一款全自动科学洗手机的创新设计研究

郑晨龙　黄元东　李昌杰　洪锦源　彭轶

摘 要：运用机械创新设计方案，研究开发了一款新型全自动一体化科学洗手机。该洗手机中包括单片机、蜗轮蜗杆、丝锥螺母、电动机、电磁阀、同步带等配件，能为洗手者提供便捷有效、更為独立的洗手条件，基本能够解决单臂伤残人士难以独立完成洗手的问题，体现了科学环保的机械创新设计理念。

关键词：创新设计；全自动一体化；洗手机；单臂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.126

0 引言

自动洗手机是非接触型洗手机，多用于酒店、宾馆等容易产生细菌和病毒的公共场所，以此来防止和避免病毒的交叉感染。[1]目前洗手机的结构和功能也在不断创新和完善中，使洗手机种类多样化，而这些洗手机都是为大众设计，单臂伤残人士无法独立科学洗手的问题一直没有得到妥善解决。为解决这个问题，笔者及其组员提出了一款新型全自动科学洗手机的设计思路，并且已经做成产品，可基本解决单臂伤残人士洗手难的问题，该产品低碳环保、节约资源。

1 全自动科学洗手机的创新过程

1.1 设计背景

根据第六次全国人口普查我国总人口数，及第二次全国残疾人抽样调查我国残疾人占全国总人口的比例和各类残疾人占残疾人总人数的比例，推算2010年末我国残疾人总人数8502万人[2]，其中肢体残疾2472万人。

1.2 现有洗手机功能综合分析

市面上现有的全自动洗手机，主要功能为提供洁净水，确保使用者双手清洗洁净；再经过HEPA FILTER过滤之无尘无菌空气、环保加热器加热后的高速气流将手烘干。全自动洗手机最大特点就是出水便捷快速，相较于原有的水龙头出水方式，全自动洗手机能减少手部与机器的不必要接触，又能够节约水资源，然而在实际使用过程中，发现全自动洗手机仍然存在以下问题：（1）现有全自动洗手机成本高，价格昂贵，对一般家庭而言性价比不高；（2）要洗干净手仍需要双手揉搓，不适用于单臂伤残人士；（3）体积庞大，近1.8m的高度，占用空间过大。经过对现有全自动洗手机的综合分析，在保留其出水、烘干功能的基础上，针对单臂伤残人士的情况，设计这款新型全自动洗手机，使其更适用于单臂伤残人士。

1.3 全自动洗手机性能要求

针对目前存在的问题，为了使单臂伤残人士有更好的洗手体验，对新型全自动洗手机提出以下要求：（1）降低成本，提高性价比，价格能为一般家庭接受；（2）缩减体积，减少空间占用；（3）能使手的指缝、手背等部位得以清洗，单手独立使用或者双手使用皆可；（4）能随时复位，重新开始流程。总之，要求提供一款能够广泛推广、功能齐全、使用简单便捷、能适用于单臂伤残人士的全自动洗手机。

2 全自动科学洗手机的设计方案

2.1 全自动科学洗手机的组成

（1）通过刷转机构采用电机运转通过联轴器使与蜗杆蜗轮连接的刷子旋转，可实现清洗手背、指缝等较难清理部位的功能；（2）气动给液机构和刷转机构所用电机是同一个，通过光杆连接，配合丝杠螺母使压缩块的推力作用在三个轴线夹角120度的均布活塞推杆上，三气筒气动压缩，实现定量给液，两个单向阀可控制气筒气压与外界气压一致；（3）风干机构是洗手机流程最后一步，以鼓风机启动带入的空气通过吹风机吹出来烘干手，加入同步带结构可实现扫描式吹风功能，加快风干速度。

2.2 全自动科学洗手机的使用原理

红外传感器置于入口上方，当检测到有手伸入时，语音提示系统运行，刷转机构电机启动，洁净水流下打湿手部，刷子旋转进行初步清洗；同时丝杠螺母使压缩块推进，向气筒挤压空气，提供定量的洗手液；完成后电机反转，洁净水停止流下，等待若干时间后洗手液充分涂满整个手部，再流下洁净水进行最后清洗；随后传感器检测到手仍在机器内，则启动风干机构，对手进行风干处理。

3 样品与性能测试

3.1 控制电路及分析

控制部分主要由STC89C52单片机、驱动、检测、输出等部分组成，通过单片机实现控制。红外检测部分作为控制系统的人机对话节后，负责输入手的位置。单片机时刻响应红外线的信号，控制电机的运转、电磁阀通断及吹风机的开关。红外对射开关检测到手伸入洗手位置后通过单片机启动电机以及电磁阀，带动外部机械装置实现洗手功能；当检测到手伸入吹风机位置时开启吹风机，直至手离开。在驱动电路中，采用双电源供电，一组5V给单片机和控制电路供电，另一组24V给电机供电，在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开，避免控制部分电源功能实现障碍。

3.2 能量转换效率试验

该产品采用一个电机，额定功率为75W，转速为300r/min；一个鼓风机，额定功率为12W；额定电压皆为12V。而我国标准电压为220V，这就需要一个降压模块将输出电压变为12V，以确保电机的正常运转。

由于电路转换损耗，电阻电压损耗，供电损耗，自身运行损耗，真正从电机经联轴器到蜗杆蜗轮和丝杠螺母的能量约为输入能量的91.7%。单从目前产品来说，电机转速为300r/min，蜗杆蜗轮传动比为1：5，即理论上刷头转速为60r/min，然而经多次实际测量刷头平均转速为55r/min，如此计算得损失能量约为8.3%。

4 结论

笔者运用创造原理和创新技法等科学方法[3]研发的新型全自动一体化科学洗手机，相较于其他同类产品更加便捷，从冲洗开始到风干结束实现完全自动，单臂清洗效果良好，单臂伤残人士能够独立清洗手背指缝等部位，具有良好的体验效果。该洗手机巧妙利用了蜗杆蜗轮、丝杠螺母、传感器、气筒和同步带等构件，使该产品能够实现以下功能：（1）产品完全自动化，所有控制系统皆由传感器传递信号；（2）刷头自转，以匀速转刷式的模式清洁手部；（3）无需控制电机转动角度，即可完成洗手液的定量挤出；（4）风干机构能实现扫描式送风，使手部干燥速度加快；（5）适用人群广泛，单臂伤残人士以及正常人士均可使用；（6）产品定量出水、出洗手液，符合低碳环保理念，能量转换效率较高，可持续稳定工作，拆卸修理方便快速。

参考文献：

[1]周燕，申东娅.一种新型红外感应全自动洗手器[J].云南大学学报，2004，26（04）：312-314.

[2]王磊，纪开心，郑抑非.基于物联网技术的“智能硬件+助残”新模式的分析[J].知识-力量，2018（12）.

[3]颜禹张，张欢韵.自行车发电及安全预警系统设计[J].电子技术，2012（12）：62-64.

浙江省科技创新活动计划资助项目，项目编号：2018R428031