基于物聯(lián)網(wǎng)的一站式集成門邊衣物管家設(shè)計

張孟珂，李冰俏，余康喆，許佳路，馬新玲

華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237

新型冠狀病毒肺炎在全球快速蔓延[1]，居民對個人安全防護(hù)愈發(fā)重視[2]。最新研究發(fā)現(xiàn)，新型冠狀病毒在物體表面存活時間較長[3-4]，人與物接觸傳播成為傳播途徑之一[5]。在日常生活中，病毒可存活于衣物和鞋子表面[6]，若不能對其進(jìn)行及時且有效處理，會威脅到居民生命健康安全。

目前市面上的防疫機械，大多為置于醫(yī)院等公共場所的消毒測溫裝置[7-9]，部分為醫(yī)院的導(dǎo)診機器人與配送機器人[10]，極少數(shù)為巡控和遠(yuǎn)程診斷機器人[11]。上述機器均不能用于居民日常生活防護(hù)。因此急需一款裝置，在進(jìn)出家門時，對居民的外衣和鞋子進(jìn)行全方位消毒處理，從而降低病毒通過衣物被帶入家庭的可能性，有效阻斷病毒傳播途徑。

為解決上述問題，本文設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的一站式集成門邊衣物管家，該裝置位于玄關(guān)處。以HMI 智能串口屏為系統(tǒng)控制中心，配合ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片。通過多模塊協(xié)同運作，實現(xiàn)對衣物、鞋子的消毒、除濕，兼具選衣和遞物等功能。做到了多功能全自動一體化，經(jīng)濟(jì)合理，具有一定的實用價值和市場競爭力。

1 設(shè)計概述

圖1 所示為裝置的整體結(jié)構(gòu)。本裝置將玄關(guān)處的鞋柜及掛衣、置物空間有效整合，利用精妙的機械結(jié)構(gòu)，配合準(zhǔn)確的程序控制，實現(xiàn)了對隨身物品和鞋子的智能選擇并遞出、衣物的自動掛取存放以及對裝置內(nèi)部物品的定時消毒除濕。

圖1 系統(tǒng)整體示意

用戶可通過HMI 智能串口屏或手機APP 選擇需要實現(xiàn)的功能，并向Arduino 發(fā)出對應(yīng)的指令。

執(zhí)行取衣指令時，首先，柜門絲桿轉(zhuǎn)動，帶動門板向右側(cè)平行移動，到達(dá)指定位置后絲桿停止轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)柜門的開啟；其次，連接滑塊在掛衣桿平面內(nèi)水平移動，帶動多自由度掛取機構(gòu)至指定位置；接著，雙軸舵機與單軸舵機協(xié)調(diào)配合，將掛鉤上的衣服平穩(wěn)取下；隨后，連接塊帶動掛取機構(gòu)返回初始位置，將取出的衣服運輸至柜門口處；最后，柜門絲桿反轉(zhuǎn)，柜門關(guān)閉。掛衣動作同理。

另外，ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片聯(lián)網(wǎng)，獲取實時天氣狀況，并將數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)內(nèi)置程序中，確定應(yīng)遞出的物品。之后，Arduino 控制遞物柜絲桿正轉(zhuǎn)，對應(yīng)置物平臺升起至取物開口處，絲桿停止轉(zhuǎn)動。用戶取走物品后，遞物柜絲桿反轉(zhuǎn)，平臺復(fù)位。與此同時，遞物柜門下降至指定位置，關(guān)閉取物開口。

鏈輪機構(gòu)帶動鞋盒循環(huán)運動至指定位置，待用戶從取鞋口取出鞋子后，鏈輪機構(gòu)自動復(fù)位。

除濕機構(gòu)中，烘干扇和加熱片配合，從提高空氣流速與溫度2 個方面加快除濕進(jìn)程[12]。消毒機構(gòu)僅在柜門關(guān)閉后方可開啟，從而避免紫外線輻射對人體產(chǎn)生危害。

本裝置利用巧妙的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)機構(gòu)聯(lián)動，有效減少動力源數(shù)量，經(jīng)濟(jì)高效。

2 各模塊單元設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的一站式集成門邊衣物管家可分為四大模塊：柜門模塊、衣櫥模塊、鞋柜模塊和遞物柜模塊。

2.1 柜門模塊設(shè)計

柜門模塊主要完成柜門的開啟與關(guān)閉功能。如圖2 所示，當(dāng)裝置接收到開門指令后，柜門模塊開始運轉(zhuǎn)。開門的具體流程為：上下2 根絲桿通過同步輪和同步帶連接，在步進(jìn)電機的驅(qū)動下同向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使絲桿螺母沿絲桿水平移動，推動連接塊以及所連柜門相應(yīng)移動。步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)指定圈數(shù)后停轉(zhuǎn)，開門結(jié)束。裝置接收到關(guān)門指令后，柜門關(guān)閉，其流程與上述開門流程相同。

圖2 柜門模塊結(jié)構(gòu)

為防止由絲桿不對稱引起的柜門卡死或連接塊損壞，在安裝時要求上下2 根絲桿平行且位于同一豎直平面內(nèi)。同步帶保持張緊，確保傳動的穩(wěn)定性。

2.2 衣櫥模塊設(shè)計

衣櫥模塊主要實現(xiàn)衣服的自動定位存放與取出功能。如圖3 所示，當(dāng)裝置接收到取衣或掛衣指令后，衣櫥模塊開始工作。首先，相互垂直的2 根光桿通過同步帶與同步輪，在2 個步進(jìn)電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，將連接塊與多自由度掛取機構(gòu)移動至所選掛鉤前方。接著，單軸舵機在掛衣桿平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得鉤子與掛鉤平行。之后，Arduino Uno 開發(fā)板控制雙軸舵機轉(zhuǎn)動，帶動U 形支架和鉤子在豎直平面內(nèi)擺動特定角度，實現(xiàn)模擬人手掛取衣物。

圖3 衣櫥模塊結(jié)構(gòu)

掛衣桿設(shè)計成七邊形，七邊形的每個角上增加一個掛鉤，最大程度擴(kuò)大了衣櫥模塊的容量，同時保證了七邊形開環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。基于多邊形掛衣架的設(shè)計，配合內(nèi)置高清攝像頭，可實現(xiàn)衣物顏色的判斷與分類懸掛，防止衣物間相互染色，有效保護(hù)衣物。

衣櫥模塊中掛衣傳動裝置為光桿同步帶傳動，該傳動方式對安裝平行度提出了較高要求。在鋁型材安裝、臥式軸承座固定、同步輪與光桿固定、連接塊光桿配合等多個步驟中產(chǎn)生的累計誤差將影響多自由度掛取機構(gòu)沿光桿運動的流暢性，甚至阻止運動進(jìn)行，造成步進(jìn)電機損壞。為解決此問題，連接塊制作采用光固化3D 打印方式，將制造誤差降到最低；涂抹低速潤滑油降低摩擦因數(shù)，保證機構(gòu)順暢運行。

為保證多自由度掛取機構(gòu)的安全性與運行的穩(wěn)定性，利用ANSYS 軟件對掛取系統(tǒng)進(jìn)行最大變形、應(yīng)力應(yīng)變分析。如圖4 所示，在連接塊下端加載50 N 壓力（大于冬季衣物所能提供的最大壓力），系統(tǒng)整體最大變形為0.00055145 m，位于連接塊與光桿接觸處。此變形數(shù)值較小，對系統(tǒng)運轉(zhuǎn)影響小，因此該結(jié)構(gòu)合理。為提高結(jié)構(gòu)強度，光桿使用材料為45 號鋼。如圖5（a）所示，與上文施加條件相同，光桿所受最大應(yīng)力集中于光桿與同步帶連接件配合處，數(shù)值為103.98 MPa。查表得45 號鋼抗拉強度σb≥600 MPa，條件屈服強度σs≥355 MPa[13]，均大于光軸所受最大應(yīng)力，滿足強度要求。

圖4 多自由度掛衣結(jié)構(gòu)總體變形云圖

圖5 多自由度掛衣結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變云圖

如圖5（b）所示，光桿最大應(yīng)變εmax為5.2884×10-4m/m，也位于光桿的固定點處，此應(yīng)變數(shù)值較小，對結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)影響小，因此該結(jié)構(gòu)合理。

2.3 鞋柜模塊設(shè)計

鞋柜模塊主要完成鞋子的定位循環(huán)傳遞功能。如圖6 所示，當(dāng)裝置接收到選鞋指令后，步進(jìn)電機帶動光桿與鏈輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動鏈條和鞋盒轉(zhuǎn)動。

圖6 鏈輪模塊結(jié)構(gòu)

在運行過程中，為防止鏈輪機構(gòu)卡死，要求裝配時前后4 個鏈輪以及上下2 根光桿互相平行，并要求鏈條張緊，以確保鏈輪和鏈條的內(nèi)嚙合無齒隙。由于鏈輪機構(gòu)慣性較大，帶動該機構(gòu)轉(zhuǎn)動需較大的扭矩，因此，在步進(jìn)電機的選用上，采用了2N·m 的57 步進(jìn)電機以1/16 步進(jìn)模式運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機與聯(lián)軸器、光桿與聯(lián)軸器之間采用過盈配合，并使用專用膠水粘合，以減少相對滑動。

2.4 遞物柜模塊設(shè)計

遞物柜模塊主要實現(xiàn)物品遞出與遞物柜門關(guān)閉功能。如圖7 所示，當(dāng)裝置接收到遞物的指令后，遞物柜模塊開始運轉(zhuǎn)。

圖7 遞物柜模塊結(jié)構(gòu)

首先，ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片聯(lián)網(wǎng)，獲取實時天氣狀況，并將數(shù)據(jù)傳入Arduino 程序中，以判定本次應(yīng)遞出的物品。接著，裝置接收到遞物的指令，遞物柜模塊開始運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機帶動聯(lián)軸器從而帶動絲桿轉(zhuǎn)動，驅(qū)使絲桿螺母豎直上升確定距離，推動與其相連的螺母轉(zhuǎn)換座和置物平臺沿光桿上升，至取物開口處步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)。最后，接收機構(gòu)的壓力傳感器檢測到物品取出后，步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，置物平臺復(fù)位，遞物柜門下降至取物開口處，柜門關(guān)閉，遞物過程結(jié)束。

絲桿在安裝和運動過程中極易發(fā)生彎曲變形，影響傳動靈活性。為保證遞物柜柜門及置物平臺在絲桿轉(zhuǎn)動時運動平穩(wěn)度，防止絲桿發(fā)生彎曲變形，安裝與絲桿平行的光桿，防止運動過程中遞物柜門和置物平臺繞絲桿軸心轉(zhuǎn)動，從而滿足所需功能。

置物平臺與遞物柜門等距安裝，便于實現(xiàn)對其移動距離的精準(zhǔn)傳動。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于受單側(cè)動力源驅(qū)動，從動光桿側(cè)置物平臺運動較絲桿側(cè)慢，且穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生抖動與噪音，加劇絲桿彎曲變形程度，降低絲桿使用壽命。鑒于此，在置物平臺與光桿接觸處嵌入線軸承，可減少兩者間的摩擦，同時降低電機轉(zhuǎn)速，減輕運動滯后現(xiàn)象，有效提高運動平穩(wěn)度。

3 控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3.1 控制系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的一站式集成門邊衣物管家控制流程如圖8 所示。該裝置主要由HMI 智能串口屏、Arduino、各種傳感器檢測裝置、ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片以及電源系統(tǒng)組成。用戶可通過智能串口屏或手機APP 發(fā)送指令，由Arduino 控制裝置各部分的運動以實現(xiàn)所需功能。

圖8 工作流程

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

可通過ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片獲取實時時間和天氣信息，并同步至HMI 智能串口屏。ESP8266聯(lián)網(wǎng)后，與網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (network time protocol，NTP)建立連接，校準(zhǔn)時區(qū)后，獲取實時時間。

獲取實時天氣的具體流程為：ESP8266 建立WiFi 連接后，使用WiFiClient 建立一個TCP 連接，并利用該連接向“心知天氣服務(wù)器”發(fā)送get請求；之后獲取服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)，再利用ArduinoJson 解析返回的數(shù)據(jù)，在HMI 智能串口屏顯示實時溫度和天氣狀況，同時切換該天氣對應(yīng)的圖片。遞物柜模塊會根據(jù)獲取到的實時天氣狀況，遞出相應(yīng)的物品：晴天，遞出墨鏡、口罩；雨天，遞出雨傘、口罩；其他天氣狀況，遞出口罩。

4 結(jié)論

為滿足居家防疫的需求，實現(xiàn)防疫機械功能多樣化，本文設(shè)計了一款多功能模塊化防疫機械—基于物聯(lián)網(wǎng)的一站式集成門邊衣物管家。本設(shè)計具有以下優(yōu)勢：

1）解決了市面上現(xiàn)有的防疫機械所存在的功能單一、操作復(fù)雜等問題，滿足了居家防疫的需求，實現(xiàn)防疫機械功能多樣化。

2）在當(dāng)今智能制造的大背景下，結(jié)合實際情況，實現(xiàn)了對房門內(nèi)部區(qū)域的創(chuàng)新型改造，提高了用戶的生活質(zhì)量。

3）該裝置采用多自由度掛取機構(gòu)模擬人手掛取衣物，平穩(wěn)靈活。

4）設(shè)計七邊形衣架，分類準(zhǔn)確，掛取快捷。

5）巧妙采用鏈輪結(jié)構(gòu)，重新定義鞋柜的存在形式，挑選便利，效率高。

6）利用2 個電機和同步輪的協(xié)作，在減少冗余驅(qū)動部位的同時，實現(xiàn)了多自由度掛取機構(gòu)的精準(zhǔn)定位。

7）利用HMI 顯示屏、手機APP 實現(xiàn)控制，人機交互性友好。

8）應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取實時信息，功能多樣，便利用戶出行。

本裝置通過精巧的機械結(jié)構(gòu)與便捷的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)選衣、掛衣、遞物、選鞋、消毒、除濕功能，完成4 大模塊的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。能夠有效降低病毒傳播風(fēng)險，助力疫情防控，保障用戶生命健康安全，打造溫馨居住環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本裝置在人機交互方面仍有較大潛力，將物聯(lián)網(wǎng)與機械結(jié)構(gòu)完美融合，開拓其應(yīng)用場景，能更好地滿足人們對生活幸福感的追求。