一款全自動科學洗手機的創(chuàng)新設(shè)計研究

鄭晨龍　黃元東　李昌杰　洪錦源　彭軼

摘 要：運用機械創(chuàng)新設(shè)計方案，研究開發(fā)了一款新型全自動一體化科學洗手機。該洗手機中包括單片機、蝸輪蝸桿、絲錐螺母、電動機、電磁閥、同步帶等配件，能為洗手者提供便捷有效、更為獨立的洗手條件，基本能夠解決單臂傷殘人士難以獨立完成洗手的問題，體現(xiàn)了科學環(huán)保的機械創(chuàng)新設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計；全自動一體化；洗手機；單臂

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

0 引言

自動洗手機是非接觸型洗手機，多用于酒店、賓館等容易產(chǎn)生細菌和病毒的公共場所，以此來防止和避免病毒的交叉感染。[1]目前洗手機的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷創(chuàng)新和完善中，使洗手機種類多樣化，而這些洗手機都是為大眾設(shè)計，單臂傷殘人士無法獨立科學洗手的問題一直沒有得到妥善解決。為解決這個問題，筆者及其組員提出了一款新型全自動科學洗手機的設(shè)計思路，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 全自動科學洗手機的創(chuàng)新過程

1.1 設(shè)計背景

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

1.2 現(xiàn)有洗手機功能綜合分析

市面上現(xiàn)有的全自動洗手機，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。全自動洗手機最大特點就是出水便捷快速，相較于原有的水龍頭出水方式，全自動洗手機能減少手部與機器的不必要接觸，又能夠節(jié)約水資源，然而在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)全自動洗手機仍然存在以下問題：（1）現(xiàn)有全自動洗手機成本高，價格昂貴，對一般家庭而言性價比不高；（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)過對現(xiàn)有全自動洗手機的綜合分析，在保留其出水、烘干功能的基礎(chǔ)上，針對單臂傷殘人士的情況，設(shè)計這款新型全自動洗手機，使其更適用于單臂傷殘人士。

1.3 全自動洗手機性能要求

針對目前存在的問題，為了使單臂傷殘人士有更好的洗手體驗，對新型全自動洗手機提出以下要求：（1）降低成本，提高性價比，價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，單手獨立使用或者雙手使用皆可；（4）能隨時復位，重新開始流程。總之，要求提供一款能夠廣泛推廣、功能齊全、使用簡單便捷、能適用于單臂傷殘人士的全自動洗手機。

2 全自動科學洗手機的設(shè)計方案

2.1 全自動科學洗手機的組成

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

2.2 全自動科學洗手機的使用原理

紅外傳感器置于入口上方，當檢測到有手伸入時，語音提示系統(tǒng)運行，刷轉(zhuǎn)機構(gòu)電機啟動，潔凈水流下打濕手部，刷子旋轉(zhuǎn)進行初步清洗；同時絲杠螺母使壓縮塊推進，向氣筒擠壓空氣，提供定量的洗手液；完成后電機反轉(zhuǎn)，潔凈水停止流下，等待若干時間后洗手液充分涂滿整個手部，再流下潔凈水進行最后清洗；隨后傳感器檢測到手仍在機器內(nèi)，則啟動風干機構(gòu)，對手進行風干處理。

3 樣品與性能測試

3.1 控制電路及分析

控制部分主要由STC89C52單片機、驅(qū)動、檢測、輸出等部分組成，通過單片機實現(xiàn)控制。紅外檢測部分作為控制系統(tǒng)的人機對話節(jié)后，負責輸入手的位置。單片機時刻響應(yīng)紅外線的信號，控制電機的運轉(zhuǎn)、電磁閥通斷及吹風機的開關(guān)。紅外對射開關(guān)檢測到手伸入洗手位置后通過單片機啟動電機以及電磁閥，帶動外部機械裝置實現(xiàn)洗手功能；當檢測到手伸入吹風機位置時開啟吹風機，直至手離開。在驅(qū)動電路中，采用雙電源供電，一組5V給單片機和控制電路供電，另一組24V給電機供電，在控制部分和電機驅(qū)動部分之間用光耦隔開，避免控制部分電源功能實現(xiàn)障礙。

3.2 能量轉(zhuǎn)換效率試驗

該產(chǎn)品采用一個電機，額定功率為75W，轉(zhuǎn)速為300r/min；一個鼓風機，額定功率為12W；額定電壓皆為12V。而我國標準電壓為220V，這就需要一個降壓模塊將輸出電壓變?yōu)?2V，以確保電機的正常運轉(zhuǎn)。

由于電路轉(zhuǎn)換損耗，電阻電壓損耗，供電損耗，自身運行損耗，真正從電機經(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，電機轉(zhuǎn)速為300r/min，蝸桿蝸輪傳動比為1：5，即理論上刷頭轉(zhuǎn)速為60r/min，然而經(jīng)多次實際測量刷頭平均轉(zhuǎn)速為55r/min，如此計算得損失能量約為8.3%。

4 結(jié)論

筆者運用創(chuàng)造原理和創(chuàng)新技法等科學方法[3]研發(fā)的新型全自動一體化科學洗手機，相較于其他同類產(chǎn)品更加便捷，從沖洗開始到風干結(jié)束實現(xiàn)完全自動，單臂清洗效果良好，單臂傷殘人士能夠獨立清洗手背指縫等部位，具有良好的體驗效果。該洗手機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)品完全自動化，所有控制系統(tǒng)皆由傳感器傳遞信號；（2）刷頭自轉(zhuǎn)，以勻速轉(zhuǎn)刷式的模式清潔手部；（3）無需控制電機轉(zhuǎn)動角度，即可完成洗手液的定量擠出；（4）風干機構(gòu)能實現(xiàn)掃描式送風，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：

[1]周燕，申東婭.一種新型紅外感應(yīng)全自動洗手器[J].云南大學學報，2004，26（04）：312-314.

[2]王磊，紀開心，鄭抑非.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智能硬件+助殘”新模式的分析[J].知識-力量，2018（12）.

[3]顏禹張，張歡韻.自行車發(fā)電及安全預警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)，2012（12）：62-64.

浙江省科技創(chuàng)新活動計劃資助項目，項目編號：2018R428031