基于物联网的一站式集成门边衣物管家设计

张孟珂，李冰俏，余康喆，许佳路，马新玲

华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237

新型冠状病毒肺炎在全球快速蔓延[1]，居民对个人安全防护愈发重视[2]。最新研究发现，新型冠状病毒在物体表面存活时间较长[3-4]，人与物接触传播成为传播途径之一[5]。在日常生活中，病毒可存活于衣物和鞋子表面[6]，若不能对其进行及时且有效处理，会威胁到居民生命健康安全。

目前市面上的防疫机械，大多为置于医院等公共场所的消毒测温装置[7-9]，部分为医院的导诊机器人与配送机器人[10]，极少数为巡控和远程诊断机器人[11]。上述机器均不能用于居民日常生活防护。因此急需一款装置，在进出家门时，对居民的外衣和鞋子进行全方位消毒处理，从而降低病毒通过衣物被带入家庭的可能性，有效阻断病毒传播途径。

为解决上述问题，本文设计了一款基于物联网的一站式集成门边衣物管家，该装置位于玄关处。以HMI 智能串口屏为系统控制中心，配合ESP8266 物联网芯片。通过多模块协同运作，实现对衣物、鞋子的消毒、除湿，兼具选衣和递物等功能。做到了多功能全自动一体化，经济合理，具有一定的实用价值和市场竞争力。

1 设计概述

图1 所示为装置的整体结构。本装置将玄关处的鞋柜及挂衣、置物空间有效整合，利用精妙的机械结构，配合准确的程序控制，实现了对随身物品和鞋子的智能选择并递出、衣物的自动挂取存放以及对装置内部物品的定时消毒除湿。

图1 系统整体示意

用户可通过HMI 智能串口屏或手机APP 选择需要实现的功能，并向Arduino 发出对应的指令。

执行取衣指令时，首先，柜门丝杆转动，带动门板向右侧平行移动，到达指定位置后丝杆停止转动，从而实现柜门的开启；其次，连接滑块在挂衣杆平面内水平移动，带动多自由度挂取机构至指定位置；接着，双轴舵机与单轴舵机协调配合，将挂钩上的衣服平稳取下；随后，连接块带动挂取机构返回初始位置，将取出的衣服运输至柜门口处；最后，柜门丝杆反转，柜门关闭。挂衣动作同理。

另外，ESP8266 物联网芯片联网，获取实时天气状况，并将数据传入系统内置程序中，确定应递出的物品。之后，Arduino 控制递物柜丝杆正转，对应置物平台升起至取物开口处，丝杆停止转动。用户取走物品后，递物柜丝杆反转，平台复位。与此同时，递物柜门下降至指定位置，关闭取物开口。

链轮机构带动鞋盒循环运动至指定位置，待用户从取鞋口取出鞋子后，链轮机构自动复位。

除湿机构中，烘干扇和加热片配合，从提高空气流速与温度2 个方面加快除湿进程[12]。消毒机构仅在柜门关闭后方可开启，从而避免紫外线辐射对人体产生危害。

本装置利用巧妙的机械结构，实现机构联动，有效减少动力源数量，经济高效。

2 各模块单元设计

基于物联网的一站式集成门边衣物管家可分为四大模块：柜门模块、衣橱模块、鞋柜模块和递物柜模块。

2.1 柜门模块设计

柜门模块主要完成柜门的开启与关闭功能。如图2 所示，当装置接收到开门指令后，柜门模块开始运转。开门的具体流程为：上下2 根丝杆通过同步轮和同步带连接，在步进电机的驱动下同向旋转，驱使丝杆螺母沿丝杆水平移动，推动连接块以及所连柜门相应移动。步进电机旋转指定圈数后停转，开门结束。装置接收到关门指令后，柜门关闭，其流程与上述开门流程相同。

图2 柜门模块结构

为防止由丝杆不对称引起的柜门卡死或连接块损坏，在安装时要求上下2 根丝杆平行且位于同一竖直平面内。同步带保持张紧，确保传动的稳定性。

2.2 衣橱模块设计

衣橱模块主要实现衣服的自动定位存放与取出功能。如图3 所示，当装置接收到取衣或挂衣指令后，衣橱模块开始工作。首先，相互垂直的2 根光杆通过同步带与同步轮，在2 个步进电机的驱动下旋转，将连接块与多自由度挂取机构移动至所选挂钩前方。接着，单轴舵机在挂衣杆平面内旋转，使得钩子与挂钩平行。之后，Arduino Uno 开发板控制双轴舵机转动，带动U 形支架和钩子在竖直平面内摆动特定角度，实现模拟人手挂取衣物。

图3 衣橱模块结构

挂衣杆设计成七边形，七边形的每个角上增加一个挂钩，最大程度扩大了衣橱模块的容量，同时保证了七边形开环结构的稳定性。基于多边形挂衣架的设计，配合内置高清摄像头，可实现衣物颜色的判断与分类悬挂，防止衣物间相互染色，有效保护衣物。

衣橱模块中挂衣传动装置为光杆同步带传动，该传动方式对安装平行度提出了较高要求。在铝型材安装、卧式轴承座固定、同步轮与光杆固定、连接块光杆配合等多个步骤中产生的累计误差将影响多自由度挂取机构沿光杆运动的流畅性，甚至阻止运动进行，造成步进电机损坏。为解决此问题，连接块制作采用光固化3D 打印方式，将制造误差降到最低；涂抹低速润滑油降低摩擦因数，保证机构顺畅运行。

为保证多自由度挂取机构的安全性与运行的稳定性，利用ANSYS 软件对挂取系统进行最大变形、应力应变分析。如图4 所示，在连接块下端加载50 N 压力（大于冬季衣物所能提供的最大压力），系统整体最大变形为0.00055145 m，位于连接块与光杆接触处。此变形数值较小，对系统运转影响小，因此该结构合理。为提高结构强度，光杆使用材料为45 号钢。如图5（a）所示，与上文施加条件相同，光杆所受最大应力集中于光杆与同步带连接件配合处，数值为103.98 MPa。查表得45 号钢抗拉强度σb≥600 MPa，条件屈服强度σs≥355 MPa[13]，均大于光轴所受最大应力，满足强度要求。

图4 多自由度挂衣结构总体变形云图

图5 多自由度挂衣结构应力应变云图

如图5（b）所示，光杆最大应变εmax为5.2884×10-4m/m，也位于光杆的固定点处，此应变数值较小，对结构运转影响小，因此该结构合理。

2.3 鞋柜模块设计

鞋柜模块主要完成鞋子的定位循环传递功能。如图6 所示，当装置接收到选鞋指令后，步进电机带动光杆与链轮转动，从而驱动链条和鞋盒转动。

图6 链轮模块结构

在运行过程中，为防止链轮机构卡死，要求装配时前后4 个链轮以及上下2 根光杆互相平行，并要求链条张紧，以确保链轮和链条的内啮合无齿隙。由于链轮机构惯性较大，带动该机构转动需较大的扭矩，因此，在步进电机的选用上，采用了2N·m 的57 步进电机以1/16 步进模式运转。步进电机与联轴器、光杆与联轴器之间采用过盈配合，并使用专用胶水粘合，以减少相对滑动。

2.4 递物柜模块设计

递物柜模块主要实现物品递出与递物柜门关闭功能。如图7 所示，当装置接收到递物的指令后，递物柜模块开始运转。

图7 递物柜模块结构

首先，ESP8266 物联网芯片联网，获取实时天气状况，并将数据传入Arduino 程序中，以判定本次应递出的物品。接着，装置接收到递物的指令，递物柜模块开始运转。步进电机带动联轴器从而带动丝杆转动，驱使丝杆螺母竖直上升确定距离，推动与其相连的螺母转换座和置物平台沿光杆上升，至取物开口处步进电机停转。最后，接收机构的压力传感器检测到物品取出后，步进电机反转，置物平台复位，递物柜门下降至取物开口处，柜门关闭，递物过程结束。

丝杆在安装和运动过程中极易发生弯曲变形，影响传动灵活性。为保证递物柜柜门及置物平台在丝杆转动时运动平稳度，防止丝杆发生弯曲变形，安装与丝杆平行的光杆，防止运动过程中递物柜门和置物平台绕丝杆轴心转动，从而满足所需功能。

置物平台与递物柜门等距安装，便于实现对其移动距离的精准传动。在调试过程中发现，由于受单侧动力源驱动，从动光杆侧置物平台运动较丝杆侧慢，且稳定性较差，易产生抖动与噪音，加剧丝杆弯曲变形程度，降低丝杆使用寿命。鉴于此，在置物平台与光杆接触处嵌入线轴承，可减少两者间的摩擦，同时降低电机转速，减轻运动滞后现象，有效提高运动平稳度。

3 控制系统与物联网技术

3.1 控制系统

基于物联网的一站式集成门边衣物管家控制流程如图8 所示。该装置主要由HMI 智能串口屏、Arduino、各种传感器检测装置、ESP8266 物联网芯片以及电源系统组成。用户可通过智能串口屏或手机APP 发送指令，由Arduino 控制装置各部分的运动以实现所需功能。

图8 工作流程

3.2 物联网技术

可通过ESP8266 物联网芯片获取实时时间和天气信息，并同步至HMI 智能串口屏。ESP8266联网后，与网络时间协议 (network time protocol，NTP)建立连接，校准时区后，获取实时时间。

获取实时天气的具体流程为：ESP8266 建立WiFi 连接后，使用WiFiClient 建立一个TCP 连接，并利用该连接向“心知天气服务器”发送get请求；之后获取服务器返回的数据，再利用ArduinoJson 解析返回的数据，在HMI 智能串口屏显示实时温度和天气状况，同时切换该天气对应的图片。递物柜模块会根据获取到的实时天气状况，递出相应的物品：晴天，递出墨镜、口罩；雨天，递出雨伞、口罩；其他天气状况，递出口罩。

4 结论

为满足居家防疫的需求，实现防疫机械功能多样化，本文设计了一款多功能模块化防疫机械—基于物联网的一站式集成门边衣物管家。本设计具有以下优势：

1）解决了市面上现有的防疫机械所存在的功能单一、操作复杂等问题，满足了居家防疫的需求，实现防疫机械功能多样化。

2）在当今智能制造的大背景下，结合实际情况，实现了对房门内部区域的创新型改造，提高了用户的生活质量。

3）该装置采用多自由度挂取机构模拟人手挂取衣物，平稳灵活。

4）设计七边形衣架，分类准确，挂取快捷。

5）巧妙采用链轮结构，重新定义鞋柜的存在形式，挑选便利，效率高。

6）利用2 个电机和同步轮的协作，在减少冗余驱动部位的同时，实现了多自由度挂取机构的精准定位。

7）利用HMI 显示屏、手机APP 实现控制，人机交互性友好。

8）应用物联网技术获取实时信息，功能多样，便利用户出行。

本装置通过精巧的机械结构与便捷的操作系统，实现选衣、挂衣、递物、选鞋、消毒、除湿功能，完成4 大模块的协调运转。能够有效降低病毒传播风险，助力疫情防控，保障用户生命健康安全，打造温馨居住环境，具有广阔的应用前景。

本装置在人机交互方面仍有较大潜力，将物联网与机械结构完美融合，开拓其应用场景，能更好地满足人们对生活幸福感的追求。