防疫自动打包垃圾桶设计

谢宾文 李 琰 田永隆 刘证向

（长江大学文理学院，湖北 荆州 434020）

1 自动打包垃圾桶结构设计

自动打包防疫垃圾桶总体设计如图1，利用三维设计画出该产品的模型，通过视觉感官对本产品有一个更好的理解。防疫自动打包垃圾桶结构包括四个大部分小盖、大盖、筒身和行走装置，打包机构主要是存在于大盖中，它是通过带传动带动两个热切片的，夹紧垃圾袋口然后对袋口加热封，采用齿轮传动，结构更加紧凑，传动效率和平稳性高，传递运动准确可靠且使用寿命更长。而且设计采用“镰刀型”机构，它运动噪音较小，运行平稳安静。

图1 垃圾桶总体构造

1.1 垃圾桶小盖结构设计

自动打包垃圾桶的小盖是垃圾桶最上面的一个盖子，当我们扔垃圾的时候，垃圾桶通过传感器检测到人体靠近时小盖自动打开，在扔完垃圾的时候它又会自动合上。

小盖结构包括以下部分：小盖，电机，减速器。原动机选择直流小型低速电机，额定转速为160r/min，小盖翻转角度为90°，则转速为0.25r/s，换算成15r/min。

1.2 垃圾桶大盖结构设计

自动打包垃圾桶的大盖，是当垃圾桶完成打包动作后或者按下按键时自行打开的。打开时，上面的小盖和内部的打包机构相对大盖是静止，所以此时可以把小盖，打包机构和大盖看作一个整体来研究。经过SolidWorks 绘图测量，这个“整体”质量约为0.9kg。

根据家用自动打包垃圾桶内部空间结构进行设计，由于垃圾桶本身尺寸小，内部零件较多，所以齿轮和电机设计的尺寸不能过大，齿轮外径最好不要超过20mm，经查阅，选用模数为0.3 的齿轮尺寸较合理。

1.3 垃圾桶打包机构设计

打包垃圾桶的打包机构，在垃圾桶装满垃圾的时候，会自动夹紧垃圾袋袋口，进行加热完成打包。传动方案拟定，该设备原动机为电动机，Ⅰ为减速器部分，Ⅱ为齿轮传动部分。减速器为圆柱齿轮的三级传动，轴承初步选用角接触球轴承。

因为两个收紧臂所处空间位置的原因，左收紧臂在齿轮c10 上，右收紧臂在齿轮c6 上，设计两个收紧臂同转速，即齿轮c6 和齿轮c10 同转速，且方向相反。

图2 收紧臂间传动方案设计

1.4 发热装置的设计

打包装置位于家用自动打包垃圾桶大盖的内部，为两个关于左右对称的机械夹机构，形状像“镰刀型”，下文称之为收紧臂。左右两个收紧臂的中间各有一段环状缺口，缺口处装有垃圾桶的发热装置，发热装置为一根发热丝，收紧臂材料不能选用普通塑料，这里选用瓷板。因为瓷板具有很好的耐腐蚀、耐高温、寿命长和良好的光滑度的特性，在发热丝与垃圾袋接触进行加热动作时，垃圾袋不容易和发热丝粘在一起，避免垃圾袋破损。在加热过程中，发热丝的温度会很高，如果是普通塑料材质的收紧臂很容易融化，而瓷板具有非常不错的绝缘性能和隔热特性，所以瓷板既能够防止因为高温变形损坏，又可以防止垃圾桶漏电，还保证了发热装置良好的性能，大大提高了自动打包的质量，还提升了家用自动打包垃圾桶性能和稳定性，降低故障率。

图3 发热装置位置图

1.5 电路板设计

投入垃圾时，将手或垃圾靠近感应区域，根据人机要素分析，人在扔垃圾是脊椎在30～40°最好，所以感应区域在垃圾桶竖直方向上15-35cm 处，在0.5s 后，小盖会自动打开，或当人按下按键小盖自动打开，耗时2s，当垃圾桶感应不到人体5s 后小盖自动关闭，关闭耗时1s，如果手或物体不离开感应区，小盖将一直处于开启状态。

当垃圾桶通过压力传感器检测到垃圾装满或人按下打包按键时，垃圾桶进行打包动作，两收紧臂向中间夹紧垃圾袋，耗时1s，然后控制器给发热装置通电，对垃圾袋进行加热封口，加热时间为1.5s，然后两收紧臂回到初始位置，垃圾桶大盖打开，可以取出垃圾袋。

2 行走装置的设计

按照目前的研究，行走装置有很多种，包括腿式、轮式、履带式以及复合式。这几种结构类型都有各自的优缺点。

本次设计的是家用垃圾桶，其工作场所就是室内，没有复杂的地形，考虑到有些室内地面有小阶梯，垃圾桶行走过程中需要翻过去，所以要具备一定的越障能力，如果垃圾桶在一些比较狭小的室内空间行走，还要求转弯半径也要小，最好可以原地转向。因为是选取垃圾桶的行走装置，本身垃圾桶的空间就不大，所以结构又不能太复杂。结合以上的分析，行走装置适宜选取履带式。

家用自动打包垃圾桶设计要求是可以原地转向，而且结构尽可能的简单，所以驱动方式采用图履带结构。履带驱动是轮式驱动以外的一种广泛使用的驱动方式。履带和轮式都有各自的优缺点，目前大多数行走装置采用了这两种。车轮和履带传动之间最明显的区别是转向方式。履带式行走装置一般包含以下结构：驱动轮，张紧轮，支重轮，橡胶履带，行走梁，调节丝杆，张紧器。有的还包含平衡轮跟导向杆。

图4 履带式行走装置结构

3 结论与展望

3.1 结论

本论文针对传统垃圾桶打包不够便捷的问题，设计了一种“镰刀型”机械夹打包机构。设计小盖、大盖和打包机构的减速器，包括电机的选择，减速器的设计；分析了打包机构的结构以及打包原理，并设计发热装置为机械夹上的发热丝;对家用自动打包垃圾桶的传感器进行了详细地分析，还对垃圾桶电路板和无线充电进行比较具体的说明;选用履带作行走装置，并对几种履带驱动方式进行分析，讲述了它们的优缺点，并计算了履带的减速器齿轮传动比; 针对日常使用情况分析了家用自动打包垃圾桶的实用性与经济性，包括电池、履带、无线充电等方面。

3.2 展望

本论文设计的家用自动打包垃圾桶只针对传统垃圾桶进行改造，加入了自动打包结构和行走装置，但是还存在不足，可以改进以下方面：

（1）支持电量显示，垃圾桶有两个电池，耗电情况不统一，不容易预测电池剩余电量，可以改进在小盖的顶部加上一块小显示屏，把两个电池的剩余电量都显示出来，也可以显示充电时长。

（2）植入语音系统，不仅可以用声音控制小盖，打包垃圾袋，还能用语音让垃圾桶回到充电桩充电，“听声辩位”让垃圾桶自动行走到您身旁。

（3）自动换袋功能，在垃圾桶打包完垃圾袋，我们把垃圾袋取出后，垃圾桶自动更换新的垃圾袋，让我们的双手更加干净卫生，也更加省事省力。