基于空间凸轮－轮系复合机构的可伸缩旋转智能衣架的研究

崔雨豪 钱俊泽 于郑鑫 段博文 朱嘉运

[摘    要]在物质基础丰富的今天，享受智能家居成为一种潮流。但在目前的家居生活中，在晾晒衣物方面存在很多问题。为解决实际生活中存在的部分晾晒衣物问题，文章针对智能衣架的机械及控制进行了研究。在综合考虑家居生活需求，市场发展趋势和阳台，天气等决定因素后自主设计了一款智能衣架。其水平伸缩和竖直升降装置能够有效控制占用空间，同步带装置驱动衣物沿轨道旋转使晾晒合理化，手机蓝牙进行远程控制方便操作。在经过多次试验和参数调试后，使得该款多功能衣架各个系统运行稳定可靠，达到了预期的设计目标与效果，真正做到家居的智能化。

[关键词]智能衣架;多功能;同步带驱动折叠;蓝牙连接控制;空间利用

[中图分类号]TS959.9 [文献标志码]A [文章编号]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

经济的不断发展和人口的增长，造成我国城市建筑群密度较大，從而出现了在晾晒衣物时采光时间短等问题，这严重影响人们的日常起居。

伴随科技的快速发展，智能家居作为一种新兴产业已经引起了人们广泛关注，晾衣架作为智能家居的重要组成部分，其产品种类丰富。市场上的晾衣架从功能结构上可分为手动和自动两类，从使用场合上可分为室内型和室外型两类。

针对以上问题同时参考市场衣架，自主设计并研发了一种智能自动晾衣架。

（1）通过移动衣架的位置，加速衣物的晾晒，解决衣物许久不干的问题。

（2）通过衣架的自动旋转，可以解决晾晒过多衣物的阳台拥挤带来的困扰。其而且衣架在不用时会进行水平面积缩小，随后纵向回升天花板，为阳台提供更宽阔的空间。

（3）衣架可以通过蓝牙连接进行远程监控，提高在有限的采光率下晾衣架的使用效率。

2 多功能晾衣架机械结构设计

2.1 多功能衣架的各个部件系统

为实现自动旋转、水平收缩等功能，需要通过剪刀架机构，双向可动带轮机构等机构。

（1）剪刀架机构：通过剪刀架的伸缩控制衣架上下的幅度。

（2）双向可动带轮机构：通过带轮外侧的凸起带动轨道上的衣架定向旋转，完成皮带轮水平面的收缩。

（3）齿轮齿条机构：通过齿轮齿条完成衣架下板以及轨道水平方向的收缩。

（4）智能控制系统：按照预设的算法利用红外装置控制各个电机的转动，以此来控制衣架纵向升降在启动和关闭时使用，并假设完成一次上升或下降的时间为10 s。

（5）安全系统：如有以上系统出现故障，则会自动报警。

综合以上查阅的资料，根据任务的条件与预设参数去设计并调整衣架的部分性质与参数，去完成预设条件：

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积的伸缩。

水平面上的同步带完成一天8 h的单向连续运转，载荷平稳。

工作环境为室内，灰尘较小，环境最高温度为40℃，最低温度为20℃。

假设在模型上加上10件20 N重量的湿透衣服与一床500N的湿透被子。

整个晾衣装置的总体质量为13 kg，展开与收缩水平板子。

同步带的时间为2s，同步带运行速度为0.05 m/s。

2.2 多功能衣架的中部传动系统

（1）行星轮系结构：利用行星轮系机构中的一对外啮合齿轮来改变行星轮的旋转方向，再通过一个内啮合齿轮与行星齿轮啮合做到内啮合齿轮既保证齿轮轴与输入轴共线，又达到输入轴旋向与内啮合齿轮旋向相反;通过控制齿轮的各个基数减少转速，缩短位移角度，如图1所示。

（2）空间凸轮结构：该机构可以将切向输入动力转为轴向动力形式输出，将内啮合齿轮外沿升高做成空间凸轮机构，做到转化的同时减速，若单纯与轴承相固定，则各方面因素不易控制，如图2所示。

（3）齿轮齿条机构：该机构切向输入动力转化为径向输出动力，从而做到滑动板水平面方向的收缩与伸长;不采用蜗轮蜗杆的原因在于，蜗轮蜗杆一般用于较大的力上，也用于较大的部件，且传动效率低，齿轮间不能产生变位，不易加工，则采用齿轮齿条机构如图3所示。

2.3 多功能衣架的收缩-伸展系统

将整个衣架分为动力输出结构、传动结构等结构来实现水平收缩功能。

（1）动力输出结构：提供水平收缩运动的中心电机位于行星轮系太阳轮的正上方，由刚性联轴器与之连接配合，提供旋转动力;两个侧电机分别位于晾衣架边缘的板件上，与丝杠连接，提供旋转动力。

（2）传动结构：由中心电机带动的传动结构为齿轮、齿条、互补拼接配合在一起的两板件，齿条与板件固连在一起;由侧电机带动的传动机构有丝杠、导向支座。

（3）收缩机构：由中心电机带动的滑动板件负责配合皮带的张紧，实现外轮廓收缩的机构是两侧固定板件及与其固连的滑杆、中心板件上的导向支座。

（4）其他机构：皮带轮、皮带、中心板件、外部支架不提供动力，它们的运动不参与外部轮廓的收缩，但在机构收缩时提供法向支持力与切向摩擦力。

2.4 多功能衣架的竖直升降系统

不同使用者身高不同，所以对晾衣架需求高度不同;而在晾晒衣物时，考虑到冬夏太阳直射角度的不同，衣物也需要调整竖直位置;同样，晾衣架在闲时应不影响采光，所以在竖直位置上也应调整。本设计采用一种由电机驱动，剪刀架辅助的结构，可以实现衣架高度的调整与固定。

实现竖直收缩功能时，将整个衣架分为动力输出结构、传动结构等结构。

（1）动力输出结构：水平放置在智能衣架中央上方的步进电机输出动力。

（2）传动结构：拉绳连接电机与智能衣架，传递电机输出的动力。

（3）收缩结构：在上升过程中，剪刀架收缩。

（4）其他结构：智能衣架其他部分的带、带轮、电机与导杆等不参与竖直方向的运动，它们的重力是上升的阻力。

2.5 多功能衣架的同步带系统

该同步带系统皆由机械传动组成，主要为同步带传动，同时需要调整中部的滑动板与外侧的移动板配合，从而使得同步带轮在变动位置的过程中同步带总体长度不变。同步带在传动与带轮变动位置的过程中，长度无法改变，而且同步带需处于张紧状态，否则同步带会在移动过程中脱落甚至拉断。

3 多功能衣架控制系统设计

3.1 无线蓝牙装置

蓝牙模块采用高性能主从一体的蓝牙模块ATK-HC05，ATK-HC05可以同带有蓝牙功能的电脑、手机、PSP等设备，该模块支持4800～1382400的波特率，能够兼容3.3 V或5 V单片机系统，能够方便地与单片机连接。ATK-HC05模块的各项参数，见表1：

ATK-HC05模块需要与单片机进行连接ATK-HC05模块接收到的数据发送给单片机，ATK-HC05模块的引脚详细描述，见表2。

用户可以通过手机蓝牙与ATK-HC05模块进行配对连接，ATK-HC05模块与单片机连接进行串口通信，用户通过已经编写好的手机APP对蓝牙发送指令，从而控制单片机的运行，通过对数据的判断来改变减速电机的转动方向转速以及衣架的收放。手机APP界面操作界面，

3.2 主控单片机

本系统通过使用ARM芯片的STM32F103ZET6单片机，32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器USB、CAN、11个定时器、3个ADC、13个通信接口、多达112个快速IO端口。

3.3 系统设计

用户通过蓝牙将手机与ATK-HC05蓝牙模块配对连接，打开控制APP发送指令给蓝牙模块，蓝牙模块将收到的数据通过串口通信发送给单片机，单片机通过解读数据控制电机旋转。用户使用时首先通过手机控制衣架升降电机和控制衣架收放电机，挂完衣服后可以通过控制电机使得衣服移动到光线最好的地方，在收完衣服后可以控制电机使得衣架收起并且升高空出阳台的空间。

4 创新与展望

本设计以晾衣架为出发点，通过机械结构与电子控制的巧妙運用实现智能衣架。与普通家居中的晾衣架相比，智能衣架有以下创新点。

（1）一体化轻量结构设计，承载能力强。整体结构实现轻量化。同时导杆对称安装，可伸缩、固定，合理分配载重，承载大重量时仍能保持运动功能与稳定性。

（2）结构灵活，节约空间且操作人性化。实现了较灵活的水平收缩功能与竖直升降功能。正常工作时，智能衣架水平结构完全伸展开，并且通过竖直升降调整其水平位置达到一个合适的高度。智能衣架空闲时，可将水平结构收缩，实现用时操作灵活、闲时节约空间。

（3）解决传统晾衣方式操作繁琐问题，实现衣物旋转，定点晾晒、回收。本设计下的智能衣架只需将衣物挂到上面，智能衣架自身具有旋转、上升功能，同时也可调整高度。

（4）智能蓝牙操控。相比于传统衣架的纯手动操作，本设计下的智能衣架实现蓝牙控制，并且添加了定时功能。蓝牙操控可以解决大部分手动操控的麻烦。在手机端操作可实现定时功能。纵观国内智能家居市场，在智能家居系统中，智能衣架不可或缺，在单体智能家具中，智能衣架也占有较高的地位。就衣架本身分析，智能衣架具有操作人性化、功能多样化、智能系统化的发展趋势。

5 结束语

随着科学的发展与社会的进步，过去把衣服晾在木杆上、楼与楼之间的挂绳上，现在衣服可以晾在蓝牙操控、控温控风的金属杆上。智能化家居的发展潮流是方便，快捷，所以本设计符合智能的发展潮流。

在本设计中智能衣架的蓝牙控制、衣架旋转、升降收缩功能在解决种种客观问题的时候，也体现了操作人性化;本设计下的智能衣架功能多样，在结构上、控制上都有创新的突破，智能衣架消费市场的领先产品中，有向功能多样化发展的趋势;单单是智能衣架还不能够满足使用者的需求，目前最需要的、最主流的设计方案都是建立在整个居住环境实现一体化控制的基础上，这样为使用者提供了极大的方便，本设计中，蓝牙控制便是联系智能衣架与其他智能系统的窗口，使用者可以通过蓝牙，将智能衣架与其他家居联系起来，实现覆盖面更广的智能。

参考文献

[1] 黄凡凡，董晴，熊晶，等.智能制造背景下云晾衣架研发与市场推广[J].技术与市场，2021，28（3）：138-141.

[2] 杨曾健，杨颖，岳梦攒，等.多功能智能晾衣架的设计[J].仪表技术，2022，（1）：30-32.