一種具有自動遮蔽功能的室外智能晾衣架設計*

袁雨凡，高 朋，梅 杰，王 明，馮亞丹

(九江學院 機械與智能制造學院，江西 九江 332005)

0 引言

目前人們所使用的室外晾衣架多數為不能隨外界環境變化而自動收縮的傳統類型衣架，在下雨、下霧、陰天、夜晚、大風或者高溫高熱天氣晾衣架沒有使晾曬在室外的衣物避雨、避露水、防暴曬及防脫落的功能[1]，且國內對室外智能晾衣架智能防雨、防潮濕、防暴曬和防脫落的遮蔽系統研究較少。鑒于此，本文對室外智能晾衣架開展研究，將智能晾衣架及遮蔽系統很好地結合到一起，達到智能晾曬衣物的目的。

1 智能晾衣架整體結構設計

1.1 晾衣架的整體結構及功能

本文設計的晾衣架三維模型如圖1所示，由傳統手動伸縮架1、擋雨架2、擋雨布3、防雨桶4、遮蔽系統電機5、滾珠絲杠6、平行四桿機構7、齒輪組8、側板9和滾珠絲杠電機10等組成。遮蔽系統由正面的弧形擋雨布以及兩側與擋雨架輪廓相吻合的側板所組成，遮蔽系統運行時可以實現有效的防雨、防霧、防風、防脫落和防暴曬的功能。根據智能晾衣架的功能要求，為了在下雨、下霧、風力過大或者高溫高熱天氣時衣物能夠自動收回并且遮蔽系統開始運行，本設計選用了溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器和風速傳感器。當天氣發生變化時，溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器或光敏傳感器[2]感應并觸發產生信號，經單片機轉換使滾珠絲杠電機10運轉，絲杠拉動伸縮架收回。伸縮架收回后，遮蔽系統電機5運轉，隨后經齒輪組和平行四桿機構傳動，鋼絲繩運轉，拉動擋雨布，使擋雨布展開，同時兩側板關閉，以此實現遮擋雨水和防止大風情況下衣物脫落的作用。當天氣晴朗或風變小時，各傳感器發出信號，單片機接收信號使各電機反轉，擋雨布在防雨桶里的發條彈簧作用力下自動收回。此時，兩側板打開，隨后絲杠帶動伸縮架展開，衣物重新恢復晾曬狀態。

1-伸縮架；2-擋雨架；3-擋雨布；4-防雨桶；5-遮蔽系統電機；6-滾珠絲杠；7-平行四桿機構；8-齒輪組；9-側板；10-滾珠絲杠電機

本設計的晾衣架為三橫桿晾衣架，即有三根晾曬衣物的橫桿，橫桿選用電泳鋁合金材質，滑槽是半層金屬材料直接開槽，然后利用銷釘滑動。采用上述的結構設計，本產品至少可以承受100 kg的重物，對于一款晾衣架來說可遠遠滿足用戶的需要。

1.2 遮蔽裝置設計

圖2為遮蔽裝置合上的效果，兩側擋雨架1采用了弧形圓管設計，管壁厚為1.8 mm、直徑為20 mm。遮蔽系統分為前遮蔽系統(即擋雨布2)和側遮蔽系統(即側板3)，擋雨布卷在防雨桶內，并分別與鋼絲繩5和發條彈簧4相連。當遮蔽系統電機接收信號正轉時，鋼絲繩沿著絞盤6收縮，同時拉動擋雨布展開，擋住雨水；當遮蔽系統電機接收信號反轉時，鋼絲繩松開，在發條彈簧的作用下拉動擋雨布收回。

1-擋雨架；2-擋雨布；3-側板；4-發條彈簧；5-鋼絲繩；6-絞盤

兩側安裝與擋雨架相配對的鋁板，當擋雨布順著鋼絲繩合上時，遮蔽系統電機帶動兩側板關閉，達到全方位的擋雨效果，從而保護衣物。

2 智能晾衣架主要傳動裝置設計

2.1 滾珠絲杠選型及關鍵參數

本晾衣架總共有三根晾衣橫桿，整個晾衣架的伸縮過程中只有這三根桿在同一水平面移動，其他部分都在做曲線運動。故滾珠絲杠的螺母基座只能與三根橫桿相連接，滾珠絲杠的安裝位置如圖3所示。

圖3 滾珠絲杠安裝位置

本設計采用絲杠與第一根橫桿相連，完全展開絲杠所需行程為220 mm。這里選擇SFU1204型滾珠絲杠，絲杠長度為400 mm，滾珠絲杠具體結構參數如表1所示。

表1 滾珠絲杠結構參數

2.2 齒輪組傳動設計

根據遮蔽裝置的功能要求,兩側各設計有一組齒輪組，分別帶動兩側板的開合。其中一側的齒輪嚙合如圖4所示，齒輪組機構簡圖如圖5所示。側擋雨板以合頁旋轉軸為軸心與平行四桿機構3鉸接,四桿機構中的一桿與Z9相連。當單片機發出信號，遮蔽裝置電機2帶動圓柱齒輪Z10轉動,Z10與Z11嚙合，并將轉速傳動給Z6。Z6一邊通過Z7、Z8帶動Z9運動，同時Z9帶動平行四桿機構3運動，從而實現側擋雨板的開合；另一邊通過Z5、Z4、Z3、Z2帶動Z1轉動，同時Z1帶動鋼絲絞盤1旋轉，此時可以收縮或釋放鋼絲，實現擋雨布的展開和收合。

1-鋼絲絞盤；2-電機；3-四桿機構

根據設計要求,遮蔽裝置電機與Z10相連,這里遮蔽系統電機型號選擇57BYG250B，根據57式步進電機的參數，選擇電機的工作轉速為300 r/min，設計擋雨布完全展開需要滑輪拉動鋼絲繩轉25圈，側擋雨板開閉需要使連接四桿機構的Z9轉1/4圈，為了保證同時達到遮蔽效果，這兩種操作同時完成，并要在5 s內完成。

2.3 平行四桿機構設計

根據設計要求，這里采用平行四桿機構ABCD來帶動側板關閉，其三維示意圖如圖6所示。AB、BC為兩相鄰桿，根據平行四桿機構對稱性，C點和側板轉軸D點組成桿CD，D點和Z9輪心A點組成桿AD，這里不再特意畫出桿件。

平行四桿機構簡圖如圖7所示，桿AD一端與Z9的軸相連，一端與側板的旋轉軸相連，CD桿與側板相連，用來帶動側板的開合。根據齒輪位置和齒輪板的尺寸以及保證四桿機構不與電機和其他部件干涉，故設計AD=BC=50 mm，CD=AB=80 mm。

圖7 平行四桿機構簡圖

3 控制系統設計

3.1 控制系統原理

3.1.1 自動控制原理

天氣晴朗時，光敏傳感器檢測到信號并傳送給單片機，單片機將采集到的信號經過處理反饋給步進電機，由此衣服開始實現自動晾曬。當室外天氣情況不適合晾曬衣物時，各傳感器將信號傳送給單片機，單片機將采集到的信號傳送給滾珠絲杠步進電機，促使電動機反轉，由此遮蔽系統開始工作，從而實現無人控制、自動晾曬衣服的功能。

3.1.2 紅外系統控制原理

紅外遙控模塊采用的裝置是紅外一體接收探頭VS1838B[3]。紅外線接收器接收到來自遙控產生的紅外線信號，單片機接收載波信號并根據設定好的程序對接收到的信號做出響應，控制步進電機的運動，從而用戶可以遙控晾衣架、選擇是否收衣服或者設置衣服晾曬的時間。

3.2 控制系統流程

本控制系統的核心控制元件采用Arduino Mega 2560單片機[4]。傳感器選擇DHT11濕度傳感器、PT100溫度傳感器、光敏傳感器和光電式三杯風力傳感器，分別實現防淋濕、天黑時收衣服、天晴時自動晾曬以及高溫高熱天氣防暴曬和防脫落功能，控制系統工作流程如圖8所示。

圖8 控制系統流程

4 結語

設計的智能晾衣架可以通過傳感器智能檢測天氣變化以此來實現晾衣架自動伸縮以及防雨、防霧、防暴曬、防脫落的功能，不僅能夠解決惡劣天氣下不能及時收衣服的難題，而且成本較低，價格親民，是大部分家庭可以承擔得起的智能家具，因此有一定的應用推廣價值。