一种便捷式电动伸缩晾衣架的设计

杨颂颂张海燕陈阳金凡迪王程炀毛家军

（宁波工程学院 机械工程学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

晾衣架是人们日常生活的必需品，通常可分为手动和电动。[1]手动晾衣架较为普及，为目前市场的主导产品，但晾晒衣物较为费力，对于老年人来说，尤为不方便；电动晾衣架由于价格高和技术还不完善等因素未能得到推广。目前，在国内一线城市，电动晾衣架的市场占有率仅有10%左右。[2]但随着人们物质水平的提高，电动智能化将是晾衣架未来的发展趋势。[3-5]图1为当前市场上在售的主流型智能电动晾衣架的结构示意图，其采用双杆式结构，安装时需要将主机固定在阳台内顶部，通过钢丝和滑轮机构实现晾衣架在垂直方向上的升降。因此，用户只能在户内晾晒衣物，不可以横向伸展至窗外，功能单一，衣物的干燥和除菌均不能达到理想状态。另外，这种双杆式智能电动晾衣架的主机长度大于1 000 mm，而整机长度大于1 300 mm，因此，该产品在安装和使用时对空间尺寸是有一定要求的，限制了其在小型阳台上的应用。[6]

图1 市场上主流型智能电动晾衣架的结构示意图

为了满足人们日常生活中晾晒衣物时可进行户内、户外不同需求的选择，以及更好地满足小型阳台的使用需求，本文综合应用菱形连杆机构和齿轮齿条机构，并通过机电一体化创新设计了一款便捷式电动伸缩晾衣架。同时，基于Arduino平台，实现了晾衣架的所有操作均可通过红外远程遥控，不但可以实现晾衣架的上下升降，同时还可以实现智能晾晒，在户内、户外模式之间灵活切换，最大限度让衣物得到阳光的照晒，解决了市面上电动晾衣架只能户内晾晒的弊端。

1 机械系统

图2为便捷式电动伸缩晾衣架的结构示意图。由图2可知，本设计中采用的齿轮电机和推杆电机，其中齿轮电机控制晾衣架上下升降，推杆电机控制连杆机构的伸缩。表1呈现的为晾衣架的主要性能参数。由图2和表1可知，本晾衣架在连杆机构收缩折叠时的长度、宽度和高度分别为460、800和790 mm，其安装时只需将支座顶部用螺钉固定在阳台顶部。因此，其安装时占用体积更小，更能满足小型阳台的使用需求。此外，该晾衣架在垂直方向上的升降高度最大为500 mm，这样用户晾晒衣物时可以不使用晾衣叉；且连杆机构在横向的伸展距离最大为1 000 mm，因此，用户可以根据晾衣需求来选择户内或者户外晾晒衣服。

图2 便携式电动伸缩晾衣架的结构示意图

表1 便捷式电动伸缩晾衣杆的性能指标

1.1 齿轮电机

齿轮电机通过花键与圆柱齿轮连接，工作时齿轮电机接220 V交流电源，齿轮电机驱动圆柱齿轮做旋转运动。在选择齿轮电机时，以表1中晾衣架的最大承重30 kg为主要依据，电机的转矩M可以由公式（1）进行估算[7]：

式中P为电机的功率（W），n为电机的转速（r/min）。综合考虑经济性和晾晒效率，本文选择了性价比较高的70KTYZ交流电机为齿轮电机，该电机的功率为40 W，转速为10 r/min，可以正反旋转，平均力矩为34 kgf·cm，最大力矩为45 kgf·cm。

为了与所选电机配合，实现电机的高效传动，本文设计的圆柱齿轮的齿数为20，模数为1，这样就可以保证电机的承重力在34～45 kg的力之间，大于晾衣架要求的30 kg最大承重。

1.2 齿轮齿条机构

图3为齿轮齿条机构的连接示意图。由图3可知，齿轮电机与圆柱齿轮通过花键连接，齿轮电机通过螺钉固定在齿轮固定板上，再通过螺钉固定在底座背板上；而底座内安装有一组T型滑轨；直齿条以及上下限位开关通过螺钉固定在齿条固定板上，再通过螺钉固定在滑轨连接板上，滑轨连接板用螺钉固定在滑轨上。因此，晾晒衣物时按下下降开关，圆柱齿轮在齿轮电机的驱动下旋转，进而使得直齿条向下直线运动，实现晾衣架地自动下降，当圆柱齿轮触碰到上限位开关时，齿轮电机停止运转，晾衣架保持在方便挂晾衣服的高度；当把衣物挂好在挂衣扇叶后，按下上升开关，圆柱齿轮在电机的反向驱动下反向旋转，进而使得直齿条向上直线运动，实现晾衣架地自动上升，当圆柱齿轮触碰到下限位开关时，齿轮电机停止运转，晾衣架保持最大上升极限高度。

图3 齿轮齿条机构的连接示意图

1.3 推杆电机

推杆电机又称直线驱动器，主要由电机、减速齿轮、推杆和控制装置等组成，在一定行程范围内作往返直线运动，本设计将推杆电机与菱形连杆机构通过销钉连接（图2），用推杆电机驱动菱形连杆机构的伸展与收缩，从而实现晾衣架的展开与折叠。根据表1中晾衣架的最大承重量30 kg和晾衣架自重7.5 kg，并综合考虑经济性和晾衣效率，选择了24 V的直流推杆电机，功率为20～30 W，最大拉力为500 N（相当于50 kg的力），空载速度为20 mm/s。

1.4 菱形连杆机构

由图2可知，菱形连杆机构由长杆和短杆通过螺钉连接。推杆电机与连杆机构通过销钉连接，销钉在行程槽内可以上下运动，行程槽用螺钉固定在滑轨连接板上，而推杆电机以及限位开关用螺钉固定在滑轨连接板上。通过菱形连杆机构的伸展和收缩可以实现晾衣架在横向的展开和折叠。图4为菱形连杆机构的实物图，其中挂衣扇叶通过螺钉连接在连杆机构上，每片挂衣扇叶都有挂衣架的固定孔洞，这样可以有效地避免晾晒衣物时由于风大使得衣物被吹落掉地。

图4 菱形连杆机构的实物图

2 控制系统

在设计晾衣架控制系统时基于Arduino平台进行开发，采用Arduino控制器通过外接按键模块、齿轮电机驱动模块和推杆电机驱动模块，实现晾衣架自动升降和连杆机构自动伸缩的红外远程控制。图5为控制系统示意图，其中电源模块用于Arduino控制器、齿轮电机和推杆电机的供电。由图5可知，控制系统中Arduino控制器为核心，负责处理输入和输出的数据。按键模块用于向Arduino控制器输入控制指令，包括晾衣架的升降和连杆机构的伸缩。齿轮电机驱动模块用于齿轮电机的驱动，包括正向转动和反向转动，分别控制晾衣架的下降和上升。推杆电机驱动模块用于推杆电机的驱动，包括推杆的上升和下降，分别控制晾衣架连杆机构的伸展和收缩。因此，本文在控制系统中采用了4个开关分别控制齿轮电机的正向转动、反向转动和推杆电机中推杆的上升与下降。

图5 控制系统示意图

图6为按键模块电路示意图。由图6可知，4个控制按键开关相互独立，其中按键开关没按下时输入到Arduino控制器引脚上的电平为高电平，但当某一个按键被按下后，其输入到相应引脚上的电平变为低电平。因此，Ardunio控制器通过检测各引脚电平的变化就可以确定被按下的控制按键开关是哪个，从而在对应的输出引脚端输出高电平控制晾衣架的升降和伸缩。此外，按键开关的控制都可以采用红外远程控制，这样可以实现无线化控制，方便用户使用。

图6 按键模块电路示意图

3 结论

本文基于机电一体化设计和Arduino平台，应用齿轮齿条机构和菱形连杆机结构创新设计了一款单杆式的便捷电动伸缩晾衣架，同时晾衣架的所有操作均可采用红外远程遥控。本款晾衣架不但可以自动上下升降，还可以自动实现横向伸缩，满足用户对于户内或户外晾晒模式的选择，使得晾晒衣服更加省力，让衣物充分得到阳光的照晒。此外，本文设计的晾衣架安装时占用体积更小，更能适用于小型阳台。