可伸缩式自动晾衣架的系统设计

李东亚，张洁峰

（苏州大学应用技术学院机电系，江苏昆山215325）

可伸缩式自动晾衣架的系统设计

李东亚，张洁峰

（苏州大学应用技术学院机电系，江苏昆山215325）

随着社会飞速发展，人们的生活也日新月异，越来越多的智能化、自动化的产品开始进入普通家庭，传统的晾衣架主要有滑轮组加钢丝绳和伸缩式两种产品，控制方式也主要为手动和半自动两种方式，根据现有晾衣架的结构、控制方式及其需求模式的变化，设计出一款采用智能化、自动化的控制方式，采用四杆结构和螺旋机构的传动方式实现衣服的自动晾晒的伸缩式晾衣架，实现了无人在家也可自动完成衣服的晾晒的生活方式，提高了人们对快节奏生活方式适应。

智能化；伸缩式晾衣架；四杆机构

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.015

0　引言

自动晾衣架是升降晾衣架的另一种称谓，通常就称为晾衣架，是大约10年前出现的一种晾晒衣服的用具，现时有手摇的和遥控的两大类，这种产品刚出来时晾杆是用不锈钢圆管做的，款式单一，只是作为一种方便晾晒衣服的工具，但随着时间的推移，生产晾衣架的厂家越来越多，竞争越来越大，厂家各出奇谋，晾衣架的款式越来越多，越来越漂亮，晾衣架如今已不仅仅是一种晾晒的工具了，更演变成一种装饰品，成为阳台一道风景线。晾衣架的各种配件也层出不穷，每一件配件都可以作为装饰品，点缀现代家庭的阳台。现在市面的自动晾衣架的主要结构分为两种：滑轮组加钢丝绳和伸缩式［1］，其主要结构主要有手摇器、钢丝绳、转向器、顶座、晾杆、衣架等。

1　设计要求及控制流程

根据现在住房的阳台样式进行设计伸缩式晾衣架的结构，而实际阳台最主要的尺寸在于晾衣杆的长度，由于此设计需要开窗关窗来将晾衣杆送出和送入，而现在主流的窗户都是滑动式，所以晾衣杆的的长度不能超出中间两扇窗的宽度。小型阳台可以考虑两扇敞开式，即可增加晾衣杆长度。设计的该装置需要满足如下的设计要求：

（1）准确性和可靠性：由于可以实现自动模式下工作，需要准确的判断外界环境从而对窗户和晾衣架的控制，同时保证行程的可靠性［2］；

（2）智能化：根据天气的变化进行对晾衣架实现自动控制［3］；

（3）操作简单：由于人群结构的变化，大多数家庭都以老人在家为主，需要他们能够快速掌握操作方法，在手动模式下进行简单动作的设置。

根据以上设计要求，完成控制流程图的设计如图1所示。

图1　控制流程图

2　机械臂的设计

2.1机械臂传动方案的确定

因为该设计的机械臂只需在一个平面内运动，且可以借助主运动的前进和后退运动，所以机械臂只需1到2个自由度就可以实现功能，目前存在的晾衣架的传动方式有以下几种常见的结构。

（1）滑轮组加钢丝绳结构：此结构运动控制简单精确，且占用空间相对较小不工作是可收起至天花板，不影响人们正常生活。但是此方案悬臂梁力臂较长，给电机造成较大负担，大功率的电机自然也是成本问题之一，但是还需要阳台的窗口预留伸出孔，也不方便，此外还要在阳台外面安装滑轮组，才能完成伸出的动作，由于室外天气的原因，必须选择好的材料，无形中增加大量的成本。

（2）链传动式：此结构运动控制简单精确［4］，但是由于此结构的都是杆状支撑架，需要利用三角形起支承作用，会占用到阳台的空间；此方案悬臂梁力臂较长，给电机造成较大负担，大功率的电机自然也是成本问题之一；此机构的伸缩机械臂需要伸缩到窗户外面，还需要阳台的窗口预留伸出孔，并且需要完成伸出和回收两个动作，对打孔的要求比较高，此外还要在阳台外面安装链轮组，才能完成伸出的动作，由于室外天气的原因，必须选择好的材料，无形当增加大量的成本。

综合以上结构的优缺点设计出平面四杆机构型［5］：该方案的实现形式主要为主动杆的转动，带动从动杆的运动，动作简单，安装时只要根据运动轨迹和四杆机构的即曲柄的位置就可以确定吊钩处于合适的位置，此位置可以根据不同的住户选择安装；此装置位于阳台的顶部，占用体积小，属于合理利用空间；虽然运动的范围较小但在本设计中只需要固定几个点之间的运动，理论上可行，且成本较低。在本设计中选用此传动方案较前两个方案还有一个优势，若主动杆为曲柄运动则可以将该连架杆的非机架端连接在主运动的齿轮上，这样便可只用一个电机完成整个运动，即齿轮运动的同时带动曲柄的转动，即可完成晾衣架的伸缩；此装置只需要在窗户外面安装两个支承吊钩，对材料没有什么要求。

2.2机械臂的机构设计

根据设计方案确定伸缩式晾衣架采用平面四杆机的传动方式，因此齿轮与机械臂的具体结构如图2所示。

此伸缩式晾衣架的动作为：电机安装在齿轮上，初始位置刚好在阳台内部的横杆处，此时将衣服挂于横杆上，初始位置可以根据住户的身高和阳台的光照性合理设置，电机带动齿轮沿着齿条做逆时针运动，此时齿轮也作为曲柄摇杆机构的曲柄1通过连杆4带动摇杆3做图示的曲线轨迹运动，杆件3作为机架与滑块相连接，通过支架上沿着导轨做运动，齿轮转过180度使摇杆到达的最低点，在转过180度有到达最高点，正好运动轨迹为正弦曲线，通过设置的位置使齿轮转过一定的圈数即可到达烟台外的吊钩处。

图2　机械臂结构示意图

在该结构的设计中，机械手的设计需要是轻便，对抓取力度无要求，只需要将晾衣杆托起并形成封闭形状使其不易掉落。利用丝杠螺母结构设计机械手如图3所示［6］。

图3　机械手机构示意图

2.3机械臂的控制方式

根据传感器的形式，可将温度、湿度、光照强度等参数的模拟量通过传感器换算成数字量，之后在室内需要用LED显示器显示，电气控制则选择使用PLC的控制方式。若使用文本显示器或触摸屏，既可以显示室外的天气状况又可以在室内手动控制，那即使不在阳台也能完成手动操作。

3　结论

在实际的产品中，最关键的是选择一种质量轻强度又足够的材料作为四杆机构的主要用材，然后在减轻整体质量之后选择适当的电机能直接带动齿轮，省去减速作用的那组涡轮蜗杆甚至减速箱［7］。并且将两个机械手的动力用一个电机提供，可以将主动的两个齿轮放在同一轴上驱动，不但能减少一个电机，而且可以提高机械臂运动的同步性；同样的，控制窗户动作的电机也可以减少为一个，用丝杠螺母结构传动，一侧为正牙另一侧为反牙；当电机转动时两扇窗户运动方向相反，能满足窗户开合的需要，同时期运动的同步性也提高了；其次机械手的设计应当再简单化，能取消丝杠螺母结构用钢丝绳代替为最佳。根据实际使用的需要设计此结构完全能达到使用要求。

［1］孟宪源，姜琪.机构构型与应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］张春林.机械创新设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］施海锋，吴江柳.机械自动化系统设计指导书［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［4］于惠力，冯新敏.转动件设计与实用数据速查［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［6］施海锋，吴江柳.机械自动化系统设计指导书［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［7］强建国.机械原理创新设计［M］.武汉：华中科技大学出版社，2008.

（编辑：阮毅）

System Design of the Retractable Auto Racks

LI Dong-ya，ZHANG Jie-feng
（Applied Technology Institute，Suzhou University，Kunshan215325，China）

With the rapid development of society，people's lives are changing，more and more intelligent，automated products began to enter ordinary families，the traditional racks mainly rope and pulley blocks plus telescopic two products are mainly for manual control and semi-automatic two ways，according to the structure of the existing racks，control and changing demand patterns，design a use of intelligent，automated control，drive mode using four-bar structure and screw mechanism for automatic clothes retractable drying racks，realized no one at home can also be done automatically lifestyle drying clothes，raised awareness of the fast-paced lifestyle to adapt.

intelligent；telescopic racks；four agencies

TH122

A

1009-9492（2015）01-0060-03

2014-07-14

李东亚，男，1984年生，山东枣庄人，大学本科，实验师。研究领域：机电一体化技术。已发表论文5篇。