一种具有自动遮蔽功能的室外智能晾衣架设计*

袁雨凡，高 朋，梅 杰，王 明，冯亚丹

(九江学院 机械与智能制造学院，江西 九江 332005)

0 引言

目前人们所使用的室外晾衣架多数为不能随外界环境变化而自动收缩的传统类型衣架，在下雨、下雾、阴天、夜晚、大风或者高温高热天气晾衣架没有使晾晒在室外的衣物避雨、避露水、防暴晒及防脱落的功能[1]，且国内对室外智能晾衣架智能防雨、防潮湿、防暴晒和防脱落的遮蔽系统研究较少。鉴于此，本文对室外智能晾衣架开展研究，将智能晾衣架及遮蔽系统很好地结合到一起，达到智能晾晒衣物的目的。

1 智能晾衣架整体结构设计

1.1 晾衣架的整体结构及功能

本文设计的晾衣架三维模型如图1所示，由传统手动伸缩架1、挡雨架2、挡雨布3、防雨桶4、遮蔽系统电机5、滚珠丝杠6、平行四杆机构7、齿轮组8、侧板9和滚珠丝杠电机10等组成。遮蔽系统由正面的弧形挡雨布以及两侧与挡雨架轮廓相吻合的侧板所组成，遮蔽系统运行时可以实现有效的防雨、防雾、防风、防脱落和防暴晒的功能。根据智能晾衣架的功能要求，为了在下雨、下雾、风力过大或者高温高热天气时衣物能够自动收回并且遮蔽系统开始运行，本设计选用了温度传感器、湿度传感器、光敏传感器和风速传感器。当天气发生变化时，温度传感器、湿度传感器、风速传感器或光敏传感器[2]感应并触发产生信号，经单片机转换使滚珠丝杠电机10运转，丝杠拉动伸缩架收回。伸缩架收回后，遮蔽系统电机5运转，随后经齿轮组和平行四杆机构传动，钢丝绳运转，拉动挡雨布，使挡雨布展开，同时两侧板关闭，以此实现遮挡雨水和防止大风情况下衣物脱落的作用。当天气晴朗或风变小时，各传感器发出信号，单片机接收信号使各电机反转，挡雨布在防雨桶里的发条弹簧作用力下自动收回。此时，两侧板打开，随后丝杠带动伸缩架展开，衣物重新恢复晾晒状态。

1-伸缩架；2-挡雨架；3-挡雨布；4-防雨桶；5-遮蔽系统电机；6-滚珠丝杠；7-平行四杆机构；8-齿轮组；9-侧板；10-滚珠丝杠电机

本设计的晾衣架为三横杆晾衣架，即有三根晾晒衣物的横杆，横杆选用电泳铝合金材质，滑槽是半层金属材料直接开槽，然后利用销钉滑动。采用上述的结构设计，本产品至少可以承受100 kg的重物，对于一款晾衣架来说可远远满足用户的需要。

1.2 遮蔽装置设计

图2为遮蔽装置合上的效果，两侧挡雨架1采用了弧形圆管设计，管壁厚为1.8 mm、直径为20 mm。遮蔽系统分为前遮蔽系统(即挡雨布2)和侧遮蔽系统(即侧板3)，挡雨布卷在防雨桶内，并分别与钢丝绳5和发条弹簧4相连。当遮蔽系统电机接收信号正转时，钢丝绳沿着绞盘6收缩，同时拉动挡雨布展开，挡住雨水；当遮蔽系统电机接收信号反转时，钢丝绳松开，在发条弹簧的作用下拉动挡雨布收回。

1-挡雨架；2-挡雨布；3-侧板；4-发条弹簧；5-钢丝绳；6-绞盘

两侧安装与挡雨架相配对的铝板，当挡雨布顺着钢丝绳合上时，遮蔽系统电机带动两侧板关闭，达到全方位的挡雨效果，从而保护衣物。

2 智能晾衣架主要传动装置设计

2.1 滚珠丝杠选型及关键参数

本晾衣架总共有三根晾衣横杆，整个晾衣架的伸缩过程中只有这三根杆在同一水平面移动，其他部分都在做曲线运动。故滚珠丝杠的螺母基座只能与三根横杆相连接，滚珠丝杠的安装位置如图3所示。

图3 滚珠丝杠安装位置

本设计采用丝杠与第一根横杆相连，完全展开丝杠所需行程为220 mm。这里选择SFU1204型滚珠丝杠，丝杠长度为400 mm，滚珠丝杠具体结构参数如表1所示。

表1 滚珠丝杠结构参数

2.2 齿轮组传动设计

根据遮蔽装置的功能要求,两侧各设计有一组齿轮组，分别带动两侧板的开合。其中一侧的齿轮啮合如图4所示，齿轮组机构简图如图5所示。侧挡雨板以合页旋转轴为轴心与平行四杆机构3铰接,四杆机构中的一杆与Z9相连。当单片机发出信号，遮蔽装置电机2带动圆柱齿轮Z10转动,Z10与Z11啮合，并将转速传动给Z6。Z6一边通过Z7、Z8带动Z9运动，同时Z9带动平行四杆机构3运动，从而实现侧挡雨板的开合；另一边通过Z5、Z4、Z3、Z2带动Z1转动，同时Z1带动钢丝绞盘1旋转，此时可以收缩或释放钢丝，实现挡雨布的展开和收合。

1-钢丝绞盘；2-电机；3-四杆机构

根据设计要求,遮蔽装置电机与Z10相连,这里遮蔽系统电机型号选择57BYG250B，根据57式步进电机的参数，选择电机的工作转速为300 r/min，设计挡雨布完全展开需要滑轮拉动钢丝绳转25圈，侧挡雨板开闭需要使连接四杆机构的Z9转1/4圈，为了保证同时达到遮蔽效果，这两种操作同时完成，并要在5 s内完成。

2.3 平行四杆机构设计

根据设计要求，这里采用平行四杆机构ABCD来带动侧板关闭，其三维示意图如图6所示。AB、BC为两相邻杆，根据平行四杆机构对称性，C点和侧板转轴D点组成杆CD，D点和Z9轮心A点组成杆AD，这里不再特意画出杆件。

平行四杆机构简图如图7所示，杆AD一端与Z9的轴相连，一端与侧板的旋转轴相连，CD杆与侧板相连，用来带动侧板的开合。根据齿轮位置和齿轮板的尺寸以及保证四杆机构不与电机和其他部件干涉，故设计AD=BC=50 mm，CD=AB=80 mm。

图7 平行四杆机构简图

3 控制系统设计

3.1 控制系统原理

3.1.1 自动控制原理

天气晴朗时，光敏传感器检测到信号并传送给单片机，单片机将采集到的信号经过处理反馈给步进电机，由此衣服开始实现自动晾晒。当室外天气情况不适合晾晒衣物时，各传感器将信号传送给单片机，单片机将采集到的信号传送给滚珠丝杠步进电机，促使电动机反转，由此遮蔽系统开始工作，从而实现无人控制、自动晾晒衣服的功能。

3.1.2 红外系统控制原理

红外遥控模块采用的装置是红外一体接收探头VS1838B[3]。红外线接收器接收到来自遥控产生的红外线信号，单片机接收载波信号并根据设定好的程序对接收到的信号做出响应，控制步进电机的运动，从而用户可以遥控晾衣架、选择是否收衣服或者设置衣服晾晒的时间。

3.2 控制系统流程

本控制系统的核心控制元件采用Arduino Mega 2560单片机[4]。传感器选择DHT11湿度传感器、PT100温度传感器、光敏传感器和光电式三杯风力传感器，分别实现防淋湿、天黑时收衣服、天晴时自动晾晒以及高温高热天气防暴晒和防脱落功能，控制系统工作流程如图8所示。

图8 控制系统流程

4 结语

设计的智能晾衣架可以通过传感器智能检测天气变化以此来实现晾衣架自动伸缩以及防雨、防雾、防暴晒、防脱落的功能，不仅能够解决恶劣天气下不能及时收衣服的难题，而且成本较低，价格亲民，是大部分家庭可以承担得起的智能家具，因此有一定的应用推广价值。