論衣物處理裝置的設(shè)計

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整體架構(gòu)設(shè)計

該設(shè)備由機(jī)械分系統(tǒng)和電子控制分系統(tǒng)兩大部分組成，并通過這兩個分系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，實現(xiàn)了整個運(yùn)動流程。

1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械系統(tǒng)由衣物輸送裝置、衣物折疊裝置和自動卸衣衣架組成。整體機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建模如圖1所示。衣物輸送裝置如圖2所示，該裝置的輸送功能由一個同步帶傳動機(jī)構(gòu)和一個單繩升降機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。同步帶傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)衣物在水平平面中的平移運(yùn)動，將衣物在水平位置上移動到折疊裝置的工作區(qū)域內(nèi)。系統(tǒng)在該機(jī)構(gòu)中裝配有一直流剎車減速電機(jī)作為驅(qū)動。單繩升降機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)衣物和與其相連的同步帶傳動機(jī)構(gòu)在豎直方向上的運(yùn)動，將衣物在豎直位置上移動到折疊裝置的工作區(qū)域內(nèi)。系統(tǒng)在該機(jī)構(gòu)中裝配有一直流減速電機(jī)。為了避免在靜定狀態(tài)下電機(jī)因所提升物體的自重載荷對電機(jī)造成的損壞，同時為了防止電機(jī)在斷電后由于慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致豎直方向上的定位出現(xiàn)偏差，該裝置選用直流剎車減速電機(jī)，即在電動自行車中常用的電磁制動功能［6］。與常用的減速電機(jī)相比，剎車減速電機(jī)多了一組用于控制電磁鐵制動器的信號線。當(dāng)該信號線上的電流信號中斷時，制動器自動抱死，使電機(jī)立即停止工作，使得輸送裝置在豎直平面上定位準(zhǔn)確。衣物折疊裝置位于衣物輸送裝置的一邊，一側(cè)導(dǎo)軌的正下方。衣物折疊裝置如圖3所示，該裝置的主體部分是一個可以在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的箱體。箱體的上表面由5塊可以繞固定軸旋轉(zhuǎn)的塑料板組成。在箱體的后側(cè)面上有兩個夾子，用來使衣物與衣架脫離并且與薄板緊貼。工作時，衣物位于薄板上。該裝置通過板子的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)衣物的折疊。在折疊完成后，位于中間的兩塊薄板向下旋轉(zhuǎn)，衣物自然落入位于折疊裝置下方的收集裝置中。該裝置的疊衣功能由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了箱體的翻轉(zhuǎn)，搖桿與箱體固定連接，曲柄由直流電機(jī)驅(qū)動。在搖桿的第一個極限位置時，箱體與水平面呈45°夾角，接收由輸送機(jī)構(gòu)傳來的衣物。在該搖桿到達(dá)的第2個極限位置時，箱體近似水平，開始疊衣工作。曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了薄板的翻轉(zhuǎn)。系統(tǒng)在薄板下裝上兩根平行導(dǎo)軌（如圖4所示），用滑塊將導(dǎo)軌與搖桿連接在一起，實現(xiàn)了衣板180°正反翻轉(zhuǎn)。衣架兩桿采用類似天線的伸縮機(jī)構(gòu)，中間有繞線的軸，用線細(xì)一端連在衣桿頂端，一端連在繞線軸上。當(dāng)衣架與箱體接觸時，繞線軸伸出的手柄與箱體上的電機(jī)在同一平面內(nèi)。電機(jī)帶動繞線軸轉(zhuǎn)動，使系在桿件兩端的棉線帶動兩側(cè)衣桿向里收縮，直至橫向長度小于衣領(lǐng)大小，之后衣物傳輸裝置帶動衣架與衣物脫離。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

該裝置使用時序控制與傳感器控制兩種控制相結(jié)合的方式。系統(tǒng)采用DSPC2000嵌入式開發(fā)平臺［7-11］，32位架構(gòu)，主頻高達(dá)150MHz，可以滿足實時控制應(yīng)用需求。該裝置使用的DSP控制系統(tǒng)輸出8路獨立的脈沖寬頻調(diào)制（PWM）信號，可以獨立控制8路電機(jī)的驅(qū)動。這8路信號通道控制衣物傳送裝置對負(fù)責(zé)提升的直流剎車減速電機(jī)、負(fù)責(zé)同步帶轉(zhuǎn)動的直流電機(jī)、衣物折疊裝置上裝的負(fù)責(zé)箱體翻轉(zhuǎn)和薄板翻折的電機(jī)和負(fù)責(zé)中間板開合的電機(jī)進(jìn)行時序控制。同時，在衣物傳輸裝置上裝有一個測距傳感器，便于對衣物在導(dǎo)軌上的位置進(jìn)行定位。在衣物折疊裝置的箱體后側(cè)面上裝有一限位開關(guān)，當(dāng)夾子和箱體接近時，開關(guān)閉合，接通在箱體后側(cè)面的電機(jī)，使得與之相連的衣架的繞線軸轉(zhuǎn)動?？刂葡到y(tǒng)的流程如圖5所示。具體的步驟如下：當(dāng)掛有衣物的衣架到達(dá)與固定在傳輸裝置上的測距傳感器附近一定距離內(nèi)時，傳感器將這一信號傳給DSP。在接收到信號后，DSP在一定時間內(nèi)向負(fù)責(zé)箱體翻轉(zhuǎn)的電機(jī)輸出電壓信號，使箱體由水平位置旋轉(zhuǎn)到與水平面夾角45°的位置。到達(dá)位置后，箱體保持該位置一段時間。與此同時，衣架繼續(xù)在導(dǎo)軌上運(yùn)動，直到衣架與箱體的上邊緣平齊，衣物自然攤在箱體的5塊薄板上。然后，兩個夾子翻轉(zhuǎn)，夾住衣服。在夾衣服的同時，夾子與箱體側(cè)板接近，閉合行程開關(guān)，接通位于箱體側(cè)板上的電機(jī)。電機(jī)帶動與之接觸的繞線軸的轉(zhuǎn)動，使衣架收縮。在一定時間后，夾子松開，與箱體側(cè)板遠(yuǎn)離，斷開行程開關(guān)，箱體側(cè)板上的電機(jī)停止工作。在衣物輸送機(jī)構(gòu)上的電機(jī)再次啟動，使衣架與箱體和衣服完全脫離。同時，負(fù)責(zé)箱體的電機(jī)反轉(zhuǎn)，使箱體回復(fù)水平狀態(tài)。然后，疊衣裝置上的左、右、下板依次翻折，完成折疊動作。最后，分為左、右兩部分的中板向下開啟，衣服自然落入箱體正下方的收集裝置中。

系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

經(jīng)分析，該衣物處理裝置的協(xié)調(diào)控制主要在于輸送裝置和衣架的協(xié)調(diào)控制。這個關(guān)系如果處理不好，將會導(dǎo)致整個運(yùn)動循環(huán)無法順利進(jìn)行。在整個運(yùn)動循環(huán)中，由于輸送裝置上的同步帶進(jìn)行的是間歇性的運(yùn)動，如果同步帶的停止和再啟動時間沒有掌握好，有可能導(dǎo)致衣架沒有進(jìn)入疊衣區(qū)域，或者無法順利實現(xiàn)衣架與衣服的脫離。因此，該協(xié)同控制中必須解決同步帶停止與再啟動2個時間節(jié)點的確定問題。因為與這兩個時刻之間的時間間隔是固定的，研究者只需要準(zhǔn)確地知道同步帶停止的時刻，就可以確定再啟動的時刻。該裝置使用測距傳感器所提供的距離參數(shù)來確定同步帶停止的時間，從而實現(xiàn)協(xié)同控制，傳感器把距離參數(shù)傳給控制器。當(dāng)該參數(shù)小于一固定參數(shù)時，停止同步帶，便可以實現(xiàn)精確控制。實驗結(jié)果證明，當(dāng)距離為2.5cm時停止同步帶，能夠達(dá)到最好的效果。

試驗與分析

本研究的試驗把衣物平整度作為評價疊衣效果的指標(biāo)。本研究把由該裝置處理的衣物與手工處理的衣物各放在一處，請來20位不了解兩組衣物處理過程的參與者，要求他們選出平整度更好的一組衣物。結(jié)果有12人認(rèn)為手工折疊后的衣物的平整度較好，8人認(rèn)為機(jī)械折疊后衣物的平整度較好。因此，可以認(rèn)為手工折疊與機(jī)器折疊的效果基本相同。為了檢驗自動衣物處理裝置的工作效率，本研究進(jìn)行了相關(guān)的試驗。經(jīng)過多次測驗，該裝置完成整個流程用時30s，而疊衣過程僅用時8s。疊衣的效果與人工疊衣的效果相同。

結(jié)束語

自動衣物處理裝置是一個符合市場要求和家居生活的機(jī)電設(shè)備。本研究基于DSP開發(fā)平臺，設(shè)計了一種自動收疊衣系統(tǒng)，并進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該設(shè)備可以初步代替人工進(jìn)行收衣疊衣的工作，為服裝處理的自動化和機(jī)械化提供了一種新的實現(xiàn)方法。目前，該裝置能處理一定尺寸范圍內(nèi)的衣物。在下一階段，本研究將著重提高該裝置的通用性，使其能夠處理尺寸特殊或者樣式特殊的衣物。同時，以提高折疊衣物的平整度為目標(biāo)進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。（本文作者：梁一丁、貴玉歆、趙航、項業(yè)銘、李哲然 單位：同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院）