一款全自動(dòng)科學(xué)洗手機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

鄭晨龍　黃元東　李昌杰　洪錦源　彭軼

摘 要：運(yùn)用機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，研究開發(fā)了一款新型全自動(dòng)一體化科學(xué)洗手機(jī)。該洗手機(jī)中包括單片機(jī)、蝸輪蝸桿、絲錐螺母、電動(dòng)機(jī)、電磁閥、同步帶等配件，能為洗手者提供便捷有效、更為獨(dú)立的洗手條件，基本能夠解決單臂傷殘人士難以獨(dú)立完成洗手的問題，體現(xiàn)了科學(xué)環(huán)保的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計(jì)；全自動(dòng)一體化；洗手機(jī)；單臂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.126

0 引言

自動(dòng)洗手機(jī)是非接觸型洗手機(jī)，多用于酒店、賓館等容易產(chǎn)生細(xì)菌和病毒的公共場(chǎng)所，以此來防止和避免病毒的交叉感染。[1]目前洗手機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷創(chuàng)新和完善中，使洗手機(jī)種類多樣化，而這些洗手機(jī)都是為大眾設(shè)計(jì)，單臂傷殘人士無法獨(dú)立科學(xué)洗手的問題一直沒有得到妥善解決。為解決這個(gè)問題，筆者及其組員提出了一款新型全自動(dòng)科學(xué)洗手機(jī)的設(shè)計(jì)思路，并且已經(jīng)做成產(chǎn)品，可基本解決單臂傷殘人士洗手難的問題，該產(chǎn)品低碳環(huán)保、節(jié)約資源。

1 全自動(dòng)科學(xué)洗手機(jī)的創(chuàng)新過程

1.1 設(shè)計(jì)背景

根據(jù)第六次全國(guó)人口普查我國(guó)總?cè)丝跀?shù)，及第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查我國(guó)殘疾人占全國(guó)總?cè)丝诘谋壤透黝悮埣踩苏細(xì)埣踩丝側(cè)藬?shù)的比例，推算2010年末我國(guó)殘疾人總?cè)藬?shù)8502萬人[2]，其中肢體殘疾2472萬人。

1.2 現(xiàn)有洗手機(jī)功能綜合分析

市面上現(xiàn)有的全自動(dòng)洗手機(jī)，主要功能為提供潔凈水，確保使用者雙手清洗潔凈；再經(jīng)過HEPA FILTER過濾之無塵無菌空氣、環(huán)保加熱器加熱后的高速氣流將手烘干。全自動(dòng)洗手機(jī)最大特點(diǎn)就是出水便捷快速，相較于原有的水龍頭出水方式，全自動(dòng)洗手機(jī)能減少手部與機(jī)器的不必要接觸，又能夠節(jié)約水資源，然而在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)全自動(dòng)洗手機(jī)仍然存在以下問題：（1）現(xiàn)有全自動(dòng)洗手機(jī)成本高，價(jià)格昂貴，對(duì)一般家庭而言性價(jià)比不高；（2）要洗干凈手仍需要雙手揉搓，不適用于單臂傷殘人士；（3）體積龐大，近1.8m的高度，占用空間過大。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有全自動(dòng)洗手機(jī)的綜合分析，在保留其出水、烘干功能的基礎(chǔ)上，針對(duì)單臂傷殘人士的情況，設(shè)計(jì)這款新型全自動(dòng)洗手機(jī)，使其更適用于單臂傷殘人士。

1.3 全自動(dòng)洗手機(jī)性能要求

針對(duì)目前存在的問題，為了使單臂傷殘人士有更好的洗手體驗(yàn)，對(duì)新型全自動(dòng)洗手機(jī)提出以下要求：（1）降低成本，提高性價(jià)比，價(jià)格能為一般家庭接受；（2）縮減體積，減少空間占用；（3）能使手的指縫、手背等部位得以清洗，單手獨(dú)立使用或者雙手使用皆可；（4）能隨時(shí)復(fù)位，重新開始流程。總之，要求提供一款能夠廣泛推廣、功能齊全、使用簡(jiǎn)單便捷、能適用于單臂傷殘人士的全自動(dòng)洗手機(jī)。

2 全自動(dòng)科學(xué)洗手機(jī)的設(shè)計(jì)方案

2.1 全自動(dòng)科學(xué)洗手機(jī)的組成

（1）通過刷轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)通過聯(lián)軸器使與蝸桿蝸輪連接的刷子旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)清洗手背、指縫等較難清理部位的功能；（2）氣動(dòng)給液機(jī)構(gòu)和刷轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所用電機(jī)是同一個(gè)，通過光桿連接，配合絲杠螺母使壓縮塊的推力作用在三個(gè)軸線夾角120度的均布活塞推桿上，三氣筒氣動(dòng)壓縮，實(shí)現(xiàn)定量給液，兩個(gè)單向閥可控制氣筒氣壓與外界氣壓一致；（3）風(fēng)干機(jī)構(gòu)是洗手機(jī)流程最后一步，以鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)帶入的空氣通過吹風(fēng)機(jī)吹出來烘干手，加入同步帶結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)掃描式吹風(fēng)功能，加快風(fēng)干速度。

2.2 全自動(dòng)科學(xué)洗手機(jī)的使用原理

紅外傳感器置于入口上方，當(dāng)檢測(cè)到有手伸入時(shí)，語音提示系統(tǒng)運(yùn)行，刷轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動(dòng)，潔凈水流下打濕手部，刷子旋轉(zhuǎn)進(jìn)行初步清洗；同時(shí)絲杠螺母使壓縮塊推進(jìn)，向氣筒擠壓空氣，提供定量的洗手液；完成后電機(jī)反轉(zhuǎn)，潔凈水停止流下，等待若干時(shí)間后洗手液充分涂滿整個(gè)手部，再流下潔凈水進(jìn)行最后清洗；隨后傳感器檢測(cè)到手仍在機(jī)器內(nèi)，則啟動(dòng)風(fēng)干機(jī)構(gòu)，對(duì)手進(jìn)行風(fēng)干處理。

3 樣品與性能測(cè)試

3.1 控制電路及分析

控制部分主要由STC89C52單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、輸出等部分組成，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。紅外檢測(cè)部分作為控制系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話節(jié)后，負(fù)責(zé)輸入手的位置。單片機(jī)時(shí)刻響應(yīng)紅外線的信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電磁閥通斷及吹風(fēng)機(jī)的開關(guān)。紅外對(duì)射開關(guān)檢測(cè)到手伸入洗手位置后通過單片機(jī)啟動(dòng)電機(jī)以及電磁閥，帶動(dòng)外部機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)洗手功能；當(dāng)檢測(cè)到手伸入吹風(fēng)機(jī)位置時(shí)開啟吹風(fēng)機(jī)，直至手離開。在驅(qū)動(dòng)電路中，采用雙電源供電，一組5V給單片機(jī)和控制電路供電，另一組24V給電機(jī)供電，在控制部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分之間用光耦隔開，避免控制部分電源功能實(shí)現(xiàn)障礙。

3.2 能量轉(zhuǎn)換效率試驗(yàn)

該產(chǎn)品采用一個(gè)電機(jī)，額定功率為75W，轉(zhuǎn)速為300r/min；一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，額定功率為12W；額定電壓皆為12V。而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電壓為220V，這就需要一個(gè)降壓模塊將輸出電壓變?yōu)?2V，以確保電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于電路轉(zhuǎn)換損耗，電阻電壓損耗，供電損耗，自身運(yùn)行損耗，真正從電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器到蝸桿蝸輪和絲杠螺母的能量約為輸入能量的91.7%。單從目前產(chǎn)品來說，電機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min，蝸桿蝸輪傳動(dòng)比為1：5，即理論上刷頭轉(zhuǎn)速為60r/min，然而經(jīng)多次實(shí)際測(cè)量刷頭平均轉(zhuǎn)速為55r/min，如此計(jì)算得損失能量約為8.3%。

4 結(jié)論

筆者運(yùn)用創(chuàng)造原理和創(chuàng)新技法等科學(xué)方法[3]研發(fā)的新型全自動(dòng)一體化科學(xué)洗手機(jī)，相較于其他同類產(chǎn)品更加便捷，從沖洗開始到風(fēng)干結(jié)束實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)，單臂清洗效果良好，單臂傷殘人士能夠獨(dú)立清洗手背指縫等部位，具有良好的體驗(yàn)效果。該洗手機(jī)巧妙利用了蝸桿蝸輪、絲杠螺母、傳感器、氣筒和同步帶等構(gòu)件，使該產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：（1）產(chǎn)品完全自動(dòng)化，所有控制系統(tǒng)皆由傳感器傳遞信號(hào)；（2）刷頭自轉(zhuǎn)，以勻速轉(zhuǎn)刷式的模式清潔手部；（3）無需控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，即可完成洗手液的定量擠出；（4）風(fēng)干機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)掃描式送風(fēng)，使手部干燥速度加快；（5）適用人群廣泛，單臂傷殘人士以及正常人士均可使用；（6）產(chǎn)品定量出水、出洗手液，符合低碳環(huán)保理念，能量轉(zhuǎn)換效率較高，可持續(xù)穩(wěn)定工作，拆卸修理方便快速。

參考文獻(xiàn)：

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浙江省科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2018R428031