智能垃圾桶蓋體的仿生結構設計與分析

張 娟 陰澤群 戴湘軍 王 康 霍 昕*

（天津職業技術師范大學，天津 300000）

自然界中的生物為人類的創新提供了不竭的靈感[1]。此垃圾桶開蓋設計以生物啟發創新設計理念為出發點，將扇貝類生物的開合結構引入智能垃圾桶開蓋裝置，對貝殼的部分結構進行數據化，并計算對應的限制條件，最后通過力學分析模塊，對垃圾桶開蓋結構的受力、變形進行強度分析，依據等強度設計理論對其設計方案進行優化。

1 生物啟發創新設計原理（圖1-2）

圖1 貽貝形狀

1.1 生物啟發的第一步“仿形”

生物原型與技術系統之間的功能相似性是生物啟發創新設計的基礎[7-9]。設計過程的關鍵都是利用功能相似性來確定設計問題與生物原型之間的對應關系，并通過分析和利用與設計問題密切相關的生物原型，啟發產生設計方案。[2-3]生物的生存技能和對應的生理結構是生物實現某一特定功能通過大自然的優化和篩選后的解決方案。根據我們所設計的開蓋結構，我們從相似性，結合類比，搜尋來源于生物的結構模型，將生物結構特征與待設計的垃圾桶的功能相對應。我們采取的模型最初有豬籠草，捕蠅草，絕大部分的哺乳動物的嘴，貝殼類的開合裝置，對生物原型在功能上進行了一定的優化和適當的改良，分析生物原型中的原理、結構，實現效果等不同方面的想法可實現性，最終我們對比了貽貝貝殼的外形和結構，貽貝在貝類分類學上隸屬軟體動物門，瓣鰓綱，異柱目，貽貝族，貽貝科，是一種營足絲附著生活的雙殼類軟體動物。[5]其形狀和我們最初設想的垃圾桶開蓋外形達到高度的吻合，因此確定了以貽貝貝殼為原型的開蓋結構。

1.2 生物啟發的第二步“仿型”

圖2 貽貝的構造

生物啟發的第二步“仿型”是進行兩種模式的生物啟發創新設計：一類是基于問題驅動，尋找相關聯的生物類型；另一類是通過生物原型驅動解決實際問題的設計。根據垃圾桶開蓋的結構設計需求，對比多種生物原型，最終選定以厚殼貽貝貝殼的開合結構作為生物模型。厚殼貽貝貝殼的張開與閉合兩個過程由殼體內部的閉殼肌體系控制，閉殼體系包括閉殼肌及其周圍的彈性連接韌帶。貽貝貝肉與貝殼的連接包括閉殼肌連接及外套膜連接，其中強度最大的為后閉殼肌與貝殼的連接。[6]通過對貝殼的構造進行分析將其數據化，初步建立了運動機構，并計算自由度和受力情況，計算對應的限制條件。通過多次仿真實驗，對比實驗分析結果，最終得出類似于貽貝貝殼開合的機械結構。

2 結構設計

2.1 開蓋機構運動模式概述

圖3 為垃圾桶蓋結構的側面三維模型圖，整個機構是通過直線滑槽的中心線對稱的，相同顏色的構件大小尺寸完全相同。兩黃色桿的交點處下方安裝有一滑塊，通過轉動副與之連接，滑塊沿著滑槽的往復移動可帶動黃色桿的擺動，①黃色桿的擺動來帶動整個機構的運行實現門的張開和閉合。①號黃色桿通過擺動帶動②號藍色構件繞著中心C1 轉動，繼而藍色構件的轉動將帶動③號紅色構件在圓形滑槽中運動。①、②構件之間通過轉動副連接。②號構件繞著其固定的中心位置轉動，同時與機架④通過轉動副連接。②號構件與③號構件不發生任何相對運動,②號構件的擺動直接帶動構件③在滑槽中的運動。整個機構整體對稱，其中①號黃色桿件為主動件，①，①'黃色桿件通過轉動副在O 點連接，并與一滑塊通過轉動副相連，滑塊在直線滑槽中運動。當①號黃色主動件運動時，①'黃色桿件將會和主動件做速度相同方向相反的擺動，從而帶動各自連接的②號、②' 號藍色構件做速度大小相同的轉動，藍色構件的轉動最終帶動③，③' 兩個紅色構件在圓形滑槽中的運動，實現垃圾桶蓋的張開和閉合。桶蓋的的張開和閉合與貝殼張嘴和閉嘴動作相似，實現了開蓋結構的仿生。如圖3 中（a）和（b）分別代表了垃圾桶蓋體的閉合張開和張開。

圖3 垃圾桶蓋體結構的側面三維模型圖

2.2 力學性能分析

2.2.1 自由度計算

如圖4 所示，由于該機構為對稱虛約束，所以按對稱的一半來計算，其機構自由度為：

圖4 開蓋仿生設計組件結構示意圖

符合設計要求。

2.2.2 靜應力分析

通過SolidWorks 建模對開蓋運動機構進行模擬，在SolidWorks stimulation 中對其進行實際使用中的最大接觸靜應力分析。對于材料屬性，銷軸均設置為1060-H12，桿類零件的材料屬性設置為ABS 塑料。使用夾具將與軸連接的兩個桿件固定。根據動力學分析，要使開蓋結構能夠實現開合，就需要對上下蓋之間的連接軸進行受力分析，經過多次嘗試，在連接軸中心施加大小為1N 的力，同時設定方向為沿著上下蓋的對稱軸，就能夠滿足用力需求，接著對模型的網格尺寸進行設定：網格密度為良好，網格參數為標準網格。完成以上處理后，運算此算例，得到分析結果如圖5 所示，開蓋機構在一個開合周期中的狀態良好。最后對算例結果進行探測，探測結果如圖6 所示，該機構仍呈現出良好的狀態，滿足設計要求。

圖5 機構靜應力分析側視圖

圖6 機構靜應力分析截面圖

3 結論

設計中針對生物啟發的靈活運用，通過創新驅動的設計方法將選取的生物結構一步步拆分，并進行設計優化，通過機械結構的自由度和機構靜應力的力學測試和模擬分析，完成了開蓋機構靜應力分析實驗，研究了機構靜應力分析截面受力特性，得出機構自由度和最大靜態應變力符合設計要求，是生物啟發在產品結構創新設計中的一次重要嘗試和應用。