基于空間凸輪－輪系復合機構的可伸縮旋轉智能衣架的研究

崔雨豪 錢俊澤 于鄭鑫 段博文 朱嘉運

[摘 ? ?要]在物質基礎豐富的今天，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械及控制進行了研究。在綜合考慮家居生活需求，市場發展趨勢和陽臺，天氣等決定因素后自主設計了一款智能衣架。其水平伸縮和豎直升降裝置能夠有效控制占用空間，同步帶裝置驅動衣物沿軌道旋轉使晾曬合理化，手機藍牙進行遠程控制方便操作。在經過多次試驗和參數調試后，使得該款多功能衣架各個系統運行穩定可靠，達到了預期的設計目標與效果，真正做到家居的智能化。

[關鍵詞]智能衣架;多功能;同步帶驅動折疊;藍牙連接控制;空間利用

[中圖分類號]TS959.9 [文獻標志碼]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

經濟的不斷發展和人口的增長，造成我國城市建筑群密度較大，從而出現了在晾曬衣物時采光時間短等問題，這嚴重影響人們的日常起居。

伴隨科技的快速發展，智能家居作為一種新興產業已經引起了人們廣泛關注，晾衣架作為智能家居的重要組成部分，其產品種類豐富。市場上的晾衣架從功能結構上可分為手動和自動兩類，從使用場合上可分為室內型和室外型兩類。

針對以上問題同時參考市場衣架，自主設計并研發了一種智能自動晾衣架。

（1）通過移動衣架的位置，加速衣物的晾曬，解決衣物許久不干的問題。

（2）通過衣架的自動旋轉，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會進行水平面積縮小，隨后縱向回升天花板，為陽臺提供更寬闊的空間。

（3）衣架可以通過藍牙連接進行遠程監控，提高在有限的采光率下晾衣架的使用效率。

2 多功能晾衣架機械結構設計

2.1 多功能衣架的各個部件系統

為實現自動旋轉、水平收縮等功能，需要通過剪刀架機構，雙向可動帶輪機構等機構。

（1）剪刀架機構：通過剪刀架的伸縮控制衣架上下的幅度。

（2）雙向可動帶輪機構：通過帶輪外側的凸起帶動軌道上的衣架定向旋轉，完成皮帶輪水平面的收縮。

（3）齒輪齒條機構：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：按照預設的算法利用紅外裝置控制各個電機的轉動，以此來控制衣架縱向升降在啟動和關閉時使用，并假設完成一次上升或下降的時間為10 s。

（5）安全系統：如有以上系統出現故障，則會自動報警。

綜合以上查閱的資料，根據任務的條件與預設參數去設計并調整衣架的部分性質與參數，去完成預設條件：

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的單向連續運轉，載荷平穩。

工作環境為室內，灰塵較小，環境最高溫度為40℃，最低溫度為20℃。

假設在模型上加上10件20 N重量的濕透衣服與一床500N的濕透被子。

整個晾衣裝置的總體質量為13 kg，展開與收縮水平板子。

同步帶的時間為2s，同步帶運行速度為0.05 m/s。

2.2 多功能衣架的中部傳動系統

（1）行星輪系結構：利用行星輪系機構中的一對外嚙合齒輪來改變行星輪的旋轉方向，再通過一個內嚙合齒輪與行星齒輪嚙合做到內嚙合齒輪既保證齒輪軸與輸入軸共線，又達到輸入軸旋向與內嚙合齒輪旋向相反;通過控制齒輪的各個基數減少轉速，縮短位移角度，如圖1所示。

（2）空間凸輪結構：該機構可以將切向輸入動力轉為軸向動力形式輸出，將內嚙合齒輪外沿升高做成空間凸輪機構，做到轉化的同時減速，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）齒輪齒條機構：該機構切向輸入動力轉化為徑向輸出動力，從而做到滑動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，且傳動效率低，齒輪間不能產生變位，不易加工，則采用齒輪齒條機構如圖3所示。

2.3 多功能衣架的收縮-伸展系統

將整個衣架分為動力輸出結構、傳動結構等結構來實現水平收縮功能。

（1）動力輸出結構：提供水平收縮運動的中心電機位于行星輪系太陽輪的正上方，由剛性聯軸器與之連接配合，提供旋轉動力;兩個側電機分別位于晾衣架邊緣的板件上，與絲杠連接，提供旋轉動力。

（2）傳動結構：由中心電機帶動的傳動結構為齒輪、齒條、互補拼接配合在一起的兩板件，齒條與板件固連在一起;由側電機帶動的傳動機構有絲杠、導向支座。

（3）收縮機構：由中心電機帶動的滑動板件負責配合皮帶的張緊，實現外輪廓收縮的機構是兩側固定板件及與其固連的滑桿、中心板件上的導向支座。

（4）其他機構：皮帶輪、皮帶、中心板件、外部支架不提供動力，它們的運動不參與外部輪廓的收縮，但在機構收縮時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

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，考慮到冬夏太陽直射角度的不同，衣物也需要調整豎直位置;同樣，晾衣架在閑時應不影響采光，所以在豎直位置上也應調整。本設計采用一種由電機驅動，剪刀架輔助的結構，可以實現衣架高度的調整與固定。

實現豎直收縮功能時，將整個衣架分為動力輸出結構、傳動結構等結構。

（1）動力輸出結構：水平放置在智能衣架中央上方的步進電機輸出動力。

（2）傳動結構：拉繩連接電機與智能衣架，傳遞電機輸出的動力。

（3）收縮結構：在上升過程中，剪刀架收縮。

（4）其他結構：智能衣架其他部分的帶、帶輪、電機與導桿等不參與豎直方向的運動，它們的重力是上升的阻力。

2.5 多功能衣架的同步帶系統

該同步帶系統皆由機械傳動組成，主要為同步帶傳動，同時需要調整中部的滑動板與外側的移動板配合，從而使得同步帶輪在變動位置的過程中同步帶總體長度不變。同步帶在傳動與帶輪變動位置的過程中，長度無法改變，而且同步帶需處于張緊狀態，否則同步帶會在移動過程中脫落甚至拉斷。

3 多功能衣架控制系統設計

3.1 無線藍牙裝置

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

ATK-HC05模塊需要與單片機進行連接ATK-HC05模塊接收到的數據發送給單片機，ATK-HC05模塊的引腳詳細描述，見表2。

用戶可以通過手機藍牙與ATK-HC05模塊進行配對連接，ATK-HC05模塊與單片機連接進行串口通信，用戶通過已經編寫好的手機APP對藍牙發送指令，從而控制單片機的運行，通過對數據的判斷來改變減速電機的轉動方向轉速以及衣架的收放。手機APP界面操作界面，

3.2 主控單片機

本系統通過使用ARM芯片的STM32F103ZET6單片機，32位基于ARM核心的帶512K字節閃存的微控制器USB、CAN、11個定時器、3個ADC、13個通信接口、多達112個快速IO端口。

3.3 系統設計

用戶通過藍牙將手機與ATK-HC05藍牙模塊配對連接，打開控制APP發送指令給藍牙模塊，藍牙模塊將收到的數據通過串口通信發送給單片機，單片機通過解讀數據控制電機旋轉。用戶使用時首先通過手機控制衣架升降電機和控制衣架收放電機，掛完衣服后可以通過控制電機使得衣服移動到光線最好的地方，在收完衣服后可以控制電機使得衣架收起并且升高空出陽臺的空間。

4 創新與展望

本設計以晾衣架為出發點，通過機械結構與電子控制的巧妙運用實現智能衣架。與普通家居中的晾衣架相比，智能衣架有以下創新點。

（1）一體化輕量結構設計，承載能力強。整體結構實現輕量化。同時導桿對稱安裝，可伸縮、固定，合理分配載重，承載大重量時仍能保持運動功能與穩定性。

（2）結構靈活，節約空間且操作人性化。實現了較靈活的水平收縮功能與豎直升降功能。正常工作時，智能衣架水平結構完全伸展開，并且通過豎直升降調整其水平位置達到一個合適的高度。智能衣架空閑時，可將水平結構收縮，實現用時操作靈活、閑時節約空間。

（3）解決傳統晾衣方式操作繁瑣問題，實現衣物旋轉，定點晾曬、回收。本設計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、上升功能，同時也可調整高度。

（4）智能藍牙操控。相比于傳統衣架的純手動操作，本設計下的智能衣架實現藍牙控制，并且添加了定時功能。藍牙操控可以解決大部分手動操控的麻煩。在手機端操作可實現定時功能。縱觀國內智能家居市場，在智能家居系統中，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、智能系統化的發展趨勢。

5 結束語

隨著科學的發展與社會的進步，過去把衣服晾在木桿上、樓與樓之間的掛繩上，現在衣服可以晾在藍牙操控、控溫控風的金屬桿上。智能化家居的發展潮流是方便，快捷，所以本設計符合智能的發展潮流。

在本設計中智能衣架的藍牙控制、衣架旋轉、升降收縮功能在解決種種客觀問題的時候，也體現了操作人性化;本設計下的智能衣架功能多樣，在結構上、控制上都有創新的突破，智能衣架消費市場的領先產品中，有向功能多樣化發展的趨勢;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、最主流的設計方案都是建立在整個居住環境實現一體化控制的基礎上，這樣為使用者提供了極大的方便，本設計中，藍牙控制便是聯系智能衣架與其他智能系統的窗口，使用者可以通過藍牙，將智能衣架與其他家居聯系起來，實現覆蓋面更廣的智能。

參考文獻

[1] 黃凡凡，董晴，熊晶，等.智能制造背景下云晾衣架研發與市場推廣[J].技術與市場，2021，28（3）：138-141.

[2] 楊曾健，楊穎，岳夢攢，等.多功能智能晾衣架的設計[J].儀表技術，2022，（1）：30-32.