智能衣物護理機系統集成及關鍵技術研究與應用

陳勇 翟啟基 胡麗娟 吳輝

1. 合肥榮事達電子電器集團有限公司 安徽合肥 231131；

2. 合肥品冠科技有限公司 安徽合肥 231131

0 引言

“后洗衣時代”人們對衣物清潔類家電的關注點從“洗好衣”轉向“護好衣”，但衣服的打理存在很多“痛點”和“難點”：手工熨燙不便且損傷面料、干洗店送洗、打理麻煩......這些都成為當下人民日益增長的美好生活需要和不平衡發展之間的矛盾。智能衣物護理機在這種情況下應運而生，它是解決人們衣物除皺“痛點”的一種新興電器產品，有效解決了傳統手工熨燙不便、熨燙效率低、功能單一、占用房屋空間等多種問題，是“后洗衣時代”與“衣”相關的代表性產品，正越來越受到人們的喜愛，市場前景無限。

衣物護理機是新興家電產品，目前處于市場培育階段，產品形態及關鍵技術比較單一，成本較高。本文從系統集成的角度對衣物護理機進行分析，總結出衣物護理機的基礎功能和基礎組成部分，就關鍵的除皺功能總結出5種技術方法，并對其中2種進行了具體設計、開發和最終性能測試驗證，從而為推動衣物護理機產業的發展提供了參考和借鑒。

1 系統集成主要方法

1.1 產品系統集成定義

系統集成通常指的是為完成系統建設所采取的方法，常常用在大型工程或場景上，如公共建筑的信息化實施、大型裝備的研發制造、智能家居場景實施等。系統集成時，常常采用“分解法”和“模塊化”的方法，先將系統分解成若干子系統或模塊，通過分布實施后再集成在一起。單個智能家電產品相較于大型工程、裝備或場景體積小、結構簡單，但仍然可以采用系統集成的思路完成開發，尤其對于新興智能家電產品的研制與開發，通過系統集成方法能快速形成產品。

1.2 智能家電產品的系統集成思路

智能家電產品屬性集中在智能與功能實現，與電路、結構、網絡、控制等緊密相關，可以采取集成路徑完成開發。集成的前提是確定產品和技術的發展方向。在做好市場分析、產品規劃和用戶“畫像”分析的前提下，基于現有產品和技術的“比較法”是實現產品和技術解決的關鍵方法之一，即通過現有產品和技術的信息采集、分析和比較，找出現有產品和技術存在的問題，在此基礎上進行優化分析，以快速找到產品和技術的發展方向。現有產品和技術的“比較”方向按重要程度排序為：安全、功能、性能、經濟、人機協調、造型、色彩、材質。確定完產品和技術的總體方向后依次在功能、性能等方面進行詳細開發。產品功能的詳細開發主要基于“模塊化”思想的“自頂向下分解”原則，即圍繞產品的功能實現將系統劃分為若干子功能系統，每個子功能系統對應相應的技術或零部件。每個子系統在功能上可能彼此孤立，也可能相互協同，通過方法的不斷優化得到最終產品。

2 智能衣物護理機系統集成研究

2.1 傳統人工熨燙除皺分析

傳統人工熨燙有“平燙”和“掛燙”兩種方式，都需要借助外力與蒸汽的雙重作用對衣物實現接觸式熨燙除皺。“平燙”除皺由于支撐衣物的平板在水平方向尺寸較大，會占據較多家居空間，但由于在衣物上垂直施力，除皺效果較佳；“掛燙”除皺為立式操作，一定程度上節約了空間，但由于施力相對于“平燙”較小，除皺效果不及前者。此外，兩種傳統人工熨燙除皺方式均存在開放式蒸汽外溢傷人，以及手工操作不便等問題。

2.2 智能衣物護理機系統集成考慮因素

智能衣物護理機解決傳統手工熨燙所存在的問題是基于“點對點”的分析，即熨燙方式上采取“一鍵”智能的模式以代替人工操作，提高人們操作的便捷性；在熨燙效率提升方面采取一次性2件或以上衣服的熨燙，優于人工一次1件衣服的熨燙；在安全方面通過密閉式腔體防止高溫蒸汽外泄噴濺，保障熨燙過程安全；在空間利用率方面采用“立燙”方式，空間利用率優于傳統的人工“平燙”方式。因此，智能衣物護理機系統集成考慮的主要因素為：功能完整性、性能先進性、使用安全性、運行經濟性及人機協調性。如表1所示為智能衣物護理機主要因素分析表，主要指標中的“*”代表其重要等級程度，“***”為最高等級，往下等級依次類推。

表1 智能衣物護理機主要因素分析

3 智能衣物護理機關鍵因素研究

3.1 智能衣物護理機除皺原理分析

智能衣物護理機技術關鍵因素應圍繞達到較好的“除皺”效果進行分析。衣服褶皺去除的傳統人工方式為蒸汽熨燙，即滿足高溫蒸汽與對衣服施加的按壓滑動力同時作用于衣服，從而達到效果。高溫蒸汽能“軟化”衣服纖維，因此，智能衣物護理機仍然采用“熱力+外力”的除皺方式。熱力來自于水路系統與加熱系統的共同作用，加熱系統將液態水加熱成水蒸氣，分布在衣物護理機腔體內，對衣物纖維進行軟化，常見的發熱系統有物理加熱和化學加熱兩種方式，而物理加熱包括電熱、光熱、燃熱等加熱方式，由于化學加熱方式應用于家電產品上其穩定性及安全性不足，故采用物理加熱的方式。

3.2 衣服除皺關鍵因素分析

外力的產生是衣服除皺的關鍵因素，也是衣物護理機的重要技術指標。外力發生裝置須考慮多重因素：首先，外力發生裝置應與衣物護理機有效融合，形成一體化的、美觀的整體，而衣物護理機也應與家居環境有效融合，確保家居空間的合理利用；其次，外力應能有效作用于衣服，以起到較好的除皺效果。外力的產生分為非接觸式、接觸式和混合式三種形式，其中，非接觸式分為振動及鼓風兩種形式，振動式即通過凸輪機構或其他往復擺動機構等結構形成一定頻率的往復擺動，通過擺動使衣服進行“抖動”，再在高溫蒸汽的“軟化”作用下對衣服進行除皺；鼓風式是通過風機對衣服的大力吹動達到除皺的效果。接觸式則將衣服固定在衣物護理機內，通過熨頭的往復式運動達到除皺的效果。混合式則兼具非接觸式與接觸式兩種形式，通過將衣服固定在衣物護理機內，以振動或鼓風兩種形式達到除皺的效果。

通過組合能形成如下五種典型的除皺模式：如圖1所示，a)為非接觸懸掛振動式，衣物護理機頂部設置往復擺動機構，其與機內的懸架相連，懸架上固定衣服，通過機構一定頻率的往復擺動能實現高溫蒸汽下的除皺；b)為非接觸懸掛鼓風式，在機內頂、底部設置鼓風機，衣服固定在機頂的懸架上，通過風力的作用實現高溫蒸汽下的除皺；c)為非接觸固定振動式，將衣服各角通過夾持機構固定在機內各點，通過往復擺動機構一定頻率的振動并結合高溫蒸汽的作用實現除皺；d)為非接觸固定鼓風式，將衣服各角通過夾持機構固定在機內各點，通過頂、底部鼓風機的鼓風作用并結合高溫蒸汽的作用實現除皺；e)為接觸固定式，將衣服各角通過夾持機構固定在機內各點，通過傳動機構使熨頭接觸衣服做上下、左右往復運動，并結合高溫蒸汽實現除皺。

3.3 衣服除皺控制方法分析

衣服實現智能化操作關鍵在于兩點，均與模式識別有關：一是衣服面料的識別，不同面料的衣服其除皺方式不一樣，如棉纖類相較于化纖類要求更高，而羊絨、羊毛類則相較于棉纖類要求更高，不同纖維、面料的衣服，其護理模式不一樣，否則易對衣服造成不可逆的損傷。因此，通過對衣服面料進行識別，選取相對應的護理模式，能延長衣服壽命。常用的衣服識別采用程序預設定、人工操作的方式，比較先進的方式為通過模式識別進行智能化設定，此種方法需在機內設置紅外光譜相機；二是機內溫度、濕度、蒸汽量及外力狀況（接觸式反映為中頻振動頻次或風力）的均衡調控，通過在機內各關鍵點布置溫、濕度傳感器，并對電機轉速進行監測（非接觸振動式）或對風機轉速、風量大小進行監測（非接觸鼓風式），構建溫度-濕度-蒸汽量-外力的閉環監測模型，采用PID或其他算法對機內的環境進行自適應調控，確保不同面料的衣服采用相適宜的護理模式（環境），從而實現柔性護理。

3.4 衣服除皺驗證

針對3.2節中的5種除皺模式，本文選取了非接觸懸掛振動式和非接觸懸掛鼓風式兩種模式進行分析和驗證。根據大部分衣服所適應的環境，以及對除菌、除螨的溫度要求，設定機內溫度在（56～80）℃，蒸汽濕度在（70～80）%。

3.4.1 非接觸懸掛振動式

可采用凸輪機構，電機直聯凸輪使從動件做往復運動，從動件通過剛性連接懸架系統帶動衣服做高頻往復擺動，在高溫蒸汽的作用下達到除皺效果。通過給定電機（凸輪）的初速度、凸輪轉角范圍，確定從動件運動行程（范圍）；從節能的角度考慮，設定振動時間為（10～20）min，圖2 a)為非接觸懸掛振動式樣圖。根據QB/T 5661-2021《衣物護理機》標準中除皺測試方法驗證，選定標準負載布，根據標準附錄A中的測試方法，通過對除皺前和除皺后折痕的計數，兩者的差值再與除皺前的折痕數比值的平均值（測算3次）為92.7%，達到除皺等級Ⅰ，達到了標準規定的最高要求，測試前后對比如圖2 b)、圖2 c)所示；通過對比圖看出，采用非接觸懸掛振動式除皺效果較好，系統集成及除皺關鍵技術分析達到了預期的效果。

圖2 非接觸懸掛振動式衣物護理機除皺結構及試驗驗證

3.4.2 非接觸懸掛鼓風式

如圖3所示，非接觸懸掛鼓風式依靠上下兩個風機通過鼓風的形式“推動”衣服在高溫蒸汽的作用下達到除皺的效果。懸架系統即為定制化衣架，衣架與機內頂部固定過渡連接件形成互聯互通的風道系統，風機送風時通過兩者之間相通的風口及風道形成閉環流動，極大地提升了風效，保證了較好的除皺效果。圖3 a)為非接觸懸掛鼓風式三維立體剖面圖，給出了上、下風機的設置位置及出風口位置；圖3 b)為非接觸懸掛鼓風式整機實體局部圖。根據QB/T 5661-2021《衣物護理機》標準中除皺測試方法驗證，選定標準負載布，根據標準附錄A中的測試方法，通過對除皺前和除皺后折痕的計數，兩者的差值再與除皺前的折痕數比值的平均值（測算3次）為93.2%，達到除皺等級Ⅰ，達到了標準規定的最高要求，測試前后對比如圖3 c)、圖3 d) 所示；通過對比圖看出，采用非接觸懸掛鼓風式除皺效果較好，系統集成及除皺關鍵技術分析取得了預期的效果。

圖3 非接觸懸掛鼓風式衣物護理機除皺結構及試驗驗證

4 結論

本文結合衣物護理機的需求進行了產品及技術實現的探索，借鑒集成化思想理念，采用“化整為零”的思想，將產品進行模塊化“拆解”，并找出各子系統之間彼此相關聯之處，從而建立了從需求拉動到功能分析再到模塊分解的技術路徑；同時在技術實現過程中圍繞關鍵除皺技術建立了5種技術模式。為驗證方法路徑的科學性與準確性，從5種除皺技術模式中選取了非接觸懸掛振動式和非接觸懸掛鼓風式2種模式進行開發及試驗驗證分析。試驗結果證明：2種除皺模式得到的除皺率幾乎接近，除皺效果達到標準規定的最高要求，總結出的關鍵技術模式是可行的、合理的，從而證明了本次系統集成的技術路徑是正確的，可為后續衣物護理機的發展提供借鑒和參考。