口罩回收处理机的设计

摘 要：为解决日常生活中废弃口罩的污染问题，设计了一款口罩回收处理机。首先运用SolidWorks软件构建出口罩回收处理机，由消毒装置、无纺布切割装置和回收装置等三个主模块组成。其次，运用中望3D结构仿真分析软件检验口罩回收处理机关键零部件结构是否满足使用要求。再次，设计整机控制系统，并通过yolov5算法和VL53L0X激光脉冲技术提高口罩识别的准确性和分离速度。最后，制作出实物样机并进行测试。结果表明：口罩回收处理机能够满足日常生活中对废弃口罩无害化处理的要求。

关键词：无纺布回收；口罩；口罩分离；无害化

中图分类号： TH12" 文献标志码：A

新冠疫情时期，为了减少病毒的传播，大众对口罩的需求激增，使口罩生产量以及使用量随之增加，仅2019年2月底口罩的日生产总量就达到了1.16亿[1]；后疫情时期，人们出行仍依赖口罩保护自身健康，致使口罩使用量依然不减。因此从疫情开始以来出现大量的废弃口罩。口罩中的无纺布主要成分是氯丙烯，对环境的污染严重，回收无纺布可以减少对环境的污染。在黑龙江、山西、贵州三省发放的面向不同人群的444份调查问卷显示30%民众不介意使用再回收口罩，46%的民众愿意尝试回收熔喷布成分再制作的口罩，这为设计废弃口罩回收处理机打下良好的基础[2]。

口罩回收处理机[3]是废弃口罩的承接设备，能起到消毒、拆解口罩、分类回收无纺布等功能它为提高废弃口罩的回收效率提供了一种解决方案，它能够提高废弃口罩在源头回收的效率。口罩回收处理机可在商场、医院门口、交通站口等人流量大的地方提供回收服务，不仅能利用装置的双重消毒工序避免口罩上的病菌造成二次感染，还能大量从废弃口罩中拆解的无纺布可供回收利用，化废为宝。

1 整体设计

口罩回收处理机[4-5]在机械结构上设计消毒装置、无纺布切割装置和回收装置，在此基础上结合电子控制部分，添加了基于Jetson Nano的口罩识别装置，利用开发小程序远程监控机器的运行状态。机器识别废弃口罩，分离口罩并消毒，再分类集中储存分离的物料。机器处理流程如图1所示，内部结构如图2所示。

2 结构设计

口罩回收处理机[6-7]的机械结构主要由消毒装置、无纺布切割装置和回收装置3个部分组成。消毒装置能旋转口罩，对口罩进行充分消毒，减少后期回收口罩材料的感染风险。无纺布切割装置将口罩固定并切割，按层分离处理口罩，提高口罩无纺布的回收效率。回收装置收集由重力作用落入回收箱内的布料，快速分类回收无纺布以及内外2层布料。

2.1 消毒装置

消毒装置主要由口罩旋转装置和酒精喷头组成。口罩旋转装置由适应口罩挂绳的十字定位杆旋转轴和传感器组成（如图3所示）。口罩套入十字旋转轴后，旋转装置会将口罩朝消毒装置的方向进行180°旋转，在旋转的过程中，当旋转至酒精喷头的侧方位置时，对口罩进行消毒。充分消毒后，口罩会旋转至滑杆正上方，两侧的双曲柄摇杆装置会将口罩推进滑轨，进入无纺布切割装置的工作区。

2.2 无纺布切割装置

无纺布切割装置是根据废弃口罩外形与材料特性来分离口罩的主要装置，由带有铡刀的扁平刀盒和固定盒组成。铡刀的尺寸根据一次性医用口罩设定，铡刀沿口罩四周铡开，使口罩的内、中和外3层的总固定层分离。刀盒和固定盒上均有魔术贴，利用魔术贴的黏性分离废弃口罩的内外层。无纺布切割装置如图4所示，装置工作流程如图5所示。

当光电传感器感应口罩滑落至滑杆水平轨道时，伸缩杆[8]前推，带动刀盒和固定盒相向运动，直至夹紧口罩。此时，口罩两侧布料与刀盒、固定盒上的魔术贴粘合，刀盒上的铡刀运动切割口罩，裁剪口罩内部无纺布。伸缩杆后撤，口罩两侧布料沿滑轨送入下端，无纺布进入对应回收箱。等待光电传感器感应下一个口罩滑落，装置循环上述工作流程。

2.3 回收装置

回收装置包括2个布料收集箱和1个无纺布收集箱，与无纺布切割装置配合，收集依次掉落的废弃口罩原料。在每个回收箱中都配置紫外线灯光，对收集的口罩原料进行杀菌消毒。在回收装置下方设计蜗杆滑轮，当收集箱内物料满载时，小程序显示回收已满，下方箱门蜗杆联动机构带动收集箱自动弹出，分离废弃口罩原料后，收集并回收可利用的材料。

3 有限元分析

当口罩回收处理机裁切口罩时，无纺布切割装置内推动刀盒的伸缩杆承受的载荷最大。为避免伸缩杆受力后弯曲变形，保障安全使用口罩回收处理机，对伸缩杆进行有限元分析。参考市面上的伸缩杆，进行材料设置，选择材料为铝（牌号2014-T6）。

根据伸缩杆的运动状态，预计受力情况，通过中望3D软件分析该部件在口罩回收处理机处于工况状态的最大单位应变能、最大位移和最大平均等效应力。其中最大单位应变能分析结果如图6所示，单位应变能最大值为0.000 062 J，小于1 J，满足伸缩杆当工作时的能量消耗。

位移分析结果如图7所示，结果表明当伸缩杆顶部的位移最大时，数值为0.117 mm，＜1 mm，满足产品的性能需求。另外，伸缩杆处于工况状态的平均等效应力分析结果如图8所示，最大平均等效应力为50.04 MPa，出现在伸缩杆支座与底部的连接处，没有出现应力集中现象。铝的屈服强度，抗拉强度，伸缩杆的应力最大值小于铝的屈服应力，伸缩杆未发生损坏，满足产品使用条件。综上所述，通过分析伸缩杆的单位应变能、位移和平均等效应力，得出结论，材料为铝的伸缩杆能够满足装置的正常工作需求。

4 控制设计

口罩回收处理机的主要控制部分由口罩识别装置、传感装置以及小程序控制3个部分组成。机器采用STM32F4为主控芯片，通过传感器、激光测距和Jetson Nano深度学习训练等方式检测是否有口罩进入处理装置，并将信息反馈给STM32，STM32根据获取的信息切割、消毒并集中储存口罩，对废弃口罩进行智能化处理。

4.1 控制流程

将口罩放入入口，Jetson Nano系统检测口罩，人手离开并处于安全范围后，传感器发送信号给主控芯片，机器开始运行。口罩旋转装置带动口罩旋转至消毒装置预定位置，单片机通过发送指令运行消毒装置，令酒精喷头喷出喷雾，完成口罩第一道消毒工序。口罩抵达无纺布切割装置后，单片机发送信号，伸缩杆运动，电机旋转，利用刀盒与固定盒的结构设计，将口罩按材料性质进行分离，处理好的口罩布料分类储存至收集箱。利用紫外线灯光对收集箱内的口罩进行二次消毒。循环运作，直至回收箱传感器检测口罩堆积高度达到设定值，装置停止运作，向单片机发送口罩集满信号，回收箱自动弹出。在其工作期间，可利用微信小程序查看装置运作状态，口罩回收处理机控制流程如图9所示。

4.2 口罩识别装置

在口罩第一道入口处，设计基于Jetson Nano的口罩识别装置。由Jetson inference模块检测图像中的对象，通过yolov5训练识别口罩模型，以此来检测口罩是否进入装置。由于Jetson Nano识别口罩的精确度容易受周围环境光线的影响，且口罩的材质、形状和大小不同，可能会对Jetson Nano识别口罩造成影响，为保证精确识别口罩进行处理，采用VL53L0X激光脉冲式测距进行辅助检测，进一步准确判断是否有废弃口罩进入处理装置。

4.3 传感装置

考虑安全保护问题，在Jetson Nano和激光测距的基础上，设计传感装置[9]。将口罩放入进口，人手离开并于安全范围后，传感器发送信号给主控芯片，机器开始运行。当没有口罩时，机器进入休眠状态以节省电能消耗，定时对每个回收箱进行紫外线照射来杀菌消毒。

4.4 小程序控制

使用无线模块，搭配微信小程序连接云端，在云端远程监控装置实时状态。无线模块实时采集各智能口罩回收终端的数据，将数据发送至微信小程序，调用小程序，获取口罩处理信息，例如查看储存室的剩余可使用空间、装置是否在工作、已处理废弃口罩数量等，便于监控并调度装置。小程序控制界面如图10所示。

5 测试验证以及结果

为验证口罩回收处理机的工作性能，制作的样机模型如图11所示。为测试识别口罩的精确度和口罩分离所用的时间，口罩回收处理机进行了99次试验，试验结果显示，口罩回收处理机识别口罩的精确度为98.5%，平均分离每个口罩所用的时间为25 s。

6 结语

口罩回收处理机采用机电一体化设计，对各功能的工序进程和机身结构进行设计和优化后，提高了识别口罩的准确率和口罩分离速度。口罩回收处理机可对废弃口罩进行消毒、分离再集中储存，方便对废弃一次性口罩进行二次利用，可通过制成建筑材料、工业用品等，实现对废弃一次性口罩的无害化、减量化、资源化处理。无论是应对广泛的卫生疾病还是保障日常生活环境，口罩回收处理机的普及都具有重要的现实意义。

参考文献

[1]江小浦，郑敏，胡书可.后疫情时代一次性口罩的绿色设计研究[J].包装工程，2022，43（22）：418-424.

[2]毛义华，张钊，胡雨晨.后疫情视角下居民废弃口罩回收再利用接受度研究[J].经济师，2022（7）：8-10.

[3]曾繁昌，谭思敏.口罩自动化生产一体机研究[J].机电信息，2020（20）：32-33.

[4]王丽莉，宋彬.全自动平面口罩机控制系统的设计[J].装备制造技术，2020（11）：128-131.

[5]周友华，王谷洪，吴国卷，等.两种口罩机的技术特点分析及优劣比较[J].机电信息，2022（4）.78-81.

[6]林凤钦.口罩机结构及控制系统分析与调试[J].中国机械，2021（2）：106-108.

[7]倪明堂，赵健州，方浩贤，等.基于模块化设计的KN95全自动折叠口罩生产线关键技术研究[J].机电工程技术，2020，49（8）：141-144.

[8]刘赟，王浩，黄明.过盈接触式伸缩杆的动态特性[J].机械工程学报，2012，48（13）：115-120.

[9]张晓群，吕惠民.压力传感器的发展、现状与未来[J].半导体杂志，2000（1）：47-50.

基金项目：广东大学生科技创新培育专项资金资助项目“口罩无纺布回收处理装置”（项目编号：pdjh2023a0299）；广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目“基于裸眼3D技术的智能制造类课程实验教学改革与实践”（项目编号：YJGH202304704）；广东技术师范大学2022年校级教学改革研究项目“基于裸眼3D虚拟仿真技术的智能制造类课程实验教学改革与实践”（项目编号：JGYB202230）。