符莎

基于IRIS機(jī)構(gòu)的醫(yī)療廢棄物垃圾箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

符莎

（中山市技師學(xué)院，廣東 中山 528403）

針對(duì)現(xiàn)有垃圾箱類產(chǎn)品多為單層結(jié)構(gòu)，垃圾中的有害氣體和氣溶膠易揮發(fā)至空氣中，導(dǎo)致周圍空氣受到二次污染，用戶易于接觸有害氣體并被病菌感染的情況，設(shè)計(jì)一種可防止有害氣體和氣溶膠物質(zhì)溢出的垃圾箱產(chǎn)品。結(jié)合IRIS機(jī)構(gòu)在空間占用方面的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種采用IRIS機(jī)構(gòu)，具有內(nèi)部隔離門的醫(yī)療廢棄物垃圾箱方案，并進(jìn)行內(nèi)部機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，確保垃圾箱產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)出的垃圾箱產(chǎn)品采用雙層隔離的方式，內(nèi)部隔離門采用IRIS機(jī)構(gòu)，占用空間小。具有內(nèi)部隔離門的垃圾箱產(chǎn)品可以有效防止有害氣體揮發(fā)和氣溶膠物質(zhì)溢出，減少周圍環(huán)境受到污染的可能性，從而降低因垃圾箱設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致使用者感染病菌的風(fēng)險(xiǎn)。

IRIS機(jī)構(gòu)；垃圾箱；設(shè)計(jì)

近年來，新冠肺炎疫情在世界各地傳播，人們使用醫(yī)療防護(hù)物品的數(shù)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，尤其是在各大醫(yī)院及居民生活區(qū)，每天都會(huì)產(chǎn)生大量醫(yī)療廢棄物垃圾，醫(yī)療廢棄物中多含有病菌、易揮發(fā)性和氣溶膠等有害物質(zhì)[1-3]，醫(yī)院環(huán)境的消毒、防止有害物品和氣體外溢等都是醫(yī)院重要的感染防控工作[4]。隨著人們對(duì)新冠肺炎疫情的愈發(fā)重視，氣溶膠逐漸成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者通過對(duì)國(guó)內(nèi)青島、西安等，國(guó)外拉各斯等地區(qū)多個(gè)城市的垃圾場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行研究分析后表明，在垃圾收集處空氣中的真菌濃度較高[5-7]，氣溶膠顆粒中包裹著真菌、病毒等有害微生物，在空氣中存留時(shí)間長(zhǎng)[8]，相比其他污染物更容易被吸入人體內(nèi)造成二次感染[9-11]。我國(guó)目前居民區(qū)和醫(yī)院大多數(shù)采用腳踏翻蓋式垃圾箱或醫(yī)療廢棄物收集箱，這類垃圾箱箱體多為單層結(jié)構(gòu)，用戶在投放垃圾時(shí)，腳踩踏板開啟垃圾箱蓋時(shí)，垃圾箱內(nèi)的揮發(fā)性微生物和一些氣溶膠粒子很容易被垃圾箱蓋抬起形成的氣流帶出[12]，另外，當(dāng)垃圾箱蓋關(guān)閉時(shí)，大多數(shù)蓋體未考慮阻尼，導(dǎo)致垃圾箱蓋關(guān)閉時(shí)快速閉合，空氣中的氣流會(huì)再次將箱內(nèi)的病菌等物質(zhì)沖出，導(dǎo)致垃圾箱內(nèi)的有害氣體多次揮發(fā)至周圍空氣中被垃圾投放者吸入，嚴(yán)重影響使用者的身體健康，影響人們的生活[13-15]?；谝陨蠁栴}，無論對(duì)醫(yī)院還是居民生活區(qū)而言，都急需設(shè)計(jì)一種能夠防止垃圾中有害物質(zhì)揮發(fā)的垃圾箱，減少垃圾對(duì)周圍環(huán)境的危害，從而降低用戶使用垃圾箱導(dǎo)致二次感染的風(fēng)險(xiǎn)。

1 初步設(shè)計(jì)

隨著垃圾分類活動(dòng)在我國(guó)的逐步普及，市場(chǎng)上開始出現(xiàn)各種類型的垃圾箱產(chǎn)品，科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高也讓用戶更加傾向于使用具有美觀性、便捷性的垃圾箱。因此，在原有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的垃圾箱中逐漸出現(xiàn)了腳踏式、翻蓋式、感應(yīng)式、周轉(zhuǎn)式等垃圾箱形式[16]，它們有的收納功能單一，有的機(jī)構(gòu)相對(duì)脆弱，使用頻次過高后容易損壞，有的則外露垃圾，容易與人體直接接觸，易引發(fā)使用者感染病菌。近年來，市面上還出現(xiàn)一些智能垃圾箱[17-18]，主要是以紅外感應(yīng)翻蓋和太陽能蓄電垃圾箱為主，主要解決垃圾分類等問題。這一類垃圾箱解決了不需要腳踏就能開蓋的情況，用戶不用非常靠近垃圾箱即能完成投放垃圾的動(dòng)作，但在開關(guān)垃圾箱蓋過程中氣流帶出有害氣體的問題仍沒有得到有效解決。醫(yī)療廢棄物是比較特殊的一種垃圾類型，一般分為感染性廢棄物垃圾、病理性廢棄物垃圾、損傷性廢棄物垃圾、藥物性廢棄物垃圾、化學(xué)性廢棄物垃圾。除此之外還有一些銳器廢棄物垃圾、基因毒性廢棄物垃圾、放射性廢棄物垃圾。特殊的垃圾類型通常有專業(yè)的回收容器，但普通的醫(yī)療廢棄物一般不太受重視，大多使用普通垃圾箱進(jìn)行初步收納，而這些垃圾反而容易造成有害病菌的溢出。表1展示了收納普通醫(yī)療廢棄物的多數(shù)垃圾箱形式，可以看出，醫(yī)院環(huán)境使用的垃圾箱與普通民用垃圾箱基本一致。

表1 醫(yī)療廢棄物垃圾箱形式

Tab.1 Different forms of medical waste bin

這些垃圾箱的共性問題在于其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致垃圾箱內(nèi)的有害氣體和氣溶膠物質(zhì)非常容易擴(kuò)散溢出，亦未考慮垃圾箱與用戶之間的人機(jī)關(guān)系。通常情況下，大多數(shù)垃圾箱由于內(nèi)部收納的物品為廢棄物，且放置位置會(huì)和人們的主要活動(dòng)區(qū)域保持一定距離，因此垃圾投放者從心理上一般會(huì)認(rèn)為其不衛(wèi)生，不應(yīng)近距離靠近，盡量不去觸碰等，經(jīng)過垃圾箱時(shí)甚至?xí)龀鲅诒恰⒀杆匐x開等動(dòng)作行為；從生理上，大多數(shù)垃圾箱，無論是手動(dòng)式還是腳踏式都需由用戶近距離自行打開，垃圾箱蓋打開過程中會(huì)出現(xiàn)箱蓋運(yùn)動(dòng)帶來的內(nèi)部氣體外溢，這樣就增加了用戶接觸病菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從人機(jī)工程角度來看，無論從生理還是心理層面都需要對(duì)垃圾箱產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)上述問題，基于以用戶為中心的設(shè)計(jì)思想，本文提出一種具有雙層隔離的醫(yī)療廢棄物垃圾箱，也適用于普通生活區(qū)居民用戶使用。其箱體內(nèi)采用了兩道隔離門，可有效防止有害氣體溢出，垃圾投放者靠近時(shí)，垃圾箱蓋自動(dòng)打開，避免了直接接觸；投放垃圾時(shí)，臨時(shí)隔離室內(nèi)部干凈清爽，有消毒氣味，在視覺和嗅覺2個(gè)層面給用戶帶來安全的心理暗示，其主要結(jié)構(gòu)見圖1。

1）垃圾箱內(nèi)艙艙門，該結(jié)構(gòu)為抽屜抽拉結(jié)構(gòu)，在保證尺寸配合的基礎(chǔ)上增加密封膠條的輔助，可以保證內(nèi)部氣體不易溢出。

圖1 垃圾箱整體結(jié)構(gòu)

2）垃圾箱內(nèi)艙艙門把手，用來抽拉垃圾箱內(nèi)艙艙門。

3）內(nèi)部隔離門，也是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，需要能有效地開啟閉合，并將垃圾箱分為上下2個(gè)隔離室，開合機(jī)構(gòu)不能占用太大空間，以免影響垃圾存儲(chǔ)容量。

4）垃圾箱外蓋。

5）垃圾箱外蓋開啟機(jī)構(gòu)，目前大多數(shù)智能垃圾箱都具備電動(dòng)驅(qū)動(dòng)垃圾箱蓋開合功能。

6）垃圾箱主箱體，上部為一個(gè)圓錐斜面方便垃圾投放，內(nèi)側(cè)安裝驅(qū)動(dòng)模塊用來開合內(nèi)部隔離門機(jī)構(gòu)。

其主要工作流程如圖2所示：垃圾箱待機(jī)；當(dāng)用戶靠近垃圾箱時(shí)，紅外感應(yīng)裝置觸發(fā)垃圾箱外蓋緩慢開啟，此時(shí)，內(nèi)部隔離門為關(guān)閉狀態(tài)，有害氣體無法溢出；用戶投放垃圾，此時(shí)垃圾處于上部臨時(shí)的隔離室，與垃圾箱內(nèi)原有垃圾處于不同空間；用戶離開垃圾箱，紅外感應(yīng)裝置識(shí)別到投放者遠(yuǎn)離后，緩慢閉合垃圾箱蓋；內(nèi)部隔離門開啟、傾倒醫(yī)療垃圾；內(nèi)部隔離門關(guān)閉；開啟空氣凈化裝置對(duì)臨時(shí)隔離室進(jìn)行空氣凈化；垃圾箱待機(jī)，等待下一次工作。該垃圾箱包含電源控制模塊、紅外感應(yīng)模塊、空氣凈化模塊、隔離門開閉模塊等，由于大部分模塊相對(duì)成熟，本文的主要內(nèi)容集中在內(nèi)部隔離門的設(shè)計(jì)上。

圖2 垃圾箱工作流程

2 IRIS機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部隔離門

由于垃圾箱的內(nèi)部空間有限，為了能夠存儲(chǔ)更多的垃圾，內(nèi)部隔離門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，是本次設(shè)計(jì)的核心。在考慮過單開門式、雙開門式、側(cè)面旋轉(zhuǎn)式等結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)多數(shù)機(jī)構(gòu)要么需要巨大的開合空間，要么容易與內(nèi)部存儲(chǔ)垃圾產(chǎn)生干涉，無法打開，或?qū)е聝?nèi)部存儲(chǔ)垃圾量降低等結(jié)果，在綜合評(píng)估多種開合機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)之后，本文采用IRIS機(jī)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部隔離門設(shè)計(jì)。

2.1 IRIS機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

IRIS機(jī)構(gòu)，多用于相機(jī)光圈的制造，用以通過設(shè)定光圈開合大小控制相機(jī)光圈曝光量，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)扁平化，節(jié)省空間，生產(chǎn)工藝成熟。本次設(shè)計(jì)的垃圾箱內(nèi)部隔離門以IRIS機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)隔離門開合狀態(tài)，見圖3。由圖中可以看出，IRIS機(jī)構(gòu)對(duì)于空間的要求較低，通過側(cè)面電機(jī)帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于打開狀態(tài)時(shí)，所有葉片收納于周圍的圓周空間，恰好與垃圾箱上層圓錐口契合，既便于用戶投放垃圾，也便于將機(jī)構(gòu)安裝于箱體上；當(dāng)機(jī)構(gòu)關(guān)閉時(shí)，葉片通過滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)，將開口封閉。這種機(jī)構(gòu)可以滿足內(nèi)部隔離門的功能需求。

該機(jī)構(gòu)主要由4組部件組成，分別是上、下定盤、動(dòng)盤、葉片組，這4組部件通過連接組成了一個(gè)可以精確開合的機(jī)構(gòu)，見圖4。

1）上定盤，位于IRIS機(jī)構(gòu)的最上層，主要用以固定所有葉片的上端，同時(shí)與下定盤上的滑柱配合，形成一個(gè)固定的類三明治結(jié)構(gòu)，其中間層用以安裝動(dòng)盤和葉片組。

2）下定盤，位于IRIS機(jī)構(gòu)的最下層，只需考慮設(shè)計(jì)滑柱的高度和直徑即可，上下定盤形成的結(jié)構(gòu)決定了IRIS機(jī)構(gòu)的高度，由于IRIS機(jī)構(gòu)中的葉片均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以可以保證整體機(jī)構(gòu)的高度尺寸小，非常節(jié)省空間。

3）動(dòng)盤，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可形成往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)盤上主要考慮3個(gè)部分的設(shè)計(jì)，分別為滑軌、供葉片產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的滑槽及外圈齒輪。其中滑軌的設(shè)計(jì)中需要計(jì)算動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)角度，通過幾何關(guān)系即可以計(jì)算得出，葉片開合過程中轉(zhuǎn)過的角度為動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)角度；滑槽需與葉片配合，形成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)滑槽數(shù)目及滑槽長(zhǎng)度；齒輪則根據(jù)箱體尺寸設(shè)計(jì)即可。

圖3 IRIS機(jī)構(gòu)開合狀態(tài)

圖4 IRIS機(jī)構(gòu)零件

4）葉片，葉片是IRIS機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的精髓，葉片的寬度決定了結(jié)構(gòu)的外圍尺寸和葉片數(shù)量，同時(shí)，葉片圓弧的直徑尺寸與上下定盤之間也存在一定的幾何關(guān)系，要確保葉片在滑動(dòng)過程中不脫離軌道，則葉片兩端固定點(diǎn)之間的距離需大于下定盤的半徑。

2.2 IRIS機(jī)構(gòu)動(dòng)盤與葉片設(shè)計(jì)

IRIS機(jī)構(gòu)的核心是通過控制葉片的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隔離門的開合。單獨(dú)分析一個(gè)葉片的運(yùn)動(dòng)，可以抽象為經(jīng)典的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中OA是曲柄、AB是連桿、滑塊B在沿OB方向的滑槽上做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般情況下，連桿機(jī)構(gòu)需要調(diào)整各個(gè)桿件長(zhǎng)度比例關(guān)系來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)[19]，見圖5。在本文垃圾箱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，曲柄OA為IRIS機(jī)構(gòu)的動(dòng)盤上與葉片端點(diǎn)配合處到動(dòng)盤圓心的距離、連桿AB為IRIS機(jī)構(gòu)的葉片兩端點(diǎn)間的距離、滑塊B在OB方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軌跡極限位置即為動(dòng)盤滑槽的長(zhǎng)度。顯然，在設(shè)計(jì)動(dòng)盤時(shí)因要考慮到垃圾箱的整體尺寸，因此，應(yīng)先確定其尺寸，然后自頂而下展開設(shè)計(jì)，可理解為此時(shí)曲柄的長(zhǎng)度已給定。另外，為了使葉片組閉合時(shí)可以充分密閉，需要控制葉片的數(shù)量，同時(shí)葉片的數(shù)量又受葉片寬度的影響，為了保證可利用空間最大化，葉片的寬度應(yīng)盡量小，在保證空間效率最大化與機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易的平衡下，本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)采用了16片葉片組成葉片組。由于在該機(jī)構(gòu)中是通過動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制開合，所以在設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)，需要控制曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以借助設(shè)計(jì)滑軌的弧度來實(shí)現(xiàn)，為了將動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)角度表示更為清楚，在本文中同時(shí)將動(dòng)盤外齒輪以不完全齒輪的方式進(jìn)行表達(dá)，以清晰的呈現(xiàn)動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)角度。

動(dòng)盤滑槽的尺寸則需分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)后進(jìn)行計(jì)算，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)本質(zhì)是具有移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)的基本形式[20]，主要通過調(diào)整各桿長(zhǎng)度、鉸鏈A與鉸鏈O之間的相對(duì)位置來控制運(yùn)動(dòng)軌跡，見圖6。

圖5 單葉片運(yùn)動(dòng)

圖6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊設(shè)計(jì)計(jì)算過程如下[21]，根據(jù)圖6中各矢量方向有：

1）位置求解，以復(fù)數(shù)矢量表示（1）式

可得

得到滑塊的位置：

2）速度求解，（2）式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)

取實(shí)部

將（3）式展開取虛部

圖7 葉片運(yùn)動(dòng)

2.3 IRIS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)垃圾箱所有零件進(jìn)行建模裝配處理，并導(dǎo)入至SolidWorks Motion中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，為了更好地觀察零件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，隱藏垃圾箱主體結(jié)構(gòu)及IRIS機(jī)構(gòu)中的上定盤，并只對(duì)其中一個(gè)葉片進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖8所示，葉片在動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)。

圖8 IRIS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

為動(dòng)盤施加馬達(dá)，使其在上下定盤之間轉(zhuǎn)動(dòng)104°，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度由下定盤4個(gè)導(dǎo)軌柱進(jìn)行限制。分析葉片可動(dòng)端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖9顯示了葉片端點(diǎn)的位移信息，其中藍(lán)色、紅色、綠色線條分別表示端點(diǎn)在軸、軸、軸的位移信息?？梢钥闯霎?dāng)加載馬達(dá)后，葉片端點(diǎn)僅在軸、軸方向產(chǎn)生位移，說明該機(jī)構(gòu)有沿軸及軸方向移動(dòng)的自由度。葉片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度信息見圖10。

最終對(duì)這個(gè)葉片組和垃圾箱整體進(jìn)行可視化處理，IRIS機(jī)構(gòu)的開合狀態(tài)見圖11，垃圾箱整體最終設(shè)計(jì)效果和打開狀態(tài)見圖12。

圖9 葉片運(yùn)動(dòng)位移分析

圖10 葉片運(yùn)動(dòng)速度分析

圖11 IRIS機(jī)構(gòu)可視化結(jié)果

圖12 垃圾箱設(shè)計(jì)最終效果

3 結(jié)語

由于IRIS機(jī)構(gòu)的扁平結(jié)構(gòu)和其葉片旋轉(zhuǎn)開合對(duì)空間的弱需求，采用該機(jī)構(gòu)可以極大提高垃圾箱本身的垃圾存儲(chǔ)量。該垃圾箱產(chǎn)品各電子控制模塊相對(duì)成熟，成本易于控制，其采用的IRIS機(jī)構(gòu)零部件種類少、裝配關(guān)系簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、易于加工及便于推廣，根據(jù)其設(shè)計(jì)的具有內(nèi)部隔離門的醫(yī)療廢棄物垃圾箱，可以在很大程度上防止有害垃圾氣體和氣溶膠等物質(zhì)揮發(fā)，減少用戶接觸、受到傷害和感染的可能性，對(duì)降低各種病毒傳播，尤其是在全球新型冠狀病毒肺炎肆虐的情況下，降低傳染風(fēng)險(xiǎn)等具有重要的實(shí)用意義。同時(shí)，IRIS機(jī)構(gòu)在對(duì)于類似需進(jìn)行空間隔離的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也具有重要的參考價(jià)值。

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Design and Implementation of Medical Waste Bin Based on IRIS Mechanism

FU Sha

(Zhongshan Technician College, Guangdong Zhongshan 528403, China)

Most of the existing waste bin products are single-layer structure, the harmful gases and aerosols in the garbage are easily volatilized into the air, resulting in secondary pollution of the surrounding air, and users are easily contacted and infected by germs. In view of this situation a design scheme of a medical waste bin is carried out, combined with the IRIS mechanism in the space taking advantage of the occupancy, the medical waste bin with an internal isolation door that used IRIS mechanism is proposed. And then the motion simulation of the internal mechanism is carried out. The waste bin product adopts double-layer isolation, and the internal isolation door adopts IRIS mechanism, which takes up a small space rate.The waste bin product can effectively prevent the overflow of harmful gases and aerosols by means of the isolation door, thereby reducing the risk that users are infected with germs due to unreasonable design of the waste bin.

IRIS mechanism; waste bin; design

TB472

A

1001-3563(2022)18-0370-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.18.044

2022–04–20

符莎（1978—），女，碩士，高級(jí)講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：陳作