智能衣物護(hù)理機(jī)系統(tǒng)集成及關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

陳勇 翟啟基 胡麗娟 吳輝

1. 合肥榮事達(dá)電子電器集團(tuán)有限公司 安徽合肥 231131；

2. 合肥品冠科技有限公司 安徽合肥 231131

0 引言

“后洗衣時(shí)代”人們對(duì)衣物清潔類家電的關(guān)注點(diǎn)從“洗好衣”轉(zhuǎn)向“護(hù)好衣”，但衣服的打理存在很多“痛點(diǎn)”和“難點(diǎn)”：手工熨燙不便且損傷面料、干洗店送洗、打理麻煩......這些都成為當(dāng)下人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡發(fā)展之間的矛盾。智能衣物護(hù)理機(jī)在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，它是解決人們衣物除皺“痛點(diǎn)”的一種新興電器產(chǎn)品，有效解決了傳統(tǒng)手工熨燙不便、熨燙效率低、功能單一、占用房屋空間等多種問(wèn)題，是“后洗衣時(shí)代”與“衣”相關(guān)的代表性產(chǎn)品，正越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，市場(chǎng)前景無(wú)限。

衣物護(hù)理機(jī)是新興家電產(chǎn)品，目前處于市場(chǎng)培育階段，產(chǎn)品形態(tài)及關(guān)鍵技術(shù)比較單一，成本較高。本文從系統(tǒng)集成的角度對(duì)衣物護(hù)理機(jī)進(jìn)行分析，總結(jié)出衣物護(hù)理機(jī)的基礎(chǔ)功能和基礎(chǔ)組成部分，就關(guān)鍵的除皺功能總結(jié)出5種技術(shù)方法，并對(duì)其中2種進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和最終性能測(cè)試驗(yàn)證，從而為推動(dòng)衣物護(hù)理機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了參考和借鑒。

1 系統(tǒng)集成主要方法

1.1 產(chǎn)品系統(tǒng)集成定義

系統(tǒng)集成通常指的是為完成系統(tǒng)建設(shè)所采取的方法，常常用在大型工程或場(chǎng)景上，如公共建筑的信息化實(shí)施、大型裝備的研發(fā)制造、智能家居場(chǎng)景實(shí)施等。系統(tǒng)集成時(shí)，常常采用“分解法”和“模塊化”的方法，先將系統(tǒng)分解成若干子系統(tǒng)或模塊，通過(guò)分布實(shí)施后再集成在一起。單個(gè)智能家電產(chǎn)品相較于大型工程、裝備或場(chǎng)景體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但仍然可以采用系統(tǒng)集成的思路完成開(kāi)發(fā)，尤其對(duì)于新興智能家電產(chǎn)品的研制與開(kāi)發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)集成方法能快速形成產(chǎn)品。

1.2 智能家電產(chǎn)品的系統(tǒng)集成思路

智能家電產(chǎn)品屬性集中在智能與功能實(shí)現(xiàn)，與電路、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)、控制等緊密相關(guān)，可以采取集成路徑完成開(kāi)發(fā)。集成的前提是確定產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展方向。在做好市場(chǎng)分析、產(chǎn)品規(guī)劃和用戶“畫(huà)像”分析的前提下，基于現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的“比較法”是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)解決的關(guān)鍵方法之一，即通過(guò)現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的信息采集、分析和比較，找出現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化分析，以快速找到產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展方向?，F(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的“比較”方向按重要程度排序?yàn)椋喊踩?、功能、性能、?jīng)濟(jì)、人機(jī)協(xié)調(diào)、造型、色彩、材質(zhì)。確定完產(chǎn)品和技術(shù)的總體方向后依次在功能、性能等方面進(jìn)行詳細(xì)開(kāi)發(fā)。產(chǎn)品功能的詳細(xì)開(kāi)發(fā)主要基于“模塊化”思想的“自頂向下分解”原則，即圍繞產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)劃分為若干子功能系統(tǒng)，每個(gè)子功能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的技術(shù)或零部件。每個(gè)子系統(tǒng)在功能上可能彼此孤立，也可能相互協(xié)同，通過(guò)方法的不斷優(yōu)化得到最終產(chǎn)品。

2 智能衣物護(hù)理機(jī)系統(tǒng)集成研究

2.1 傳統(tǒng)人工熨燙除皺分析

傳統(tǒng)人工熨燙有“平燙”和“掛燙”兩種方式，都需要借助外力與蒸汽的雙重作用對(duì)衣物實(shí)現(xiàn)接觸式熨燙除皺?！捌綘C”除皺由于支撐衣物的平板在水平方向尺寸較大，會(huì)占據(jù)較多家居空間，但由于在衣物上垂直施力，除皺效果較佳；“掛燙”除皺為立式操作，一定程度上節(jié)約了空間，但由于施力相對(duì)于“平燙”較小，除皺效果不及前者。此外，兩種傳統(tǒng)人工熨燙除皺方式均存在開(kāi)放式蒸汽外溢傷人，以及手工操作不便等問(wèn)題。

2.2 智能衣物護(hù)理機(jī)系統(tǒng)集成考慮因素

智能衣物護(hù)理機(jī)解決傳統(tǒng)手工熨燙所存在的問(wèn)題是基于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的分析，即熨燙方式上采取“一鍵”智能的模式以代替人工操作，提高人們操作的便捷性；在熨燙效率提升方面采取一次性2件或以上衣服的熨燙，優(yōu)于人工一次1件衣服的熨燙；在安全方面通過(guò)密閉式腔體防止高溫蒸汽外泄噴濺，保障熨燙過(guò)程安全；在空間利用率方面采用“立燙”方式，空間利用率優(yōu)于傳統(tǒng)的人工“平燙”方式。因此，智能衣物護(hù)理機(jī)系統(tǒng)集成考慮的主要因素為：功能完整性、性能先進(jìn)性、使用安全性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及人機(jī)協(xié)調(diào)性。如表1所示為智能衣物護(hù)理機(jī)主要因素分析表，主要指標(biāo)中的“*”代表其重要等級(jí)程度，“***”為最高等級(jí)，往下等級(jí)依次類推。

表1 智能衣物護(hù)理機(jī)主要因素分析

3 智能衣物護(hù)理機(jī)關(guān)鍵因素研究

3.1 智能衣物護(hù)理機(jī)除皺原理分析

智能衣物護(hù)理機(jī)技術(shù)關(guān)鍵因素應(yīng)圍繞達(dá)到較好的“除皺”效果進(jìn)行分析。衣服褶皺去除的傳統(tǒng)人工方式為蒸汽熨燙，即滿足高溫蒸汽與對(duì)衣服施加的按壓滑動(dòng)力同時(shí)作用于衣服，從而達(dá)到效果。高溫蒸汽能“軟化”衣服纖維，因此，智能衣物護(hù)理機(jī)仍然采用“熱力+外力”的除皺方式。熱力來(lái)自于水路系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)的共同作用，加熱系統(tǒng)將液態(tài)水加熱成水蒸氣，分布在衣物護(hù)理機(jī)腔體內(nèi)，對(duì)衣物纖維進(jìn)行軟化，常見(jiàn)的發(fā)熱系統(tǒng)有物理加熱和化學(xué)加熱兩種方式，而物理加熱包括電熱、光熱、燃熱等加熱方式，由于化學(xué)加熱方式應(yīng)用于家電產(chǎn)品上其穩(wěn)定性及安全性不足，故采用物理加熱的方式。

3.2 衣服除皺關(guān)鍵因素分析

外力的產(chǎn)生是衣服除皺的關(guān)鍵因素，也是衣物護(hù)理機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)。外力發(fā)生裝置須考慮多重因素：首先，外力發(fā)生裝置應(yīng)與衣物護(hù)理機(jī)有效融合，形成一體化的、美觀的整體，而衣物護(hù)理機(jī)也應(yīng)與家居環(huán)境有效融合，確保家居空間的合理利用；其次，外力應(yīng)能有效作用于衣服，以起到較好的除皺效果。外力的產(chǎn)生分為非接觸式、接觸式和混合式三種形式，其中，非接觸式分為振動(dòng)及鼓風(fēng)兩種形式，振動(dòng)式即通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)或其他往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形成一定頻率的往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)擺動(dòng)使衣服進(jìn)行“抖動(dòng)”，再在高溫蒸汽的“軟化”作用下對(duì)衣服進(jìn)行除皺；鼓風(fēng)式是通過(guò)風(fēng)機(jī)對(duì)衣服的大力吹動(dòng)達(dá)到除皺的效果。接觸式則將衣服固定在衣物護(hù)理機(jī)內(nèi)，通過(guò)熨頭的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)達(dá)到除皺的效果。混合式則兼具非接觸式與接觸式兩種形式，通過(guò)將衣服固定在衣物護(hù)理機(jī)內(nèi)，以振動(dòng)或鼓風(fēng)兩種形式達(dá)到除皺的效果。

通過(guò)組合能形成如下五種典型的除皺模式：如圖1所示，a)為非接觸懸掛振動(dòng)式，衣物護(hù)理機(jī)頂部設(shè)置往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，其與機(jī)內(nèi)的懸架相連，懸架上固定衣服，通過(guò)機(jī)構(gòu)一定頻率的往復(fù)擺動(dòng)能實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽下的除皺；b)為非接觸懸掛鼓風(fēng)式，在機(jī)內(nèi)頂、底部設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)，衣服固定在機(jī)頂?shù)膽壹苌?，通過(guò)風(fēng)力的作用實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽下的除皺；c)為非接觸固定振動(dòng)式，將衣服各角通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)固定在機(jī)內(nèi)各點(diǎn)，通過(guò)往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)一定頻率的振動(dòng)并結(jié)合高溫蒸汽的作用實(shí)現(xiàn)除皺；d)為非接觸固定鼓風(fēng)式，將衣服各角通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)固定在機(jī)內(nèi)各點(diǎn)，通過(guò)頂、底部鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)作用并結(jié)合高溫蒸汽的作用實(shí)現(xiàn)除皺；e)為接觸固定式，將衣服各角通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)固定在機(jī)內(nèi)各點(diǎn)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使熨頭接觸衣服做上下、左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合高溫蒸汽實(shí)現(xiàn)除皺。

3.3 衣服除皺控制方法分析

衣服實(shí)現(xiàn)智能化操作關(guān)鍵在于兩點(diǎn)，均與模式識(shí)別有關(guān)：一是衣服面料的識(shí)別，不同面料的衣服其除皺方式不一樣，如棉纖類相較于化纖類要求更高，而羊絨、羊毛類則相較于棉纖類要求更高，不同纖維、面料的衣服，其護(hù)理模式不一樣，否則易對(duì)衣服造成不可逆的損傷。因此，通過(guò)對(duì)衣服面料進(jìn)行識(shí)別，選取相對(duì)應(yīng)的護(hù)理模式，能延長(zhǎng)衣服壽命。常用的衣服識(shí)別采用程序預(yù)設(shè)定、人工操作的方式，比較先進(jìn)的方式為通過(guò)模式識(shí)別進(jìn)行智能化設(shè)定，此種方法需在機(jī)內(nèi)設(shè)置紅外光譜相機(jī)；二是機(jī)內(nèi)溫度、濕度、蒸汽量及外力狀況（接觸式反映為中頻振動(dòng)頻次或風(fēng)力）的均衡調(diào)控，通過(guò)在機(jī)內(nèi)各關(guān)鍵點(diǎn)布置溫、濕度傳感器，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)（非接觸振動(dòng)式）或?qū)︼L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)量大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)（非接觸鼓風(fēng)式），構(gòu)建溫度-濕度-蒸汽量-外力的閉環(huán)監(jiān)測(cè)模型，采用PID或其他算法對(duì)機(jī)內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，確保不同面料的衣服采用相適宜的護(hù)理模式（環(huán)境），從而實(shí)現(xiàn)柔性護(hù)理。

3.4 衣服除皺驗(yàn)證

針對(duì)3.2節(jié)中的5種除皺模式，本文選取了非接觸懸掛振動(dòng)式和非接觸懸掛鼓風(fēng)式兩種模式進(jìn)行分析和驗(yàn)證。根據(jù)大部分衣服所適應(yīng)的環(huán)境，以及對(duì)除菌、除螨的溫度要求，設(shè)定機(jī)內(nèi)溫度在（56～80）℃，蒸汽濕度在（70～80）%。

3.4.1 非接觸懸掛振動(dòng)式

可采用凸輪機(jī)構(gòu)，電機(jī)直聯(lián)凸輪使從動(dòng)件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)件通過(guò)剛性連接懸架系統(tǒng)帶動(dòng)衣服做高頻往復(fù)擺動(dòng)，在高溫蒸汽的作用下達(dá)到除皺效果。通過(guò)給定電機(jī)（凸輪）的初速度、凸輪轉(zhuǎn)角范圍，確定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)行程（范圍）；從節(jié)能的角度考慮，設(shè)定振動(dòng)時(shí)間為（10～20）min，圖2 a)為非接觸懸掛振動(dòng)式樣圖。根據(jù)QB/T 5661-2021《衣物護(hù)理機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中除皺測(cè)試方法驗(yàn)證，選定標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載布，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄A中的測(cè)試方法，通過(guò)對(duì)除皺前和除皺后折痕的計(jì)數(shù)，兩者的差值再與除皺前的折痕數(shù)比值的平均值（測(cè)算3次）為92.7%，達(dá)到除皺等級(jí)Ⅰ，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高要求，測(cè)試前后對(duì)比如圖2 b)、圖2 c)所示；通過(guò)對(duì)比圖看出，采用非接觸懸掛振動(dòng)式除皺效果較好，系統(tǒng)集成及除皺關(guān)鍵技術(shù)分析達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖2 非接觸懸掛振動(dòng)式衣物護(hù)理機(jī)除皺結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.4.2 非接觸懸掛鼓風(fēng)式

如圖3所示，非接觸懸掛鼓風(fēng)式依靠上下兩個(gè)風(fēng)機(jī)通過(guò)鼓風(fēng)的形式“推動(dòng)”衣服在高溫蒸汽的作用下達(dá)到除皺的效果。懸架系統(tǒng)即為定制化衣架，衣架與機(jī)內(nèi)頂部固定過(guò)渡連接件形成互聯(lián)互通的風(fēng)道系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)送風(fēng)時(shí)通過(guò)兩者之間相通的風(fēng)口及風(fēng)道形成閉環(huán)流動(dòng)，極大地提升了風(fēng)效，保證了較好的除皺效果。圖3 a)為非接觸懸掛鼓風(fēng)式三維立體剖面圖，給出了上、下風(fēng)機(jī)的設(shè)置位置及出風(fēng)口位置；圖3 b)為非接觸懸掛鼓風(fēng)式整機(jī)實(shí)體局部圖。根據(jù)QB/T 5661-2021《衣物護(hù)理機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中除皺測(cè)試方法驗(yàn)證，選定標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載布，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄A中的測(cè)試方法，通過(guò)對(duì)除皺前和除皺后折痕的計(jì)數(shù)，兩者的差值再與除皺前的折痕數(shù)比值的平均值（測(cè)算3次）為93.2%，達(dá)到除皺等級(jí)Ⅰ，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高要求，測(cè)試前后對(duì)比如圖3 c)、圖3 d) 所示；通過(guò)對(duì)比圖看出，采用非接觸懸掛鼓風(fēng)式除皺效果較好，系統(tǒng)集成及除皺關(guān)鍵技術(shù)分析取得了預(yù)期的效果。

圖3 非接觸懸掛鼓風(fēng)式衣物護(hù)理機(jī)除皺結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文結(jié)合衣物護(hù)理機(jī)的需求進(jìn)行了產(chǎn)品及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的探索，借鑒集成化思想理念，采用“化整為零”的思想，將產(chǎn)品進(jìn)行模塊化“拆解”，并找出各子系統(tǒng)之間彼此相關(guān)聯(lián)之處，從而建立了從需求拉動(dòng)到功能分析再到模塊分解的技術(shù)路徑；同時(shí)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中圍繞關(guān)鍵除皺技術(shù)建立了5種技術(shù)模式。為驗(yàn)證方法路徑的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，從5種除皺技術(shù)模式中選取了非接觸懸掛振動(dòng)式和非接觸懸掛鼓風(fēng)式2種模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證分析。試驗(yàn)結(jié)果證明：2種除皺模式得到的除皺率幾乎接近，除皺效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高要求，總結(jié)出的關(guān)鍵技術(shù)模式是可行的、合理的，從而證明了本次系統(tǒng)集成的技術(shù)路徑是正確的，可為后續(xù)衣物護(hù)理機(jī)的發(fā)展提供借鑒和參考。