1、项目背景及意义

随着房价的不断走高，现今人们在购房时，会因为预算的限制而选择“小户型”或者“公寓”，这类经济型住房大多有一个共同的缺点，那就是空间狭小。尤其是逼仄的阳台，为日常的洗衣晾晒带来了诸多不便。再加上国人买房装修有封阳台的习惯，这样一来，留作衣物晾晒的空间将会更少。因此在户外阳台或窗台外增加晾衣架是普遍的做法。
  目前户外阳台晾衣架大多数是在阳台外墙固定搭建支架来安装的，支架上固定的晾衣杆无法自由移动，不仅占用很大的空间，还无法帮助我们及时处理晾晒的衣服。
  为了充分利用空间，晾衣架上往往设置多根晾衣杆，但它们一般是固定的。最外面的一根由于离阳台较远，衣物晾晒和收取极不方便。并且由于放在户外，如果下雨前没有来得及收回衣物，那么好不容易晾干的衣物又会被雨水淋湿，非常令人烦恼。如果在阳台外或窗台外增加雨棚，不仅不美观，由于雨棚是固定的，被雨棚遮挡的衣物也只能吸收斜射进来的部分阳光。
  我们设计的晾衣架即可解决如前所述诸多问题，具有较好的可靠性和较高的实用价值。

2、设计方案

2.1机械驱动与传动部分

传动机构的方案布置有多种选择：如图2所示，雨棚和晾衣杆可分别在上下两层滑道上移动（图中滑道未示出）。衣架和雨棚的驱动机构的结构原理是：皮带通过四个带轮形成一个成直角的闭环。电机正反转带动皮带作往复运动。雨棚由上层皮带带动，晾衣杆由下层皮带带动，以此控制晾衣杆和雨棚的正反向相对伸出和收回；即雨天时雨棚向外拉出，晾衣杆同步向内收回。晴天时，晾衣杆向外伸出，雨棚同步向内收回。驱动机构可以分布在雨棚和晾衣杆的左右两边，通过2台直流电机同步驱动，或通过1台直流电机连接传动轴带动另一边的被动皮带轮机械同步驱动。也可以在中间布置一套传动机构。
  衣钩在晾衣杆的滑道内移动（类似于水平展开窗帘机构）。衣钩驱动的最初方案也是设想利用与晾衣杆和雨棚驱动相同的原理，通过电机带动皮带轮或通过丝杆带动滑块作往复运动来实现。晾衣钩按照一定的间距固定在衣钩连接拉绳上，最外边的衣钩作为受力点。皮带轮或丝杆上的滑块带动最边上的衣钩左右移动，从而使拉绳向外拉紧展开衣钩或在最外面的衣钩带动上使推挤其他衣钩向中间靠拢（此时拉绳放松自然下垂），达到晾晒的衣物沿晾衣杆两边延展开和向中间收拢的效果。

上述方案的缺点是需要多用到一套电机驱动机构，增加了机构和控制的复杂性和成本。通过仔细研究，我们发现，实际上可以利用晾衣杆本身的往复运动来实现衣钩的左右拉动。

对于晾衣钩向外伸展的动力，可以将一根拉绳的一端固定在靠阳台一侧的支撑架上。另一端通过固定在晾衣杆上靠外侧一端的转向轮或转向环与晾衣杆上最后一个衣钩固定。衣钩向中间收缩的动力，可以利用另一根拉绳实现。拉绳一端同样固定在晾衣杆最外端的衣钩上，另一端通过固定在晾衣架中部的滑轮或滑环后固定在支撑架前端横梁的中部。

当晾衣杆从阳台向外推出时，由于伸展拉绳长度不变，伸展拉绳转向环外的部分逐渐变长，转向环在晾衣杆内的部分逐渐缩短，从而拉动与其固连在连接绳上的最外边的衣钩带动其他衣钩向外端展开。

同理，当晾衣杆从阳台外向内运动时，衣钩收缩拉绳拉动最外边的衣钩向中间移动收缩，从而依次带动其他衣钩向中间靠拢。
  这样，我们就可以利用一台电机同步驱动雨棚、晾衣杆和衣钩的所有动作，实现预定功能。即，当电机正传时，晾衣杆推出，雨棚收回，晾衣钩展开，三个动作同步进行。反之亦然。

2.2控制系统方案选择

控制器使用的是Arduino单片机，通过添加一系列的传感器（包括光敏、湿度传感器等）对外界的天气情况进行监控和识别，判断出外界环境是否适合晾晒衣物，而后做出相关的机械操作。系统具有三种控制模式。自动控制、红外遥控和手动按钮控制。智能晾衣架在运行时,各传感器不断检测它运行的工况信息，并将这些信息实时地通过输入接口传送给MCU。MCU接收到这些信息时，根据内部预先编写好的控制程序，进行相应的决策和处理，并通过其输出接口输出控制信号给相应的执行器，执行器接受到控制信号后，执行相应的动作，实现某种预定的功能。除此以外，还通过各类监控传感器只要有一个因为天气原因被触发，就会展开雨棚，将晾晒物收回。

3、方案实施

3.1、晾衣杆与雨棚的驱动方式

晾衣架最初是由一个只有一根输出轴的直流减速电机驱动皮带轮。同步带轮直接固定在输出轴上，同步带轮位于晾衣杆中点线上。
  实物模型制作出来后，在驱动晾衣杆与雨棚杆运动时，晾衣杆很容易发生歪斜，进而卡住不能被拉动。经过我们的分析，晾衣杆会发生自锁现象是因为晾衣杆左右两端滑块在滑动时左右阻力不可能时时刻刻都相同，两端滑块不能同步运动，从而导致晾衣杆杆件歪斜，在皮带牵引力的作用下，由于杠杆原理，滑块与轨道之间的正压力急剧上升，晾衣架就会被卡住（自锁）。同时，晾衣杆又长，晾衣杆两端的滑块又不够宽，这进一步增加了晾衣杆发生自锁的概率。经过我们的实验，如果采用单侧传动或中央传动的话，在晾衣杆移动过程中，由于种种因素，晾衣杆很容易出现小幅歪斜，出现轻微自锁现象，自锁现象的出现导致这种小幅歪斜更加容易演化为大幅歪斜，进而导致更为严重的自锁，从而使晾衣杆彻底卡死。
  发现这个现象后，我们对它进行了理论分析。为解决这个问题，我们提出了三种解决问题的思路：
  第一种 将滑块改为带凹槽的滚轮，增大滚轮凹槽与滑道之间的间隙，避免卡阻。方案实施过程中发现，为使滚轮不脱出滑道和跑偏，滚轮上面需要增加一根固定滑道，这样同样存在跑偏后的卡阻现象。
  第二种 把之前的中央传动改为两侧传动，我们首先将电机和同步带轮机构的位置由中央改为靠近轨道的两侧，以期解决杆件歪斜的问题。经过实验，我们发现虽然我们使用的是两台规格相同的电机，由于种种复杂原因，杆件仍然有可能会发生歪斜。
  第三种 一个电机置于中间不变。通过减速电机的输出轴两边的长轴分别驱动两边的两根皮带实现机械同步。最后确定的是第三种方案，一台电机通过两端的传动轴连接进行机械同步，解决了这个难题。

3.2、衣钩收展机构
  衣钩在晾衣杆的滑道内移动（类似于窗帘挂钩）。驱动衣钩的最初方案也是利用驱动晾衣杆和雨棚的原理，通过电机带动皮带轮或通过丝杆带动滑块作往复运动来实现。后来按照2.1所叙述的改进方案实施。晾衣钩按照一定的间距固定在衣钩连接拉绳上，最外边的衣钩作为受力点。从而使晾固定于靠阳台两侧的拉绳向外拉紧展开衣钩和固定于外面横梁中部的绳带动晾衣杆上最外侧的衣钩推挤其他衣钩向中间靠拢，达到晾晒的衣物沿晾衣杆两边延展开和向中间收拢的效果。

3.3、框架设计

1. 在设计过程中，我们发现在使用的过程中，皮带在不断的进行收缩，时间久了就会产生不可逆的弹性形变，导致降低生产效率。我们第一时间想到了传送带前端的伸长装置，考虑是否能够将这个装置安装到我们的皮带上来。在实际建模中发现由于晾衣架前端是伸出窗外，离窗口过远有严重的安全问题，所以前端安装伸缩装置只能放弃。在老师的指导下，我们团队想到可以在窗口处的齿轮装置两侧加装U型板，U型板与底部的板件通过滑轨连接，同时在U型板的背部钻孔用螺钉连接至板件，控制U型板的前后移动，板件同时与右侧的固定杆相连实现固定。

2.  在设计的过程中，我们团队发现装置的下部其实是中空的，假如衣物不慎掉落，将其捡回是一件极其麻烦的事情，所以我们就在装置的下部连接一个板，将其用螺丝拧紧。它不仅可以防止衣物掉落，更是在狭小的住宅空间内拓展了一块小型阳台，增加了房屋的使用面积。

4、创新点及应用

4.1创新点

1. 不同于传统的带有雨棚的固定式晾衣架，晾衣杆和雨棚均为活动式，可根据天气收回或伸出，防止晒干的衣服被与淋湿。

2. 我们用极为简便的机构实现了晾衣钩在晾衣杆上向中中央收拢和向两边等距展开的复杂运动，同时衣钩的间距可事先设定，这解决传动晾衣杆需要用衣架夹住防止被风力推挤成一堆，影响晾晒效果的问题，同时集中在晾衣杆中间的衣物也方便人员收放衣物。

3. 在传感器系统的作用下，晾衣架具备感知天气情况的能力

4. 主要采用标准件和通用零件，结构简单，机构巧妙，仅仅使用一台电机驱动可以实现晾衣杆、衣钩、雨棚的同步动作。

5. 带轮加装一个张紧轮设计，皮带松动时可以将松动的皮带重新拉进，提高使用率。

4.2应用

本产品应用广泛。虽然目前国内房地产设计风格并不统一，（例如万科的很多楼盘根本就没有设计阳台），但只要在其中的一个阳台或窗沿设置位点，就可以安装我们的衣架，就像安装空调外机一样简单易实现。此外也适用于庭院和楼顶露台的固定安装和可移动放置（如无交流电，可配蓄电池使用）。其成本低廉，是寻常家庭都可以承受得起的。这样看来，它的使用范围很广，不限房型也不限用户的经济条件。