叠衣机设计

1. 问题描述

折叠衣服是人们的日常事务。为了减少劳动力，节省劳动时间，设计出能够自动折叠衣服的机器对提高人们的日常生活质量及减少人们劳累具有重大意义。

参考日常叠衣服的动作过程，一件衣服的折叠可简单分解成先折叠左侧衣边，再折叠右侧衣边，最后再将上下部对折起来，这样一件衣物就简单地折叠完成了。要设计一台叠衣机，需考虑使用何种机构来实现上述的动作。

2. 基于基元模型的问题分析

首先，建立叠衣机物元M，即

M=(叠衣机,功能,折叠衣物)= (Om ,cm ,vm )

然后，根据问题中描述的折叠衣服的过程，将叠衣机物元M进行功能分解，再寻求其可能的执行机构。做分解变换T，使

TM={M1 ,M2 ,M3 ,M4}={左折衣板,右折衣板,上折衣板,下折衣板}

其中，。

为了减少执行机构的数目，可以将其中的一块折衣板作为中心板固定（这里将下折衣板作为中心板），使其一直处于水平状态。这样只需考虑其他三块折衣板的执行机构即可。

按照设计要求，折叠板的折叠角度在 150°～170°之间，且各个折叠板在不工作时应保持折叠板与中心板位于同一平面上。由于左右折衣板和上折衣板运动形式一样，只是其执行机构安装位置不同，因此，任选其中一板块（以左侧折衣板为例），用可拓变换的方法寻求其可行解。

选择电动机作为其动力装置，现需要把电动机的连续转动变换成往复摆动。

假设左侧折衣板用物元M1表示，即

M 1=( 折左 衣板,驱动机构,曲柄摇杆机构)

根据物元的发散性，结合机械原理知识，有

M1−|{M11 ,M12}

其中，

M 11=( 折左 衣板,驱动机构,曲柄摇杆机构)；

M 12=(左 衣折 板,驱动机构,摆动导杆机构)。

考虑到末端执行件摆动的角度范围及电动机的安装位置，选择一双摇杆机构与上述机构串联使用。由于曲柄摇杆机构和摆动导杆机构与双摇杆机构串联时可能会产生干涉现象，因此选择曲柄摇杆机构与双摇杆机构串联使用。即做变换T1，使

T 1M1=M1⊕M0

其中， ；M0=(双摇杆机构,C,V)。

这样，电动机就可将动力经传动装置传递给执行件，以实现左侧折衣板运动的要求。

但同时，左右折衣板和上折衣板间的运动可能存在明显的干涉现象。为了解决这个问题，先利用TRIZ的时间分离原理进行可行解的预测。

3. 基于TRIZ创新原理的可行解预测

TRIZ的时间分离原理对应着数条发明原理，其包括：#9预先反作用原理；#10预先作用原理；#11事先防范原理；#15动态化原理；#16局部作用或过度作用原理；#18振动原理；#19周期性原理；#20连续有益作用原理；#21减少有害作用时间原理；#29气动与液压结构原理；#34抛弃或再生作用原理；#37热膨胀原理。这里选择其中的预先作用原理#10、动态化原理#15、周期性原理#19进行求解，它们的具体内容如下。

预告作用原理#10 a. 预先完成要求的作用（整个的或部分的）；b.预先将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立即完成所需要的作用。

动态化原理#15 a. 物体（或外部介质）的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的；b. 将物体分成彼此相对移动的几个部分；c. 使不动的物体成为动的。

周期性原理#19 a. 从连续作用过渡到周期作用（脉冲）；b. 如果作用已经是周期的，则改变周期性；c. 利用脉冲的间歇完成其他作用。

由以上原理得到启示：可以预先对三组执行机构的传动装置进行处理；可以用一组齿轮机构将三组运动分离开来，使它们各自实现周期性运作。

4. 可行解的基元变换

由以上TRIZ原理解的提示，先增加一组齿轮机构，使其分别对三组执行机构进行控制。做变换T2，使

T 2 M=M⊕M11

这样只需设置三组执行机构的初始转角不同，就可以改变其运动规律。这里将三组执行机构的连续运动变成周期性动作。

将叠衣一系列动作用事元A表示，由事元的蕴含规则可知：

A 1⇐A2⇐A3⇐A4

从中可以看出，由于曲柄的圆周运动是依靠与齿轮连接在一起而被齿轮带动的，若想使折衣板运动完一个行程后间歇一段时间，就必须使与曲柄固连在一起的齿轮也停止转动。结合机械原理知识，很容易想到用不完全齿轮替代与曲柄固连的齿轮。

于是，做变换T3，使

其中， ；

5. 最终方案

这样叠衣机的功能设计就大致完成了。与此同时，还要考虑电动机等各部件的安装位置和机构间的协调性，最终叠衣机整体设计的示意图如图7−18所示。

图7−18 叠衣机的动作过程及翻转机构

（a）叠衣机动作过程；（b）翻转机构