防疫自動(dòng)打包垃圾桶設(shè)計(jì)

謝賓文 李 琰 田永隆 劉證向

（長江大學(xué)文理學(xué)院，湖北 荊州 434020）

1 自動(dòng)打包垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)打包防疫垃圾桶總體設(shè)計(jì)如圖1，利用三維設(shè)計(jì)畫出該產(chǎn)品的模型，通過視覺感官對(duì)本產(chǎn)品有一個(gè)更好的理解。防疫自動(dòng)打包垃圾桶結(jié)構(gòu)包括四個(gè)大部分小蓋、大蓋、筒身和行走裝置，打包機(jī)構(gòu)主要是存在于大蓋中，它是通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)熱切片的，夾緊垃圾袋口然后對(duì)袋口加熱封，采用齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳動(dòng)效率和平穩(wěn)性高，傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠且使用壽命更長。而且設(shè)計(jì)采用“鐮刀型”機(jī)構(gòu)，它運(yùn)動(dòng)噪音較小，運(yùn)行平穩(wěn)安靜。

圖1 垃圾桶總體構(gòu)造

1.1 垃圾桶小蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)打包垃圾桶的小蓋是垃圾桶最上面的一個(gè)蓋子，當(dāng)我們?nèi)永臅r(shí)候，垃圾桶通過傳感器檢測到人體靠近時(shí)小蓋自動(dòng)打開，在扔完垃圾的時(shí)候它又會(huì)自動(dòng)合上。

小蓋結(jié)構(gòu)包括以下部分：小蓋，電機(jī)，減速器。原動(dòng)機(jī)選擇直流小型低速電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為160r/min，小蓋翻轉(zhuǎn)角度為90°，則轉(zhuǎn)速為0.25r/s，換算成15r/min。

1.2 垃圾桶大蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)打包垃圾桶的大蓋，是當(dāng)垃圾桶完成打包動(dòng)作后或者按下按鍵時(shí)自行打開的。打開時(shí)，上面的小蓋和內(nèi)部的打包機(jī)構(gòu)相對(duì)大蓋是靜止，所以此時(shí)可以把小蓋，打包機(jī)構(gòu)和大蓋看作一個(gè)整體來研究。經(jīng)過SolidWorks 繪圖測量，這個(gè)“整體”質(zhì)量約為0.9kg。

根據(jù)家用自動(dòng)打包垃圾桶內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于垃圾桶本身尺寸小，內(nèi)部零件較多，所以齒輪和電機(jī)設(shè)計(jì)的尺寸不能過大，齒輪外徑最好不要超過20mm，經(jīng)查閱，選用模數(shù)為0.3 的齒輪尺寸較合理。

1.3 垃圾桶打包機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

打包垃圾桶的打包機(jī)構(gòu)，在垃圾桶裝滿垃圾的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)夾緊垃圾袋袋口，進(jìn)行加熱完成打包。傳動(dòng)方案擬定，該設(shè)備原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，Ⅰ為減速器部分，Ⅱ?yàn)辇X輪傳動(dòng)部分。減速器為圓柱齒輪的三級(jí)傳動(dòng)，軸承初步選用角接觸球軸承。

因?yàn)閮蓚€(gè)收緊臂所處空間位置的原因，左收緊臂在齒輪c10 上，右收緊臂在齒輪c6 上，設(shè)計(jì)兩個(gè)收緊臂同轉(zhuǎn)速，即齒輪c6 和齒輪c10 同轉(zhuǎn)速，且方向相反。

圖2 收緊臂間傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

1.4 發(fā)熱裝置的設(shè)計(jì)

打包裝置位于家用自動(dòng)打包垃圾桶大蓋的內(nèi)部，為兩個(gè)關(guān)于左右對(duì)稱的機(jī)械夾機(jī)構(gòu)，形狀像“鐮刀型”，下文稱之為收緊臂。左右兩個(gè)收緊臂的中間各有一段環(huán)狀缺口，缺口處裝有垃圾桶的發(fā)熱裝置，發(fā)熱裝置為一根發(fā)熱絲，收緊臂材料不能選用普通塑料，這里選用瓷板。因?yàn)榇砂寰哂泻芎玫哪透g、耐高溫、壽命長和良好的光滑度的特性，在發(fā)熱絲與垃圾袋接觸進(jìn)行加熱動(dòng)作時(shí)，垃圾袋不容易和發(fā)熱絲粘在一起，避免垃圾袋破損。在加熱過程中，發(fā)熱絲的溫度會(huì)很高，如果是普通塑料材質(zhì)的收緊臂很容易融化，而瓷板具有非常不錯(cuò)的絕緣性能和隔熱特性，所以瓷板既能夠防止因?yàn)楦邷刈冃螕p壞，又可以防止垃圾桶漏電，還保證了發(fā)熱裝置良好的性能，大大提高了自動(dòng)打包的質(zhì)量，還提升了家用自動(dòng)打包垃圾桶性能和穩(wěn)定性，降低故障率。

圖3 發(fā)熱裝置位置圖

1.5 電路板設(shè)計(jì)

投入垃圾時(shí)，將手或垃圾靠近感應(yīng)區(qū)域，根據(jù)人機(jī)要素分析，人在扔垃圾是脊椎在30～40°最好，所以感應(yīng)區(qū)域在垃圾桶豎直方向上15-35cm 處，在0.5s 后，小蓋會(huì)自動(dòng)打開，或當(dāng)人按下按鍵小蓋自動(dòng)打開，耗時(shí)2s，當(dāng)垃圾桶感應(yīng)不到人體5s 后小蓋自動(dòng)關(guān)閉，關(guān)閉耗時(shí)1s，如果手或物體不離開感應(yīng)區(qū)，小蓋將一直處于開啟狀態(tài)。

當(dāng)垃圾桶通過壓力傳感器檢測到垃圾裝滿或人按下打包按鍵時(shí)，垃圾桶進(jìn)行打包動(dòng)作，兩收緊臂向中間夾緊垃圾袋，耗時(shí)1s，然后控制器給發(fā)熱裝置通電，對(duì)垃圾袋進(jìn)行加熱封口，加熱時(shí)間為1.5s，然后兩收緊臂回到初始位置，垃圾桶大蓋打開，可以取出垃圾袋。

2 行走裝置的設(shè)計(jì)

按照目前的研究，行走裝置有很多種，包括腿式、輪式、履帶式以及復(fù)合式。這幾種結(jié)構(gòu)類型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

本次設(shè)計(jì)的是家用垃圾桶，其工作場所就是室內(nèi)，沒有復(fù)雜的地形，考慮到有些室內(nèi)地面有小階梯，垃圾桶行走過程中需要翻過去，所以要具備一定的越障能力，如果垃圾桶在一些比較狹小的室內(nèi)空間行走，還要求轉(zhuǎn)彎半徑也要小，最好可以原地轉(zhuǎn)向。因?yàn)槭沁x取垃圾桶的行走裝置，本身垃圾桶的空間就不大，所以結(jié)構(gòu)又不能太復(fù)雜。結(jié)合以上的分析，行走裝置適宜選取履帶式。

家用自動(dòng)打包垃圾桶設(shè)計(jì)要求是可以原地轉(zhuǎn)向，而且結(jié)構(gòu)盡可能的簡單，所以驅(qū)動(dòng)方式采用圖履帶結(jié)構(gòu)。履帶驅(qū)動(dòng)是輪式驅(qū)動(dòng)以外的一種廣泛使用的驅(qū)動(dòng)方式。履帶和輪式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前大多數(shù)行走裝置采用了這兩種。車輪和履帶傳動(dòng)之間最明顯的區(qū)別是轉(zhuǎn)向方式。履帶式行走裝置一般包含以下結(jié)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)輪，張緊輪，支重輪，橡膠履帶，行走梁，調(diào)節(jié)絲桿，張緊器。有的還包含平衡輪跟導(dǎo)向桿。

圖4 履帶式行走裝置結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本論文針對(duì)傳統(tǒng)垃圾桶打包不夠便捷的問題，設(shè)計(jì)了一種“鐮刀型”機(jī)械夾打包機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)小蓋、大蓋和打包機(jī)構(gòu)的減速器，包括電機(jī)的選擇，減速器的設(shè)計(jì)；分析了打包機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及打包原理，并設(shè)計(jì)發(fā)熱裝置為機(jī)械夾上的發(fā)熱絲;對(duì)家用自動(dòng)打包垃圾桶的傳感器進(jìn)行了詳細(xì)地分析，還對(duì)垃圾桶電路板和無線充電進(jìn)行比較具體的說明;選用履帶作行走裝置，并對(duì)幾種履帶驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析，講述了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并計(jì)算了履帶的減速器齒輪傳動(dòng)比; 針對(duì)日常使用情況分析了家用自動(dòng)打包垃圾桶的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，包括電池、履帶、無線充電等方面。

3.2 展望

本論文設(shè)計(jì)的家用自動(dòng)打包垃圾桶只針對(duì)傳統(tǒng)垃圾桶進(jìn)行改造，加入了自動(dòng)打包結(jié)構(gòu)和行走裝置，但是還存在不足，可以改進(jìn)以下方面：

（1）支持電量顯示，垃圾桶有兩個(gè)電池，耗電情況不統(tǒng)一，不容易預(yù)測電池剩余電量，可以改進(jìn)在小蓋的頂部加上一塊小顯示屏，把兩個(gè)電池的剩余電量都顯示出來，也可以顯示充電時(shí)長。

（2）植入語音系統(tǒng)，不僅可以用聲音控制小蓋，打包垃圾袋，還能用語音讓垃圾桶回到充電樁充電，“聽聲辯位”讓垃圾桶自動(dòng)行走到您身旁。

（3）自動(dòng)換袋功能，在垃圾桶打包完垃圾袋，我們把垃圾袋取出后，垃圾桶自動(dòng)更換新的垃圾袋，讓我們的雙手更加干凈衛(wèi)生，也更加省事省力。