吊轨折叠板式自动衣物折叠器设计

钟宇欣 刘 磊 吴宇鹏 高 飞 陈楠桦 林 权

（武夷学院，福建 南平 354300）

0 引言

随着生活水平的提高，人们对居住环境提出了更高的要求，也越来越注重家庭生活的便利、节能、安全和舒适［1-2］。因此，智能家居有着非常广阔的市场和应用前景。从发展趋势上来看，智能家居的普及是一种必然趋势，其有着相当大的开发潜力和应用前景［3-5］。在智能家居高速发展的背景下，笔者通过设计一种自动衣物折叠器，从而实现对衣物的全自动折叠及收集，解决平时衣物杂乱、手动折叠衣物工序烦琐、时间长等问题，改善人们的生活环境。

1 自动衣物折叠器总体结构

图1 为自动衣物折叠器的总体结构示意图，其针对的是悬挂衣物，采用吊轨折叠板来实现衣物的自动折叠，即在卸衣时衣物会自然下落，利用错位的方式对其进行一次对折，然后利用空气吸附来防止衣物出现褶皱，并在衣物折叠装置中对其进行两次折叠，完成折叠后可摆放收集。

图1 自动衣物折叠器总体结构

吊轨折叠板式自动衣物折叠器由吊轨角度控制装置、衣物分离装置、自动卸衣装置、衣物折叠装置、衣物收集装置组成。吊轨角度控制装置用来调节吊轨与水平面的角度，当吊轨左高右低时，衣物会向右侧滑动。当吊轨左低右高时，衣物会向左侧滑动；衣物分离装置在挡住衣物向右滑动的同时，还可对聚集的衣物进行分离；自动卸衣装置可对挂在衣架上的衣物进行卸衣操作；衣物折叠装置上的对折杆先对自然掉落的衣物进行错位对折，通过转动对折杆的角度把对折后的衣物转移到折叠板上，然后再进行两次折叠，折叠板上有空气吸附装置，可防止衣物出现褶皱。在衣物折叠完毕后，折叠装置会通过吹气的方式将衣物送入收集装置。

吊轨折叠板式自动衣物折叠器采用错位对折及空气吸附折叠方式，对自然掉落的衣物进行对折，在吸附时再次对衣物进行折叠，从而保证衣物的平整性。同时，分离装置可对聚集在一起的衣物进行分离，从而实现对一件件下滑衣物的折叠。该系统使用C51 单片机驱动电机进行延时转动，折叠装置使用Arduino 控制器驱动舵机来实现对衣物的折叠。折叠器的机械结构简单、控制系统稳定、制造成本低，适合用于居家生活。

2 关键结构设计

2.1 吊轨角度控制装置设计

吊轨角度控制装置是用于倾斜吊轨的。当吊轨左高右低时，可依靠重力来传送衣物；当吊轨左低右高时，吊轨收回衣架，为下一批衣物提供空闲衣架。角度控制原理可参考曲柄摇杆机构［6］，使用滚珠丝杆来代替曲柄，通过滚珠丝杆螺母的左右移动带动连杆推动吊轨，使其角度发生变化，工作原理如图2所示。

图2 吊轨角度控制原理

用滚珠丝杆取代曲柄用来实现角度的变化。曲柄转动一圈可实现从最大角度到最小角度的变化，曲柄若要实现最大角度与最小角度的变化就要使用精度较好的步进电机进行控制，导致生产成本增加，而滚珠丝杆则通过左右移动连杆来推动摇杆角度的缓慢变化，转动精度容易控制，可直接使用直流电机进行控制，生产成本低。另外，滚珠丝杆上方通过添加直线导轨来增加其在运动时的导向与支承，防止滚珠丝杆转动造成连杆左右摆动。吊轨角度控制装置结构如图3所示。

图3 吊轨角度控制装置结构

2.2 衣物分离装置设计

衣物分离装置用于对吊轨倾斜向右侧滑动的衣物进行阻挡分离，该装置利用凸轮的转动，在不同时刻对两个分离挡杆逐次进行推动，实现对衣物的逐个分离，其工作原理如图4所示。

图4 衣物分离装置工作原理

当衣物在重力的作用下向右侧滑动时，凸轮处于原始位置，左侧分离挡杆会对下滑衣物进行阻挡，阻碍衣物的下滑，通过凸轮转动角度来实现对衣物的分离。凸轮从A 位置转动到B 位置，左侧分离挡杆被凸轮推动打开，衣物可继续往下滑，直到被右侧的分离挡杆阻挡才停止下滑；凸轮从B位置转动到C位置时，左侧分离挡杆回到原位，此时两侧分离挡杆不受力，且都处于阻挡状态，两分离挡杆间只会停留一件衣物；凸轮从C位置转动到D位置时，右侧分离挡杆会被凸轮推动打开，两分离挡杆之间的衣物会往下滑，左侧分离挡杆会阻挡剩下的衣物；凸轮从D位置转动到A位置时，可完成一次衣物分离，也就是凸轮每转动一圈，就会分离出一件衣物。

为了保证分离装置一次只分离出一件衣物，要计算出两分离挡杆间的距离。通过查找资料可知，吊轨所用的配套吊滑轮长度为40～50 mm，吊滑轮长度可取中间值45 mm，两分离挡杆间距为两吊滑轮的中心距离，为45 mm，图5为衣物分离装置结构的示意图。

图5 衣物分离装置结构

2.3 自动卸衣装置设计

自动卸衣装置的作用有两个：一是阻挡衣物分离装置分离出来的衣物，使其能停留在此，等待卸衣；二是对阻挡的衣物进行卸衣操作。图6 为自动卸衣装置的结构示意图。

图6 自动卸衣装置结构

在衣物开始分离前，自动卸衣装置在舵机2 的带动下旋转90°，与吊轨呈垂直状态，待衣物分离装置分离出一件衣物后，其会立刻对后续衣服进行阻挡。机械爪位于吊轨的正下方，由齿轮改装而成，舵机1 对其进行控制，舵机1 通过带动齿轮转动一定的角度，可实现机械爪对衣架两侧按钮的精准按压［7］，从而实现卸衣。在卸衣完成后，自动卸衣装置在舵机2 的带动下转动-90°，回到与吊轨呈平行状态的原位，衣架往右侧滑动，卸衣装置再次转动90°，与吊轨呈垂直状态，等待下一件衣物。挡板作为整个装置的主体，其最前端有一小块平板，挡板转动90°后，位于前面的平板会阻挡衣物。机械爪安装在吊轨下方，便于机械爪卸衣。机械爪是由两个齿轮改造而成的［8］，因衣架两侧按钮所需的力不大，使用的传动比为1。

2.4 衣物折叠装置设计

衣物折叠装置的主要功能有两个：一是利用错位方式对衣物进行一次折叠，从而优化机械结构；二是利用空气吸附折叠板对衣物进行折叠［9］，从而保证衣物的平整性。图7 为衣物错位对折结构示意图，图8为衣物折叠装置结构示意图。

图8 衣物折叠装置结构

衣物折叠装置在卸衣前启动，舵机2转动-90°，使错位对折杆与吊轨呈垂直状态，同时拨动衣物，使衣物从竖直状变为梯形状，且会分成两部分（见图7）。卸衣启动时，因衣物在中间有错位对折杆的支撑，上半部分没有支撑会自然掉落在错位对折杆与卸衣装置间，而下半部分有错位对折杆的支撑而悬挂在杆上，此时衣物会被对折，悬挂在错位对折杆上。舵机2 转动90°，把悬挂在杆上的衣物送到折叠板处，启动空气吸附，使衣物紧贴折叠板，滚珠丝杆转动使衣物随整个折叠板向右移动，此时衣物从错位对折杆上逐渐抽出，折叠板移动到最右侧，衣物完全脱离错位对折杆。左侧舵机1 转动180°，带动左折叠板对衣物进行翻转折叠后，反转相同角度回到原位；右侧舵机1 转动-180°带动右折叠板对衣物进行翻转折叠后，反转相同角度回到原位，两个折叠板依次完成动作，且互不干扰。折叠完毕后，吸气变为吹气，衣物在光滑的倾斜面上往下滑动，进入收集装置，滚珠丝杆反转，折叠板向左移动，回到原位，等待下一件衣物。

图7 衣物错位对折结构

该装置的折叠板上安装有两个滑轨（滑块滑轨和直线导轨），上方采用滑块滑轨，下方采用直线滑轨。在两个导轨的共同作用下，保证折叠板能够水平移动。折叠板后方安装有吸气吹气机，吸气时衣物能够紧贴折叠板，保证衣物的平整性，吹气时衣物能缓慢下滑至翻转板上，能够使衣物从错位对折杆上脱离。

2.5 衣物收集装置设计

衣物收集装置主要对完成折叠后的衣物进行翻转摆放及收集。衣物翻转板接收下滑的衣物，翻转板板末有一小块突起的挡板用来阻挡下滑的衣物，衣物翻转板快速翻转使衣物摆放到收集板上，收集板下方安装弹簧，每收集一件衣物都会下降一定距离。图9为衣物收集装置结构的示意图。

图9 衣物收集装置设计图

3 结语

本研究基于智能化技术对自动衣物折叠器进行设计，在为人们生活提供便利的同时，也实现了对衣物的全自动折叠及收集，解决平常衣物杂乱、手动折叠衣物工序烦琐、时间长久等问题。本研究设计的自动衣物折叠器由吊轨角度控制装置、衣物分离装置、自动卸衣装置、衣物折叠装置、衣物收集装置等构成。吊轨角度控制装置采用滚珠丝杆推动连杆来控制角度；衣物分离装置的凸轮每转动一圈就会分离出一件衣物；自动卸衣装置通过机械爪来按取衣架两侧按钮的方式实现卸衣；衣物折叠装置采用两步骤方式对衣物进行折叠，一是错位掉落对折，优化机械结构，二是吸气吸附折叠板折叠，保证衣物的平整性；衣物收集装置采用翻转摆放及弹簧压板收集。最后，通过制作实物模型进行组装演示，试验结果证明，本研究设计的自动衣物折叠器结构合理、性能稳定、简单可靠，有较大的市场应用前景。