口罩回收處理機(jī)的設(shè)計(jì)

摘 要：為解決日常生活中廢棄口罩的污染問題，設(shè)計(jì)了一款口罩回收處理機(jī)。首先運(yùn)用SolidWorks軟件構(gòu)建出口罩回收處理機(jī)，由消毒裝置、無紡布切割裝置和回收裝置等三個(gè)主模塊組成。其次，運(yùn)用中望3D結(jié)構(gòu)仿真分析軟件檢驗(yàn)口罩回收處理機(jī)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)是否滿足使用要求。再次，設(shè)計(jì)整機(jī)控制系統(tǒng)，并通過yolov5算法和VL53L0X激光脈沖技術(shù)提高口罩識別的準(zhǔn)確性和分離速度。最后，制作出實(shí)物樣機(jī)并進(jìn)行測試。結(jié)果表明：口罩回收處理機(jī)能夠滿足日常生活中對廢棄口罩無害化處理的要求。

關(guān)鍵詞：無紡布回收；口罩；口罩分離；無害化

中圖分類號： TH12" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

新冠疫情時(shí)期，為了減少病毒的傳播，大眾對口罩的需求激增，使口罩生產(chǎn)量以及使用量隨之增加，僅2019年2月底口罩的日生產(chǎn)總量就達(dá)到了1.16億[1]；后疫情時(shí)期，人們出行仍依賴口罩保護(hù)自身健康，致使口罩使用量依然不減。因此從疫情開始以來出現(xiàn)大量的廢棄口罩。口罩中的無紡布主要成分是氯丙烯，對環(huán)境的污染嚴(yán)重，回收無紡布可以減少對環(huán)境的污染。在黑龍江、山西、貴州三省發(fā)放的面向不同人群的444份調(diào)查問卷顯示30%民眾不介意使用再回收口罩，46%的民眾愿意嘗試回收熔噴布成分再制作的口罩，這為設(shè)計(jì)廢棄口罩回收處理機(jī)打下良好的基礎(chǔ)[2]。

口罩回收處理機(jī)[3]是廢棄口罩的承接設(shè)備，能起到消毒、拆解口罩、分類回收無紡布等功能它為提高廢棄口罩的回收效率提供了一種解決方案，它能夠提高廢棄口罩在源頭回收的效率?？谡只厥仗幚頇C(jī)可在商場、醫(yī)院門口、交通站口等人流量大的地方提供回收服務(wù)，不僅能利用裝置的雙重消毒工序避免口罩上的病菌造成二次感染，還能大量從廢棄口罩中拆解的無紡布可供回收利用，化廢為寶。

1 整體設(shè)計(jì)

口罩回收處理機(jī)[4-5]在機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)消毒裝置、無紡布切割裝置和回收裝置，在此基礎(chǔ)上結(jié)合電子控制部分，添加了基于Jetson Nano的口罩識別裝置，利用開發(fā)小程序遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)器識別廢棄口罩，分離口罩并消毒，再分類集中儲存分離的物料。機(jī)器處理流程如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

口罩回收處理機(jī)[6-7]的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由消毒裝置、無紡布切割裝置和回收裝置3個(gè)部分組成。消毒裝置能旋轉(zhuǎn)口罩，對口罩進(jìn)行充分消毒，減少后期回收口罩材料的感染風(fēng)險(xiǎn)。無紡布切割裝置將口罩固定并切割，按層分離處理口罩，提高口罩無紡布的回收效率?；厥昭b置收集由重力作用落入回收箱內(nèi)的布料，快速分類回收無紡布以及內(nèi)外2層布料。

2.1 消毒裝置

消毒裝置主要由口罩旋轉(zhuǎn)裝置和酒精噴頭組成。口罩旋轉(zhuǎn)裝置由適應(yīng)口罩掛繩的十字定位桿旋轉(zhuǎn)軸和傳感器組成（如圖3所示）?？谡痔兹胧中D(zhuǎn)軸后，旋轉(zhuǎn)裝置會將口罩朝消毒裝置的方向進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至酒精噴頭的側(cè)方位置時(shí)，對口罩進(jìn)行消毒。充分消毒后，口罩會旋轉(zhuǎn)至滑桿正上方，兩側(cè)的雙曲柄搖桿裝置會將口罩推進(jìn)滑軌，進(jìn)入無紡布切割裝置的工作區(qū)。

2.2 無紡布切割裝置

無紡布切割裝置是根據(jù)廢棄口罩外形與材料特性來分離口罩的主要裝置，由帶有鍘刀的扁平刀盒和固定盒組成。鍘刀的尺寸根據(jù)一次性醫(yī)用口罩設(shè)定，鍘刀沿口罩四周鍘開，使口罩的內(nèi)、中和外3層的總固定層分離。刀盒和固定盒上均有魔術(shù)貼，利用魔術(shù)貼的黏性分離廢棄口罩的內(nèi)外層。無紡布切割裝置如圖4所示，裝置工作流程如圖5所示。

當(dāng)光電傳感器感應(yīng)口罩滑落至滑桿水平軌道時(shí)，伸縮桿[8]前推，帶動(dòng)刀盒和固定盒相向運(yùn)動(dòng)，直至夾緊口罩。此時(shí)，口罩兩側(cè)布料與刀盒、固定盒上的魔術(shù)貼粘合，刀盒上的鍘刀運(yùn)動(dòng)切割口罩，裁剪口罩內(nèi)部無紡布。伸縮桿后撤，口罩兩側(cè)布料沿滑軌送入下端，無紡布進(jìn)入對應(yīng)回收箱。等待光電傳感器感應(yīng)下一個(gè)口罩滑落，裝置循環(huán)上述工作流程。

2.3 回收裝置

回收裝置包括2個(gè)布料收集箱和1個(gè)無紡布收集箱，與無紡布切割裝置配合，收集依次掉落的廢棄口罩原料。在每個(gè)回收箱中都配置紫外線燈光，對收集的口罩原料進(jìn)行殺菌消毒。在回收裝置下方設(shè)計(jì)蝸桿滑輪，當(dāng)收集箱內(nèi)物料滿載時(shí)，小程序顯示回收已滿，下方箱門蝸桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)收集箱自動(dòng)彈出，分離廢棄口罩原料后，收集并回收可利用的材料。

3 有限元分析

當(dāng)口罩回收處理機(jī)裁切口罩時(shí)，無紡布切割裝置內(nèi)推動(dòng)刀盒的伸縮桿承受的載荷最大。為避免伸縮桿受力后彎曲變形，保障安全使用口罩回收處理機(jī)，對伸縮桿進(jìn)行有限元分析。參考市面上的伸縮桿，進(jìn)行材料設(shè)置，選擇材料為鋁（牌號2014-T6）。

根據(jù)伸縮桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，預(yù)計(jì)受力情況，通過中望3D軟件分析該部件在口罩回收處理機(jī)處于工況狀態(tài)的最大單位應(yīng)變能、最大位移和最大平均等效應(yīng)力。其中最大單位應(yīng)變能分析結(jié)果如圖6所示，單位應(yīng)變能最大值為0.000 062 J，小于1 J，滿足伸縮桿當(dāng)工作時(shí)的能量消耗。

位移分析結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明當(dāng)伸縮桿頂部的位移最大時(shí)，數(shù)值為0.117 mm，＜1 mm，滿足產(chǎn)品的性能需求。另外，伸縮桿處于工況狀態(tài)的平均等效應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示，最大平均等效應(yīng)力為50.04 MPa，出現(xiàn)在伸縮桿支座與底部的連接處，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。鋁的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，伸縮桿的應(yīng)力最大值小于鋁的屈服應(yīng)力，伸縮桿未發(fā)生損壞，滿足產(chǎn)品使用條件。綜上所述，通過分析伸縮桿的單位應(yīng)變能、位移和平均等效應(yīng)力，得出結(jié)論，材料為鋁的伸縮桿能夠滿足裝置的正常工作需求。

4 控制設(shè)計(jì)

口罩回收處理機(jī)的主要控制部分由口罩識別裝置、傳感裝置以及小程序控制3個(gè)部分組成。機(jī)器采用STM32F4為主控芯片，通過傳感器、激光測距和Jetson Nano深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練等方式檢測是否有口罩進(jìn)入處理裝置，并將信息反饋給STM32，STM32根據(jù)獲取的信息切割、消毒并集中儲存口罩，對廢棄口罩進(jìn)行智能化處理。

4.1 控制流程

將口罩放入入口，Jetson Nano系統(tǒng)檢測口罩，人手離開并處于安全范圍后，傳感器發(fā)送信號給主控芯片，機(jī)器開始運(yùn)行?？谡中D(zhuǎn)裝置帶動(dòng)口罩旋轉(zhuǎn)至消毒裝置預(yù)定位置，單片機(jī)通過發(fā)送指令運(yùn)行消毒裝置，令酒精噴頭噴出噴霧，完成口罩第一道消毒工序。口罩抵達(dá)無紡布切割裝置后，單片機(jī)發(fā)送信號，伸縮桿運(yùn)動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，利用刀盒與固定盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將口罩按材料性質(zhì)進(jìn)行分離，處理好的口罩布料分類儲存至收集箱。利用紫外線燈光對收集箱內(nèi)的口罩進(jìn)行二次消毒。循環(huán)運(yùn)作，直至回收箱傳感器檢測口罩堆積高度達(dá)到設(shè)定值，裝置停止運(yùn)作，向單片機(jī)發(fā)送口罩集滿信號，回收箱自動(dòng)彈出。在其工作期間，可利用微信小程序查看裝置運(yùn)作狀態(tài)，口罩回收處理機(jī)控制流程如圖9所示。

4.2 口罩識別裝置

在口罩第一道入口處，設(shè)計(jì)基于Jetson Nano的口罩識別裝置。由Jetson inference模塊檢測圖像中的對象，通過yolov5訓(xùn)練識別口罩模型，以此來檢測口罩是否進(jìn)入裝置。由于Jetson Nano識別口罩的精確度容易受周圍環(huán)境光線的影響，且口罩的材質(zhì)、形狀和大小不同，可能會對Jetson Nano識別口罩造成影響，為保證精確識別口罩進(jìn)行處理，采用VL53L0X激光脈沖式測距進(jìn)行輔助檢測，進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷是否有廢棄口罩進(jìn)入處理裝置。

4.3 傳感裝置

考慮安全保護(hù)問題，在Jetson Nano和激光測距的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)傳感裝置[9]。將口罩放入進(jìn)口，人手離開并于安全范圍后，傳感器發(fā)送信號給主控芯片，機(jī)器開始運(yùn)行。當(dāng)沒有口罩時(shí)，機(jī)器進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電能消耗，定時(shí)對每個(gè)回收箱進(jìn)行紫外線照射來殺菌消毒。

4.4 小程序控制

使用無線模塊，搭配微信小程序連接云端，在云端遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)狀態(tài)。無線模塊實(shí)時(shí)采集各智能口罩回收終端的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至微信小程序，調(diào)用小程序，獲取口罩處理信息，例如查看儲存室的剩余可使用空間、裝置是否在工作、已處理廢棄口罩?jǐn)?shù)量等，便于監(jiān)控并調(diào)度裝置。小程序控制界面如圖10所示。

5 測試驗(yàn)證以及結(jié)果

為驗(yàn)證口罩回收處理機(jī)的工作性能，制作的樣機(jī)模型如圖11所示。為測試識別口罩的精確度和口罩分離所用的時(shí)間，口罩回收處理機(jī)進(jìn)行了99次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，口罩回收處理機(jī)識別口罩的精確度為98.5%，平均分離每個(gè)口罩所用的時(shí)間為25 s。

6 結(jié)語

口罩回收處理機(jī)采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，對各功能的工序進(jìn)程和機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化后，提高了識別口罩的準(zhǔn)確率和口罩分離速度?？谡只厥仗幚頇C(jī)可對廢棄口罩進(jìn)行消毒、分離再集中儲存，方便對廢棄一次性口罩進(jìn)行二次利用，可通過制成建筑材料、工業(yè)用品等，實(shí)現(xiàn)對廢棄一次性口罩的無害化、減量化、資源化處理。無論是應(yīng)對廣泛的衛(wèi)生疾病還是保障日常生活環(huán)境，口罩回收處理機(jī)的普及都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]江小浦，鄭敏，胡書可.后疫情時(shí)代一次性口罩的綠色設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程，2022，43（22）：418-424.

[2]毛義華，張釗，胡雨晨.后疫情視角下居民廢棄口罩回收再利用接受度研究[J].經(jīng)濟(jì)師，2022（7）：8-10.

[3]曾繁昌，譚思敏.口罩自動(dòng)化生產(chǎn)一體機(jī)研究[J].機(jī)電信息，2020（20）：32-33.

[4]王麗莉，宋彬.全自動(dòng)平面口罩機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2020（11）：128-131.

[5]周友華，王谷洪，吳國卷，等.兩種口罩機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)分析及優(yōu)劣比較[J].機(jī)電信息，2022（4）.78-81.

[6]林鳳欽.口罩機(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)分析與調(diào)試[J].中國機(jī)械，2021（2）：106-108.

[7]倪明堂，趙健州，方浩賢，等.基于模塊化設(shè)計(jì)的KN95全自動(dòng)折疊口罩生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（8）：141-144.

[8]劉赟，王浩，黃明.過盈接觸式伸縮桿的動(dòng)態(tài)特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（13）：115-120.

[9]張曉群，呂惠民.壓力傳感器的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來[J].半導(dǎo)體雜志，2000（1）：47-50.

基金項(xiàng)目：廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“口罩無紡布回收處理裝置”（項(xiàng)目編號：pdjh2023a0299）；廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目“基于裸眼3D技術(shù)的智能制造類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：YJGH202304704）；廣東技術(shù)師范大學(xué)2022年校級教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于裸眼3D虛擬仿真技術(shù)的智能制造類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：JGYB202230）。