新型衛生防護門鎖的創意思路與原理設計

趙世英，劉泓杰，左博飛，嚴志杰

(北京印刷學院機電工程學院 北京102600)

門作為最常見的區域劃分的工具之一，具有最基礎的安全保護功能和在特定使用情境下的隱私保護功能，尤其是在衛生防疫方面可以發揮不可替代的重要作用。在辦公樓、商超、衛生間、學校、醫院等公共場合，常見的普通門鎖大都是依靠按壓式門把手來實現開關門動作。由于這些場所人流密集，門把手使用頻率非常高，很容易遭受微生物污染，故成為了病原體傳播和交叉感染的溫床。因此，除了保潔人員應做好相關公共接觸部位的定期消毒滅菌工作之外，如果設計一種新型門鎖在開門或反鎖時身體裸露部位不必接觸門把手和反鎖插銷，做到“門把手零接觸”，也必將大幅降低門把手傳播疾病的風險。

1 公共場所門把手是病原體高風險傳播媒介

1.1 門把手微生物污染狀況概述

公共場所門把手的衛生狀況對人們身體健康的危害是一個不可忽視的問題。對某項高校公共設施和公共用品微生物污染狀況調查時，抽取了從教室門把手、宿舍門把手、廁所門把手、餐廳餐桌椅和圖書館圖書等部位所采集的樣品進行了細菌總數、大腸桿菌密度和 HBsAg(乙肝表面抗原)等方面的微生物污染情況分析，檢出情況顯示教學樓內和宿舍樓內廁所門把手污染程度最嚴重。究其原因主要有 2點：一是教學樓和宿舍樓廁所使用頻率都很高，學生如廁后也沒有用香皂或洗手液洗手的習慣；二是學校雖然有保潔人員對廁所進行定期清掃消毒，但往往忽略廁所門把手這個關鍵部位[1]。

另有監測結果表明醫院門把手同樣屬于使用率較高，并且與病人、醫護人員及陪護探視者的接觸關系密切，其細菌污染現象也非常嚴重。從病房門把手分離出的表皮葡萄球菌、微球菌、假單胞菌屬、產氣腸桿菌、不動桿菌等6種條件致病菌均為醫院感染的常見病原菌，可通過門把手的間接接觸傳播導致病人與醫護人員間發生交叉感染[2]。

1.2 門把手是防疫不可忽視的環節

《新型冠狀病毒肺炎診療方案》指出，經呼吸道飛沫和密切接觸傳播是新型冠狀病毒主要的傳播途徑；接觸被病毒污染的物品也可造成感染；人群普遍易感[3]。個人衛生防護宣傳片中一再告誡民眾：乘坐公共交通工具時，盡量避免用手直接接觸公共物品；在公共空間需要觸碰電梯按鍵、門把手時，可通過牙簽、紙巾等間接接觸的方式按電梯或開關門。下面以客運列車衛生間門把手使用情境為例，說明門把手是防疫不可忽視的重要環節。

2021年，全國鐵路旅客發送量達到 26.12億人次，列車衛生間的門把手無疑是列車上不可避免的被人們頻繁觸摸的公共物品。但是列車上的旅客在使用衛生間時，也許是個人防護意識不強，也許是忘記攜帶紙巾，絕大部分旅客還是習慣性地用手直接按壓門把手來開關廁所門。被頻繁接觸的衛生間門把手在反復使用過程中非常容易被污染，成為包括新型冠狀病毒在內的各種疾病傳播的媒介和溫床。

2 衛生防護功能性門鎖的創意思路

既然直接接觸門把手存在感染病毒和病菌的重大隱患，那么能否設計一種新型門鎖，不用手接觸就能實現開門和從門內反鎖等動作呢？這就是衛生防護功能性門鎖的創意起源。不用手開門就大幅降低了門把手被新型冠狀病毒或其他病原體污染的可能性，也必將大幅降低人與人之間交叉感染的風險；同時不必浪費紙巾來抓握門把手，有利于環境清潔和節約用紙。該新型門鎖的創意思路流程圖如圖1所示。

圖1 新型門鎖創意思路流程圖Fig.1 Innovative roadmap for new door lock

首先，我們要思考除了手之外的其他各種開門方式。經過對比論證小臂開門、膝蓋開門、聲控開門、腳動開門等多種方案之后，我們選擇了采用“腳動(踏板)”的開門方式。其他幾種方式要么不能有效避免身體裸露部位接觸門上公共部位，要么技術復雜、成本高、需要額外增加電源。只有“腳動(踏板)”的開門方式最適合人們的動作習慣，開門時只需要用腳底向下輕踏裝在門板底部的踏板，踏板與原有門鎖的門把手采用曲柄滑塊機構連接，稍加用力鎖舌即可產生聯動動作縮回，門便被打開了。整個過程不需要用手，只需要鞋底接觸門上公共部位——踏板，方便衛生，簡單實用。

第 2個重要設計任務是如何實現門內反鎖。如像列車衛生間這樣的私密空間在使用時，內部一般是需要反鎖的，在反鎖時也應該實現非手動的“零接觸”操作。我們調研和嘗試了多種反鎖裝置，設計思路是在曲柄滑塊機構中“滑塊”(腳動踏板)的下方安裝一個可以左右移動的插銷類裝置。該插銷在需要時可以阻擋踏板向下移動，以實現門內反鎖功能。如果選擇普通的手動插銷，用腳來左右撥弄必然會比較吃力；如果選擇諸如一些鎖緊、夾緊等裝置，反鎖倒是容易，但取消反鎖一般比較困難。最終我們選擇的是彈簧插銷，一種常見于柜櫥、窗戶上的鎖緊裝置。彈簧插銷的特點是在銷軸鎖定到位后按動解鎖按鍵，銷軸可以在彈簧力作用下自動回彈復位，于是解除鎖止狀態。

最后，面臨的技術難題是如何不用手操作就可以使彈簧插銷實現反鎖動作，也就是使銷軸橫向移動到鎖定位置。設計要求是“只需腳底板輕輕一按”即可鎖定。在研究了眾多具有特定運動的裝置后，選擇確定了一種可以改變直線運動方向的裝置——楔形滑塊裝置[3]。該裝置具有輸入動作方向與輸出動作方向相互垂直的特點，把楔形滑塊裝置與彈簧銷軸設計為垂直布局。在楔形滑塊輸入端加裝一個按鍵，需要反鎖時只需用腳輕點，使得楔形滑塊垂直運動，就可以驅動彈簧插銷的銷軸橫向移動到鎖定位置，以實現門內反鎖。

3 新型門鎖工作原理與概念設計

該新型門鎖不但具備衛生防護功能，還有一個優點是不需要電源和電控裝置，完全是純機械結構。新型門鎖結構示意圖如圖2所示，在保留原有門鎖不做任何變更的前提下就可以加裝如圖中所示的各個結構和裝置，最大限度地節約了制造成本。同時，對于少數下肢行動不便或有殘疾人士，他們依然可以使用原有門鎖門把手進行開關門的操作，2套機構協同聯動、互不影響。

圖2 新型門鎖結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of new door lock structure

下面以列車衛生間門鎖為例對新型門鎖工作原理和設計過程進行說明。當旅客如廁時，不需要用手或用紙巾按壓門把手 1，只需要用腳輕踩曲柄滑塊機構 2的滑塊下部，該位置被設計成腳踏板形式，門外門內可以共用一套，方便完成開門動作。旅客進入衛生間后用腳底接觸門板5完成關門動作后，接下來同樣用腳底按壓楔形滑塊機構 4上標記為“關”的按鍵，即可驅動彈簧插銷3中銷軸橫移到腳踏板下方的鎖定位置，以實現門內反鎖功能；當旅客腳底離開反鎖按鍵后，楔形滑塊在底部彈簧的作用力之下就會回復到初始位置。待到旅客如廁結束后，用腳底輕觸 3上標記為“開”的按鍵，則彈簧插銷中的銷軸被彈簧力驅動橫向移動復位，解除反鎖狀態。接下來旅客就可以在門內重復腳動(踏板)開門動作，走出衛生間，最后仍然可以用腳底關門。

由此可見，從旅客如廁開門到如廁結束后關門，新型門鎖實現了如廁時“門把手零接觸”，具備方便實用、衛生防護的特點。

應用機械設計中常用的計算機輔助設計軟件，如SolidWorks、AutoCAD 等軟件，通過概念設計和做圖法可以很方便地確定門鎖中主要結構參數。門把手距離地面高度一般為 80～100cm；曲柄采用桿狀結構，該結構有效尺寸范圍設定為 50～60mm，根據實際需求也可以適當延長或縮短，曲柄越長則腳踏板(滑塊)運動越省力；曲柄與滑塊之間用連桿相連接，連桿的長度范圍一般為 75～90cm，在確定連桿最終長度時，要能夠滿足腳踏板上下位移范圍區間處于30～50mm這個條件，因為這個區間范圍可以保障旅客在腳動開門時腳跟不需要離開地面，只靠腳底板即可以實現腳踏開門的動作，符合人機工程學對產品的效率、安全、健康、舒適等方面的基本要求。彈簧插銷中銷軸橫向最大位移一般設計為15～20mm，不宜過大，否則就要相應加大楔形滑塊移動行程，而且楔形滑塊行程越大，所占空間就大，既不利于在門板內安裝，也不方便反鎖時使用。

4 結 語

社會的進步總在不停地給設計從業者提出不同的時代要求，當下即是一個給公共產品設施設計提出更高衛生性要求的時代[4]。一款新型機械產品在創意階段必須充分考慮實用性、經濟性和環保性等諸多制約因素，然后結合產品自身特點和功能，經過充分調研、研討、分析和篩選之后選擇最容易實現的方案。文中所設計的新型門鎖適用于辦公樓、居民樓、宿舍樓、學校、醫院、車站、商場、超市等人流密集公共場所的簡單門戶區域，具有非常廣泛的使用范圍和應用前景。