智能家居自动打包垃圾桶设计

花士林 陈雪娇 陈果

摘  要：探究智能化技术在家居产品设计中的应用，从而提高产品的实际可操作性和便捷性。以智能家居自动打包垃圾桶设计为例，从功能、工作原理、人机工学和产品结构四个方面进行设计实践。基于使用者的生理和心理需求，提出智能化技术在家居产品中的实用性。智能化技术为家居产品设计提供了新的设计方向，智能化家居产品从使用者需求出发，使智能化技术更好的为人们服务。

关键词：智能化技术;家居产品;自动打包垃圾桶设计;需求定位

中图分类号：X705         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）25-0039-03

Abstract： The application of intelligent technology in the design of home products is explored， thereby improving the practical operability and convenience of the product. Taking the smart home automatic packaging garbage bin design as an example， the design is carried out in four aspects： function， working principle， ergonomics and product structure. Based on the physiological and psychological needs of users， the practicality of intelligent technology in household products is proposed. A new design direction for home product design is also provided. Based on user needs， intelligent technology will be improved to better serve people.

Keywords： intelligent technology; household products; automatic packaging garbage bin design; demand positioning

引言

智能化設计一直是研究的热门话题，其应用也在生活中随处可见。随着智能化家居产品越来越多地出现在人们的生活环境中，家居产品的智能化设计也越来越受到人们的关注。本次研究的方向便是针对目前的家居智能垃圾桶产品，设计出一款基于垃圾收集处理的自动化，减少人在存取垃圾过程中接触细菌的可能性的自动打包垃圾桶，从而方便使用者处理垃圾。

1 智能技术在垃圾桶中的应用

目前智能垃圾桶的智能化程度并不高，本质上还是一个用来储存垃圾的桶。其智能的方面是在原有的垃圾桶基础上加上了红外线感应开盖和密封功能。

红外线感应功能的原理很简单，运用红外线感应技术，当人的手处在感应范围内时（比如10cm左右）垃圾桶盖便会自动打开，以此延伸的也有多种开盖模式，如翻盖式、侧拉式等。密封功能就是采用全密封设计，防止垃圾异味发散。

目前国内智能化最高的垃圾桶便是小米的“拓牛”智能垃圾桶，它在现有智能垃圾桶的基础上，增加了自动打包功能。具体的工作原理便是通过运用垃圾袋的塑料特性，加热热封垃圾袋口。

2 现有的自动打包技术分析

自动打包技术的研究是近些年才开始的，目前已有的技术大多可以归为三类：借助辅助工具的半自动打包、旋转打包和热封打包。

2.1 借助辅助工具的半自动打包

传统形式上的手动打包仅仅是靠人力将垃圾袋打包，但经过开发，目前也研究出了除依靠手完成部分动作外，主要靠机械部件将垃圾桶打包的技术。

比如，中国在之前有一项专利是垃圾桶桶口具有收口缺口、双面胶带和刀片，当需要清理垃圾时，将垃圾袋的边口向上提起，拉动垃圾桶内桶的收束装置，在拉动的同时旋转袋口，而使该袋口束紧于缺口内，并有刀片切割出一段双面胶带，粘贴在袋口后，通过双面胶特性，旋转封住袋口，完成打包工作。

2.2 旋转打包

旋转式打包垃圾桶发展较早，尤其是在国外，技术已相当成熟，但随着中国在这方面越来越关注，国内也已有部分研发。其主要原理是，固定袋口或者袋身，然后通过机械传动，旋转其中一方实现打包。

如，德国的一项技术是在筒口设置压紧环，当环转动时带动垃圾袋袋口转动，实现打包。不过，这种打包方式效率十分的低;中国早期的一项发明专利为，在桶口设置半圆铁环，通过两铁环的相对转动，可带动垃圾袋的扭转。

2.3 热封打包

当手动打包与旋转打包已无法满足现代人的需求时，于是更加智能化、便捷的热封打包垃圾桶便应运而生。热封打包主要依靠一对热封部件，依据塑料袋特性将垃圾袋袋口热封。

德国发明了一款自动打包垃圾桶，该垃圾桶中安装有抽气装置，当垃圾袋到达一定量后，抽气装置将垃圾袋抽真空，然后通过设置在垃圾袋袋口两边的热切片热封，使得能最小空间限度的打包垃圾。而日本的一项研究发明则为，在垃圾桶底部设置重力感应装置，当垃圾袋中的垃圾到达一定重量时，位于垃圾桶内桶中间的热切片便相向运动，将垃圾袋口热封。

不过，无论是半自动打包还是旋转打包，包括目前打包效率最高的热封打包技术，都存在着一定的局限性，前两者要求人参与的动作较多，而热封打包则需要考虑塑料垃圾袋特性以及其他等诸多因素，因此也会有不少的缺点。

3 运用形态分析法进行方案研制

形态分析法是一种常用的组合发明法，是把所需要解决的问题分解成若干个彼此独立的要素，然后用网络图解方式进行排列组合，以产生解决问题的系统方案或创造发明设想的方法。

通过对家居自动打包垃圾桶各功能组件的多个可行性预想方法的拆解，建立形态矩阵图，如表1所示。

根据自动打包垃圾桶的功能特点，以及结合产品的经济性、实用性、安全性和可行性等设计要素，最后得到最佳的方案：A1+B1+C3+D2+E3+F3。

4 自动打包垃圾桶工作原理

图1自动打包垃圾桶的结构剖视图。当按下自动打包键1后，内桶5的机械夹4会先将垃圾袋夹紧，然后底部带传动8带动内桶5的旋转，将垃圾袋旋转封口（袋口压板2用来固定垃圾袋袋口，防止旋转打包时打滑）。最后顶部的热封装置3工作，热切片加热，由带传动带向中间移动，加热袋口完成打包。

5 主要功能结构设计

5.1 按钮高度与人机要素分析

使用者在输入打包指令和处理垃圾袋時，大多都需要进行弯腰动作（少部分半自动打包垃圾桶采用踏板式机械结构，这里不做研究），而颈椎是这个动作的承受者，研究表明当人的颈椎处于平直状态时对腰椎的伤害最小。腰椎的活动范围在脊柱中处于中等，比颈椎小但比胸椎大，使用者常见的动作为前屈动作，最佳范围为30°～45°之间。参考站立时臂及范围：

假设立姿手高高度H=75，前屈角度α=45°，设操作台界面高为Χ，则：

同理，当前屈角度α=30°时，

5.2 红外线感应开盖

家居自动打包垃圾桶的设计中采用LS-2W微功耗红外线反射型感应开关，当感知到15cm范围内有东西存在时，会发射并接收信号，通过控制电板做出开盖反应。并且有两种开盖模式，长按打包按键，听到“叮”一声为长时间开盖模式，再次长按打包按键会关闭盖子并回到正常模式。

5.3 重力感应装置

考虑到垃圾过满会影响打包效率，并且用户在垃圾桶的使用过程中容易忽视这点，所以在垃圾桶底部安装有重力感应开关，当桶内垃圾积攒到一定重量后，会自动触发电路开关然后，进行自动打包并且会报警提示使用者。

5.4 旋转结构

该结构运用带传动原理，小型电机提供动能，通过履带带动轴承的旋转（轴承顶部焊接有齿轮），顶部的齿轮与垃圾桶内桶底部契合，从而带动内桶的旋转，如图2所示。

5.5 机械夹结构

机械夹放置在内桶里面，靠紧内桶内壁，底部由荷叶结构连接。当发出自动打包指令后，机械夹会首先夹住垃圾袋，防止旋转时出现打滑现象，如图3所示。

5.6 热封打包结构设计

热封打包同样运用带传动原理，小型电机提供动能，履带带动两个热切片向中间移动。热切片由耐热塑料包裹，头部为导热铝片，当发出打包指令后，热切片加热，同时带传动带动两个热切片向中间移动，热封垃圾袋袋口，如图4所示。

6 结束语

随着技术的发展，智能产品充斥人们日常生活，创造了一种更美好、舒适、便捷的生活方式。利用智能化技术，生活上可以给使用者带来更多的便利。目前家居自动打包垃圾桶产品虽仍存在一些问题，但随着未来技术的更新，垃圾桶会向着更方便和卫生的方向发展，结合目前的扫地机器人，实现扫垃圾和处理垃圾一体化;与智能语音结合，使其更具智能化等等，相信在不久的以后这些都是可以实现的。

参考文献：

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[2]胡文君，李著信.基于形态分析法的多功能环保型折叠壶设计[J].轻工机械，2004（04）：106-108.

[3]李建华.LS-2微功耗红外线反射型感应开关[J].电子世界，1995（01）：24-25.

[4]丁玉兰.人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2011.