智能垃圾桶盖体的仿生结构设计与分析

张 娟 阴泽群 戴湘军 王 康 霍 昕*

（天津职业技术师范大学，天津 300000）

自然界中的生物为人类的创新提供了不竭的灵感[1]。此垃圾桶开盖设计以生物启发创新设计理念为出发点，将扇贝类生物的开合结构引入智能垃圾桶开盖装置，对贝壳的部分结构进行数据化，并计算对应的限制条件，最后通过力学分析模块，对垃圾桶开盖结构的受力、变形进行强度分析，依据等强度设计理论对其设计方案进行优化。

1 生物启发创新设计原理（图1-2）

图1 贻贝形状

1.1 生物启发的第一步“仿形”

生物原型与技术系统之间的功能相似性是生物启发创新设计的基础[7-9]。设计过程的关键都是利用功能相似性来确定设计问题与生物原型之间的对应关系，并通过分析和利用与设计问题密切相关的生物原型，启发产生设计方案。[2-3]生物的生存技能和对应的生理结构是生物实现某一特定功能通过大自然的优化和筛选后的解决方案。根据我们所设计的开盖结构，我们从相似性，结合类比，搜寻来源于生物的结构模型，将生物结构特征与待设计的垃圾桶的功能相对应。我们采取的模型最初有猪笼草，捕蝇草，绝大部分的哺乳动物的嘴，贝壳类的开合装置，对生物原型在功能上进行了一定的优化和适当的改良，分析生物原型中的原理、结构，实现效果等不同方面的想法可实现性，最终我们对比了贻贝贝壳的外形和结构，贻贝在贝类分类学上隶属软体动物门，瓣鳃纲，异柱目，贻贝族，贻贝科，是一种营足丝附着生活的双壳类软体动物。[5]其形状和我们最初设想的垃圾桶开盖外形达到高度的吻合，因此确定了以贻贝贝壳为原型的开盖结构。

1.2 生物启发的第二步“仿型”

图2 贻贝的构造

生物启发的第二步“仿型”是进行两种模式的生物启发创新设计：一类是基于问题驱动，寻找相关联的生物类型；另一类是通过生物原型驱动解决实际问题的设计。根据垃圾桶开盖的结构设计需求，对比多种生物原型，最终选定以厚壳贻贝贝壳的开合结构作为生物模型。厚壳贻贝贝壳的张开与闭合两个过程由壳体内部的闭壳肌体系控制，闭壳体系包括闭壳肌及其周围的弹性连接韧带。贻贝贝肉与贝壳的连接包括闭壳肌连接及外套膜连接，其中强度最大的为后闭壳肌与贝壳的连接。[6]通过对贝壳的构造进行分析将其数据化，初步建立了运动机构，并计算自由度和受力情况，计算对应的限制条件。通过多次仿真实验，对比实验分析结果，最终得出类似于贻贝贝壳开合的机械结构。

2 结构设计

2.1 开盖机构运动模式概述

图3 为垃圾桶盖结构的侧面三维模型图，整个机构是通过直线滑槽的中心线对称的，相同颜色的构件大小尺寸完全相同。两黄色杆的交点处下方安装有一滑块，通过转动副与之连接，滑块沿着滑槽的往复移动可带动黄色杆的摆动，①黄色杆的摆动来带动整个机构的运行实现门的张开和闭合。①号黄色杆通过摆动带动②号蓝色构件绕着中心C1 转动，继而蓝色构件的转动将带动③号红色构件在圆形滑槽中运动。①、②构件之间通过转动副连接。②号构件绕着其固定的中心位置转动，同时与机架④通过转动副连接。②号构件与③号构件不发生任何相对运动,②号构件的摆动直接带动构件③在滑槽中的运动。整个机构整体对称，其中①号黄色杆件为主动件，①，①'黄色杆件通过转动副在O 点连接，并与一滑块通过转动副相连，滑块在直线滑槽中运动。当①号黄色主动件运动时，①'黄色杆件将会和主动件做速度相同方向相反的摆动，从而带动各自连接的②号、②' 号蓝色构件做速度大小相同的转动，蓝色构件的转动最终带动③，③' 两个红色构件在圆形滑槽中的运动，实现垃圾桶盖的张开和闭合。桶盖的的张开和闭合与贝壳张嘴和闭嘴动作相似，实现了开盖结构的仿生。如图3 中（a）和（b）分别代表了垃圾桶盖体的闭合张开和张开。

图3 垃圾桶盖体结构的侧面三维模型图

2.2 力学性能分析

2.2.1 自由度计算

如图4 所示，由于该机构为对称虚约束，所以按对称的一半来计算，其机构自由度为：

图4 开盖仿生设计组件结构示意图

符合设计要求。

2.2.2 静应力分析

通过SolidWorks 建模对开盖运动机构进行模拟，在SolidWorks stimulation 中对其进行实际使用中的最大接触静应力分析。对于材料属性，销轴均设置为1060-H12，杆类零件的材料属性设置为ABS 塑料。使用夹具将与轴连接的两个杆件固定。根据动力学分析，要使开盖结构能够实现开合，就需要对上下盖之间的连接轴进行受力分析，经过多次尝试，在连接轴中心施加大小为1N 的力，同时设定方向为沿着上下盖的对称轴，就能够满足用力需求，接着对模型的网格尺寸进行设定：网格密度为良好，网格参数为标准网格。完成以上处理后，运算此算例，得到分析结果如图5 所示，开盖机构在一个开合周期中的状态良好。最后对算例结果进行探测，探测结果如图6 所示，该机构仍呈现出良好的状态，满足设计要求。

图5 机构静应力分析侧视图

图6 机构静应力分析截面图

3 结论

设计中针对生物启发的灵活运用，通过创新驱动的设计方法将选取的生物结构一步步拆分，并进行设计优化，通过机械结构的自由度和机构静应力的力学测试和模拟分析，完成了开盖机构静应力分析实验，研究了机构静应力分析截面受力特性，得出机构自由度和最大静态应变力符合设计要求，是生物启发在产品结构创新设计中的一次重要尝试和应用。