(shí)衣物是否晾干；②輸送機(jī)構(gòu)中卸衣裝置卸取已經(jīng)晾干的衣物，并輸送給收集機(jī)構(gòu)中的夾取機(jī)械手，結(jié)束后回到初始位置；③收集機(jī)構(gòu)中夾取機(jī)械手在同步帶上開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，將晾干的衣物輸送到疊衣臺(tái)上，完成這個(gè)動(dòng)作流程后回到初始位置；④此時(shí)疊衣機(jī)構(gòu)開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行；⑤疊衣機(jī)構(gòu)完成疊衣后，各運(yùn)動(dòng)裝置都處于初始位置，開(kāi)始對(duì)下一件晾干的衣物進(jìn)行同樣操作；⑥確保輸送機(jī)構(gòu)中的卸衣機(jī)械手和收集機(jī)構(gòu)中的夾取機(jī)械手可以精確地運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，在滑軌和步帶上可以實(shí)現(xiàn)X、Y定位。

2.3 系統(tǒng)硬件配置

智能晾衣疊衣機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的過(guò)程需要各機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)作。首先，STM32單片機(jī)為主控制部分，通過(guò)干濕傳感器采集到的脈沖信號(hào)傳遞到單片機(jī)上，用來(lái)辨識(shí)衣物是否晾干；如有衣物晾干，單片機(jī)傳輸信號(hào)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)作，使摘衣機(jī)械手摘取衣架上的衣物；隨后通過(guò)夾取機(jī)械手將晾干的衣物輸送到疊衣臺(tái)上，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到了精確的坐標(biāo)位置，使機(jī)械手能夠精準(zhǔn)地移動(dòng)到固定位置；在疊衣機(jī)構(gòu)中，通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用，驅(qū)使疊衣動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)，最后各機(jī)構(gòu)回到初始位置。系統(tǒng)硬件配置具體如下。

直流電動(dòng)機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，首先通過(guò)輸送機(jī)構(gòu)上的干濕傳感器收集到衣物是否晾干的信號(hào)，并傳遞給STM32單片機(jī)，隨后通過(guò)單片機(jī)的作用驅(qū)使直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)作，直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)摘衣衣機(jī)械手實(shí)行動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)把衣物從衣架上摘取下來(lái)。此機(jī)構(gòu)采用了31K15RGN-C直流電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)和調(diào)速性能好，維修較便宜，相對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)較節(jié)能環(huán)保。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)接收到單片機(jī)發(fā)出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后驅(qū)使收集機(jī)構(gòu)上的夾取機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作。采用了57BYG250B式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是兩相電機(jī)，50個(gè)齒，1.8°步距角[4-5]。由于夾取機(jī)械手需要在同步帶上進(jìn)行橫向、縱向移動(dòng)，故需要放置2個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)使夾取機(jī)械手完成橫向、縱向的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)為橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，另一個(gè)為縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

夾持電機(jī)：摘衣機(jī)械手以在同步帶上可以實(shí)現(xiàn)來(lái)回橫、縱向移動(dòng)為前提，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)衣物的夾取來(lái)完成輸送到疊衣工作臺(tái)上的動(dòng)作，所以需設(shè)置一個(gè)夾持電機(jī)來(lái)控制夾取機(jī)械手的夾取動(dòng)作，即采用了MG995型號(hào)的電機(jī)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的晾衣疊衣機(jī)進(jìn)行了智能化改變，基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能晾衣疊衣一體機(jī)，其智能模式下通過(guò)單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)晾衣疊衣的功能，最終目的是方便人們的生活。智能晾衣疊衣機(jī)更具有實(shí)際應(yīng)用性，結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晾干衣物的自動(dòng)收取和疊衣的功能，同樣也便于操作，在智能家居生活中具有很大的推廣意義，備受當(dāng)代年輕人的喜愛(ài)。