一種智能晾衣疊衣一體機設(shè)計＊

李佳奇，馬天桐，韓秋宇，林 璠，姚芳萍

（遼寧工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(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，智能化的家居在人們生活的方方面面也得到了越來越多的應(yīng)用。例如在大型酒店、機場、火車站等，可以看到智能掃地機正在吸取地上的灰塵，現(xiàn)在的智能冰箱也可以自動調(diào)整冷藏溫度來對食物進行保鮮。隨著智能化的普及，特別是對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較為傳統(tǒng)的設(shè)計樣式和日常使用功能逐步創(chuàng)新發(fā)展起來，進入更為現(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重要組成部分，為了能夠更方便人們的生活，設(shè)計一個智能化的晾衣疊衣機器已經(jīng)成為了智能家居行業(yè)的研究熱點，本文基于智能晾衣疊衣機展開了設(shè)計和研究[3]。

2 智能晾衣疊衣機的設(shè)計和控制

2.1 總體設(shè)計

智能晾衣疊衣機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能晾衣疊衣機結(jié)構(gòu)三視圖

洗過的衣物掛在衣架上，通過干濕傳感器來辨識衣物是否晾干，然后在步進電動機的作用下驅(qū)使收集機構(gòu)上的摘衣機械手把晾干的衣物從衣架上分離，并傳遞給夾取機械手。在完成了衣物與衣架的脫離后，電動機驅(qū)使機械手在同步帶上移動來夾取已經(jīng)從衣架上脫離的衣物，隨后在同步帶上移動把衣物輸送到疊衣機構(gòu)的疊衣平臺上，并松開衣物。當(dāng)收集機構(gòu)中的機械手把衣物放到疊衣臺上后，在步進電動機的驅(qū)使下疊衣機構(gòu)對衣物進行整疊。在完成一整套的動作流程后，機械手回到初始位置，開始對下一件已經(jīng)晾干的衣物進行同樣操作。智能晾衣疊衣機三維圖如圖2所示。

圖2 智能晾衣疊衣機三維圖

2.2 主要執(zhí)行機構(gòu)

2.2.1 摘衣機械手

圖3為摘衣機械手，主要由導(dǎo)軌架、夾爪、轉(zhuǎn)桿、連桿和電機組件組成。電機帶動中間的轉(zhuǎn)桿，夾爪在桿機構(gòu)的帶動下夾緊和松開，實現(xiàn)衣物的摘取。

圖3 摘衣機械手

2.2.2 收集機構(gòu)

圖4為收集機構(gòu)，主要由橫向和縱向步進電機、同步帶、摘衣機械手等組成。在步進電機的作用下，摘衣機械手可通過橫向、縱向移動后到達衣物所在位置，并將衣物從衣架上摘取下來。

圖4 收集機構(gòu)

2.2.3 疊衣機構(gòu)

圖5為疊衣機構(gòu)，主要由左、右、橫向疊衣板，縱向和橫向疊衣機構(gòu)擺桿及連桿等組成。步進電機驅(qū)動擺桿和連桿做設(shè)計軌跡的運動，使三側(cè)折衣板翻折，完成疊衣動作。

圖5 疊衣機構(gòu)

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

2.3 系統(tǒng)硬件配置

智能晾衣疊衣機實現(xiàn)自動的過程需要各機構(gòu)協(xié)同運作。首先，STM32單片機為主控制部分，通過干濕傳感器采集到的脈沖信號傳遞到單片機上，用來辨識衣物是否晾干；如有衣物晾干，單片機傳輸信號給步進電動機，驅(qū)使步進電動機開始運作，使摘衣機械手摘取衣架上的衣物；隨后通過夾取機械手將晾干的衣物輸送到疊衣臺上，當(dāng)光電傳感器檢測到了精確的坐標(biāo)位置，使機械手能夠精準地移動到固定位置；在疊衣機構(gòu)中，通過步進電動機的作用，驅(qū)使疊衣動作得以實現(xiàn)，最后各機構(gòu)回到初始位置。系統(tǒng)硬件配置具體如下。

直流電動機：直流電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，首先通過輸送機構(gòu)上的干濕傳感器收集到衣物是否晾干的信號，并傳遞給STM32單片機，隨后通過單片機的作用驅(qū)使直流電動機開始運作，直流電動機帶動摘衣衣機械手實行動作，從而實現(xiàn)把衣物從衣架上摘取下來。此機構(gòu)采用了31K15RGN-C直流電動機，啟動和調(diào)速性能好，維修較便宜，相對于交流電動機較節(jié)能環(huán)保。

步進電動機：步進電動機通過接收到單片機發(fā)出的電脈沖信號進行驅(qū)動，通過將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機構(gòu)，然后驅(qū)使收集機構(gòu)上的夾取機械手開始動作。采用了57BYG250B式的步進電動機，此步進電動機是兩相電機，50個齒，1.8°步距角[4-5]。由于夾取機械手需要在同步帶上進行橫向、縱向移動，故需要放置2個步進電動機來驅(qū)使夾取機械手完成橫向、縱向的運動，一個為橫向步進電動機，另一個為縱向步進電動機。

夾持電機：摘衣機械手以在同步帶上可以實現(xiàn)來回橫、縱向移動為前提，需要實現(xiàn)對衣物的夾取來完成輸送到疊衣工作臺上的動作，所以需設(shè)置一個夾持電機來控制夾取機械手的夾取動作，即采用了MG995型號的電機。

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的晾衣疊衣機進行了智能化改變，基于STM32單片機設(shè)計了一款智能晾衣疊衣一體機，其智能模式下通過單片機的控制實現(xiàn)了自動晾衣疊衣的功能，最終目的是方便人們的生活。智能晾衣疊衣機更具有實際應(yīng)用性，結(jié)構(gòu)相對較簡單，實現(xiàn)了對晾干衣物的自動收取和疊衣的功能，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。