新型卫生防护门锁的创意思路与原理设计

赵世英，刘泓杰，左博飞，严志杰

(北京印刷学院机电工程学院 北京102600)

门作为最常见的区域划分的工具之一，具有最基础的安全保护功能和在特定使用情境下的隐私保护功能，尤其是在卫生防疫方面可以发挥不可替代的重要作用。在办公楼、商超、卫生间、学校、医院等公共场合，常见的普通门锁大都是依靠按压式门把手来实现开关门动作。由于这些场所人流密集，门把手使用频率非常高，很容易遭受微生物污染，故成为了病原体传播和交叉感染的温床。因此，除了保洁人员应做好相关公共接触部位的定期消毒灭菌工作之外，如果设计一种新型门锁在开门或反锁时身体裸露部位不必接触门把手和反锁插销，做到“门把手零接触”，也必将大幅降低门把手传播疾病的风险。

1 公共场所门把手是病原体高风险传播媒介

1.1 门把手微生物污染状况概述

公共场所门把手的卫生状况对人们身体健康的危害是一个不可忽视的问题。对某项高校公共设施和公共用品微生物污染状况调查时，抽取了从教室门把手、宿舍门把手、厕所门把手、餐厅餐桌椅和图书馆图书等部位所采集的样品进行了细菌总数、大肠杆菌密度和 HBsAg(乙肝表面抗原)等方面的微生物污染情况分析，检出情况显示教学楼内和宿舍楼内厕所门把手污染程度最严重。究其原因主要有 2点：一是教学楼和宿舍楼厕所使用频率都很高，学生如厕后也没有用香皂或洗手液洗手的习惯；二是学校虽然有保洁人员对厕所进行定期清扫消毒，但往往忽略厕所门把手这个关键部位[1]。

另有监测结果表明医院门把手同样属于使用率较高，并且与病人、医护人员及陪护探视者的接触关系密切，其细菌污染现象也非常严重。从病房门把手分离出的表皮葡萄球菌、微球菌、假单胞菌属、产气肠杆菌、不动杆菌等6种条件致病菌均为医院感染的常见病原菌，可通过门把手的间接接触传播导致病人与医护人员间发生交叉感染[2]。

1.2 门把手是防疫不可忽视的环节

《新型冠状病毒肺炎诊疗方案》指出，经呼吸道飞沫和密切接触传播是新型冠状病毒主要的传播途径；接触被病毒污染的物品也可造成感染；人群普遍易感[3]。个人卫生防护宣传片中一再告诫民众：乘坐公共交通工具时，尽量避免用手直接接触公共物品；在公共空间需要触碰电梯按键、门把手时，可通过牙签、纸巾等间接接触的方式按电梯或开关门。下面以客运列车卫生间门把手使用情境为例，说明门把手是防疫不可忽视的重要环节。

2021年，全国铁路旅客发送量达到 26.12亿人次，列车卫生间的门把手无疑是列车上不可避免的被人们频繁触摸的公共物品。但是列车上的旅客在使用卫生间时，也许是个人防护意识不强，也许是忘记携带纸巾，绝大部分旅客还是习惯性地用手直接按压门把手来开关厕所门。被频繁接触的卫生间门把手在反复使用过程中非常容易被污染，成为包括新型冠状病毒在内的各种疾病传播的媒介和温床。

2 卫生防护功能性门锁的创意思路

既然直接接触门把手存在感染病毒和病菌的重大隐患，那么能否设计一种新型门锁，不用手接触就能实现开门和从门内反锁等动作呢？这就是卫生防护功能性门锁的创意起源。不用手开门就大幅降低了门把手被新型冠状病毒或其他病原体污染的可能性，也必将大幅降低人与人之间交叉感染的风险；同时不必浪费纸巾来抓握门把手，有利于环境清洁和节约用纸。该新型门锁的创意思路流程图如图1所示。

图1 新型门锁创意思路流程图Fig.1 Innovative roadmap for new door lock

首先，我们要思考除了手之外的其他各种开门方式。经过对比论证小臂开门、膝盖开门、声控开门、脚动开门等多种方案之后，我们选择了采用“脚动(踏板)”的开门方式。其他几种方式要么不能有效避免身体裸露部位接触门上公共部位，要么技术复杂、成本高、需要额外增加电源。只有“脚动(踏板)”的开门方式最适合人们的动作习惯，开门时只需要用脚底向下轻踏装在门板底部的踏板，踏板与原有门锁的门把手采用曲柄滑块机构连接，稍加用力锁舌即可产生联动动作缩回，门便被打开了。整个过程不需要用手，只需要鞋底接触门上公共部位——踏板，方便卫生，简单实用。

第 2个重要设计任务是如何实现门内反锁。如像列车卫生间这样的私密空间在使用时，内部一般是需要反锁的，在反锁时也应该实现非手动的“零接触”操作。我们调研和尝试了多种反锁装置，设计思路是在曲柄滑块机构中“滑块”(脚动踏板)的下方安装一个可以左右移动的插销类装置。该插销在需要时可以阻挡踏板向下移动，以实现门内反锁功能。如果选择普通的手动插销，用脚来左右拨弄必然会比较吃力；如果选择诸如一些锁紧、夹紧等装置，反锁倒是容易，但取消反锁一般比较困难。最终我们选择的是弹簧插销，一种常见于柜橱、窗户上的锁紧装置。弹簧插销的特点是在销轴锁定到位后按动解锁按键，销轴可以在弹簧力作用下自动回弹复位，于是解除锁止状态。

最后，面临的技术难题是如何不用手操作就可以使弹簧插销实现反锁动作，也就是使销轴横向移动到锁定位置。设计要求是“只需脚底板轻轻一按”即可锁定。在研究了众多具有特定运动的装置后，选择确定了一种可以改变直线运动方向的装置——楔形滑块装置[3]。该装置具有输入动作方向与输出动作方向相互垂直的特点，把楔形滑块装置与弹簧销轴设计为垂直布局。在楔形滑块输入端加装一个按键，需要反锁时只需用脚轻点，使得楔形滑块垂直运动，就可以驱动弹簧插销的销轴横向移动到锁定位置，以实现门内反锁。

3 新型门锁工作原理与概念设计

该新型门锁不但具备卫生防护功能，还有一个优点是不需要电源和电控装置，完全是纯机械结构。新型门锁结构示意图如图2所示，在保留原有门锁不做任何变更的前提下就可以加装如图中所示的各个结构和装置，最大限度地节约了制造成本。同时，对于少数下肢行动不便或有残疾人士，他们依然可以使用原有门锁门把手进行开关门的操作，2套机构协同联动、互不影响。

图2 新型门锁结构示意图Fig.2 Schematic diagram of new door lock structure

下面以列车卫生间门锁为例对新型门锁工作原理和设计过程进行说明。当旅客如厕时，不需要用手或用纸巾按压门把手 1，只需要用脚轻踩曲柄滑块机构 2的滑块下部，该位置被设计成脚踏板形式，门外门内可以共用一套，方便完成开门动作。旅客进入卫生间后用脚底接触门板5完成关门动作后，接下来同样用脚底按压楔形滑块机构 4上标记为“关”的按键，即可驱动弹簧插销3中销轴横移到脚踏板下方的锁定位置，以实现门内反锁功能；当旅客脚底离开反锁按键后，楔形滑块在底部弹簧的作用力之下就会回复到初始位置。待到旅客如厕结束后，用脚底轻触 3上标记为“开”的按键，则弹簧插销中的销轴被弹簧力驱动横向移动复位，解除反锁状态。接下来旅客就可以在门内重复脚动(踏板)开门动作，走出卫生间，最后仍然可以用脚底关门。

由此可见，从旅客如厕开门到如厕结束后关门，新型门锁实现了如厕时“门把手零接触”，具备方便实用、卫生防护的特点。

应用机械设计中常用的计算机辅助设计软件，如SolidWorks、AutoCAD 等软件，通过概念设计和做图法可以很方便地确定门锁中主要结构参数。门把手距离地面高度一般为 80～100cm；曲柄采用杆状结构，该结构有效尺寸范围设定为 50～60mm，根据实际需求也可以适当延长或缩短，曲柄越长则脚踏板(滑块)运动越省力；曲柄与滑块之间用连杆相连接，连杆的长度范围一般为 75～90cm，在确定连杆最终长度时，要能够满足脚踏板上下位移范围区间处于30～50mm这个条件，因为这个区间范围可以保障旅客在脚动开门时脚跟不需要离开地面，只靠脚底板即可以实现脚踏开门的动作，符合人机工程学对产品的效率、安全、健康、舒适等方面的基本要求。弹簧插销中销轴横向最大位移一般设计为15～20mm，不宜过大，否则就要相应加大楔形滑块移动行程，而且楔形滑块行程越大，所占空间就大，既不利于在门板内安装，也不方便反锁时使用。

4 结 语

社会的进步总在不停地给设计从业者提出不同的时代要求，当下即是一个给公共产品设施设计提出更高卫生性要求的时代[4]。一款新型机械产品在创意阶段必须充分考虑实用性、经济性和环保性等诸多制约因素，然后结合产品自身特点和功能，经过充分调研、研讨、分析和筛选之后选择最容易实现的方案。文中所设计的新型门锁适用于办公楼、居民楼、宿舍楼、学校、医院、车站、商场、超市等人流密集公共场所的简单门户区域，具有非常广泛的使用范围和应用前景。