論衣物處理裝置的設計

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整體架構(gòu)設計

該設備由機械分系統(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)同運作，實現(xiàn)了整個運動流程。

1機械系統(tǒng)設計

機械系統(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構(gòu)和一個單繩升降機構(gòu)實現(xiàn)。同步帶傳動機構(gòu)實現(xiàn)衣物在水平平面中的平移運動，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)在該機構(gòu)中裝配有一直流剎車減速電機作為驅(qū)動。單繩升降機構(gòu)可實現(xiàn)衣物和與其相連的同步帶傳動機構(gòu)在豎直方向上的運動，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)在該機構(gòu)中裝配有一直流減速電機。為了避免在靜定狀態(tài)下電機因所提升物體的自重載荷對電機造成的損壞，同時為了防止電機在斷電后由于慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動而導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，即在電動自行車中常用的電磁制動功能［6］。與常用的減速電機相比，剎車減速電機多了一組用于控制電磁鐵制動器的信號線。當該信號線上的電流信號中斷時，制動器自動抱死，使電機立即停止工作，使得輸送裝置在豎直平面上定位準確。衣物折疊裝置位于衣物輸送裝置的一邊，一側(cè)導軌的正下方。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構(gòu)和曲柄導桿機構(gòu)實現(xiàn)。曲柄搖桿機構(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，接收由輸送機構(gòu)傳來的衣物。在該搖桿到達的第2個極限位置時，箱體近似水平，開始疊衣工作。曲柄導桿機構(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軌（如圖4所示），用滑塊將導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構(gòu)，中間有繞線的軸，用線細一端連在衣桿頂端，一端連在繞線軸上。當衣架與箱體接觸時，繞線軸伸出的手柄與箱體上的電機在同一平面內(nèi)。電機帶動繞線軸轉(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150MHz，可以滿足實時控制應用需求。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路電機的驅(qū)動。這8路信號通道控制衣物傳送裝置對負責提升的直流剎車減速電機、負責同步帶轉(zhuǎn)動的直流電機、衣物折疊裝置上裝的負責箱體翻轉(zhuǎn)和薄板翻折的電機和負責中間板開合的電機進行時序控制。同時，在衣物傳輸裝置上裝有一個測距傳感器，便于對衣物在導軌上的位置進行定位。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，使得與之相連的衣架的繞線軸轉(zhuǎn)動。控制系統(tǒng)的流程如圖5所示。具體的步驟如下：當掛有衣物的衣架到達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)向負責箱體翻轉(zhuǎn)的電機輸出電壓信號，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)在導軌上運動，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。電機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)板遠離，斷開行程開關(guān)，箱體側(cè)板上的電機停止工作。在衣物輸送機構(gòu)上的電機再次啟動，使衣架與箱體和衣服完全脫離。同時，負責箱體的電機反轉(zhuǎn)，使箱體回復水平狀態(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，將會導致整個運動循環(huán)無法順利進行。在整個運動循環(huán)中，由于輸送裝置上的同步帶進行的是間歇性的運動，如果同步帶的停止和再啟動時間沒有掌握好，有可能導致衣架沒有進入疊衣區(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，當距離為2.5cm時停止同步帶，能夠達到最好的效果。

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。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人認為手工折疊后的衣物的平整度較好，8人認為機械折疊后衣物的平整度較好。因此，可以認為手工折疊與機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電設備。本研究基于DSP開發(fā)平臺，設計了一種自動收疊衣系統(tǒng)，并進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該設備可以初步代替人工進行收衣疊衣的工作，為服裝處理的自動化和機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進行后續(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：同濟大學中德工程學院）