劉文斌，楊代云，李 謙

(吉首大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

0 引言

環(huán)境保護(hù)作為符合“低碳生活”理念的一種行為，在現(xiàn)代社會發(fā)展中越來越受到重視[1]。街道、社區(qū)、家庭垃圾的分類回收成為了當(dāng)前主流，但垃圾分類是個(gè)難題。目前，國內(nèi)家用垃圾分類多數(shù)需要人工識別，且家用垃圾分類普及率低，原因在于垃圾分離所需垃圾桶數(shù)量多、某些垃圾難以人工識別種類、垃圾異味容易散發(fā)。一系列的家用垃圾分類帶來的缺點(diǎn)，導(dǎo)致低碳生活中家用垃圾分類這一環(huán)節(jié)遲遲難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)現(xiàn)有垃圾桶的異味散發(fā)也會降低空氣質(zhì)量[2]。

垃圾種類繁多，人工識別存在一定的困難，同時(shí)會消耗大量的時(shí)間，并且外散的異味則破壞了家庭的空氣清潔。因此，設(shè)計(jì)一種方便快捷、省時(shí)省精力、能有效分類垃圾、封閉垃圾異味的家用智能垃圾分類裝置已成為當(dāng)前最大的需求[3]。

1 智能垃圾分類箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置為實(shí)現(xiàn)將垃圾智能分類，采用了圖像識別技術(shù)，對垃圾的種類進(jìn)行識別。同時(shí)采用同步帶連接開門結(jié)構(gòu)的形式，可快速開關(guān)垃圾投入口，減少人工等待時(shí)間；在取放垃圾袋方面，本裝置采用杠桿結(jié)構(gòu)，將腳踩踏板的上下運(yùn)動轉(zhuǎn)化成垃圾桶的傾斜側(cè)出，方便人隨時(shí)取放垃圾袋。裝置整體在不投放垃圾時(shí)基本上密封，能夠極大地防止垃圾異味的散發(fā)，提高空氣質(zhì)量。

如圖1、圖2，本裝置主要由五大結(jié)構(gòu)組成：滾道結(jié)構(gòu)、圖像識別與分類結(jié)構(gòu)、間歇旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)[4]、腳踏板杠桿結(jié)構(gòu)、儲物抽屜結(jié)構(gòu)。裝置整體為長×寬×高=0.6 m×0.6 m×0.9 m的長方體，內(nèi)部固定采用了鋁型材與角件、螺栓、螺母等固定形成的框架。同時(shí)為保證密封性，裝置的六面都有固定于鋁型材框架的擋板，其中頂殼為垃圾投入口，固定在框架上的底板為內(nèi)部所有結(jié)構(gòu)提供支撐作用。四周的擋板中，有一方作為垃圾桶的出口，擋板上有合頁連接的活動門板，能自由地被推動?；顒娱T板下方的腳踏板露出，踩踏時(shí)垃圾桶從上方的活動門板傾斜側(cè)出。活動門板的上方設(shè)計(jì)了一個(gè)儲物抽屜，能置放垃圾袋等物品。腳輪安裝在框架底部，以便移動裝置。

1.擋板；2.頂殼；3.儲物抽屜；4.活動門板；5.腳踏板；6.腳輪圖1 智能垃圾分類箱外觀圖

1.底板；2.鋁型材框架；3.圖像識別與分類結(jié)構(gòu)；4.滾道結(jié)構(gòu)；5.儲物抽屜結(jié)構(gòu)；6.垃圾桶；7.腳踏板杠桿結(jié)構(gòu)圖2 垃圾分類箱結(jié)構(gòu)預(yù)覽圖(去外殼)

1.阻擋圈；2.安裝支架；3.連桿；4.滾道支架；5.滾軸；6.滾動軸承圖3 滾道結(jié)構(gòu)圖

1.1 滾道結(jié)構(gòu)、圖像識別與分類結(jié)構(gòu)

如圖3，本裝置的滾道由阻擋圈、安裝支架、連桿、滾道支架、滾軸以及滾動軸承組成。滾軸通過滾動軸承安裝在滾道支架上，各滾軸可旋轉(zhuǎn)，同時(shí)滾道支架通過連桿連接在安裝支架上，通過調(diào)整與連桿固定的腰孔的位置，可實(shí)現(xiàn)滾道支架的角度調(diào)整，此外，整個(gè)滾道結(jié)構(gòu)通過安裝支架固定在頂板上。垃圾從投入口下落，經(jīng)過滾道結(jié)構(gòu)時(shí)，受滾軸的旋轉(zhuǎn)作用下滑直至掉入阻擋圈，阻擋圈對垃圾掉落位置進(jìn)行規(guī)范，讓垃圾準(zhǔn)確掉落在圖像識別平臺上。

如圖4，該裝置的圖像識別與分類結(jié)構(gòu)，由安裝支架、旋轉(zhuǎn)葉片、軸承、攝像頭以及步進(jìn)電機(jī)組成。四個(gè)90°旋轉(zhuǎn)葉片中心接觸結(jié)合，同時(shí)通過軸承安裝在安裝支架上，各旋轉(zhuǎn)葉片上帶有與步進(jìn)電機(jī)一致的同步帶輪，且可繞軸承旋轉(zhuǎn)。攝像頭對垃圾進(jìn)行實(shí)時(shí)識別，將信號輸出給控制中心，控制中心發(fā)送信號給步進(jìn)電機(jī)，通過同步帶帶動4個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行開合，垃圾會隨重力掉入對應(yīng)種類的垃圾桶內(nèi)。

1.安裝支架；2.旋轉(zhuǎn)葉片；3.軸承；4.攝像頭；5.步進(jìn)電機(jī)圖4 圖像識別與分類裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 間歇旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、腳踏板杠桿結(jié)構(gòu)

如圖5，該裝置的間歇旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括：伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動軸、垃圾桶安裝支架、轉(zhuǎn)盤、垃圾桶、支撐軸。電機(jī)固定安裝在底板上，同時(shí)連接著動力傳動軸。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動，傳動軸做圓周運(yùn)動，間接帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。支撐軸位于裝置中心，轉(zhuǎn)盤通過滾動軸承安裝在支撐軸上，能繞支撐軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)動一圈時(shí)，凸輪配合帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)90°，與四個(gè)垃圾桶對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)垃圾桶的位置切換。同時(shí)垃圾桶上裝有紅外感應(yīng)器，對已滿垃圾進(jìn)行感應(yīng)。垃圾桶通過銷釘連接在轉(zhuǎn)盤上，能繞轉(zhuǎn)盤外側(cè)旋轉(zhuǎn)一定角度，為垃圾桶的傾斜側(cè)出作鋪墊。

1.伺服電機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.傳動軸；4.垃圾桶安裝支架；5.轉(zhuǎn)盤；6.垃圾桶；7.支撐軸圖5 間歇旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)零件圖(部分透明化)

如圖6，該裝置的腳踏板杠桿結(jié)構(gòu)包括：垃圾桶、外殼、活動門板、上推桿、上推桿支架、連桿、杠桿、踏板以及杠桿支架。該結(jié)構(gòu)主要功能是提供踩踏，通過杠桿結(jié)構(gòu)[5]將踩踏轉(zhuǎn)化為垃圾桶的傾斜側(cè)出。固定于底板杠桿支架上的銷釘與杠桿連接，同時(shí)杠桿與腳踏板緊固，杠桿的另一端與連桿銷釘連接，進(jìn)一步與被上推桿支架限制的可上下移動的上推桿連接。垃圾經(jīng)過分類后，掉入對應(yīng)種類的垃圾桶，在某個(gè)垃圾桶內(nèi)的垃圾已滿時(shí)，被其上的紅外感應(yīng)器感應(yīng)，傳輸信號給控制系統(tǒng)，進(jìn)一步控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。此時(shí)，電機(jī)將帶動間歇旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動，帶動轉(zhuǎn)盤運(yùn)動，推動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，將已滿垃圾桶旋轉(zhuǎn)至開口處。然后頂殼的信號燈亮起，提示更換垃圾袋，在人踩踏腳踏板時(shí)，杠桿結(jié)構(gòu)將帶動上推桿上推，垃圾桶被傾斜推出，進(jìn)一步推動活動的開口擋板，垃圾桶即可來到在裝置外面，以便更換垃圾袋。

1.垃圾桶；2.外殼；3.活動門板；4.上推桿；5.上推桿支架；6.連桿；7.杠桿；8.踏板；9.杠桿支架圖6 腳踏板杠桿結(jié)構(gòu)零件圖(部分透明化)

1.3 儲物抽屜結(jié)構(gòu)

如圖7，該裝置的儲物抽屜結(jié)構(gòu)由抽屜、抽屜拉手、滑軌、安裝支架組成。抽屜通過滑軌安裝在安裝支架上，可以沿滑軌直線滑動，同時(shí)抽屜上帶有拉手，使用拉手進(jìn)行抽屜的推拉。儲物抽屜可儲存垃圾袋等相關(guān)物品，為本裝置的使用提供方便性。

1.抽屜；2.抽屜拉手；3.滑軌；4.安裝支架圖7 儲物抽屜結(jié)構(gòu)圖

2 垃圾分類過程

如圖8，本裝置裝有可自由滑動的腳輪，使用時(shí)將垃圾分類箱推至使用場地，依靠電池或插上電源即可使用。投放垃圾時(shí)，手持垃圾靠近垃圾分類箱頂部，將垃圾投入即可，此后無需其他人為操作，操作簡單。需要大量投入同種類垃圾時(shí)，可按下頂部常開按鈕，此時(shí)開口持續(xù)保持打開狀態(tài)，裝置對常開狀態(tài)時(shí)的第一個(gè)垃圾識別，直到關(guān)閉常開按鈕不再識別。

如圖9，在某一種類垃圾滿時(shí)，分類垃圾箱頂部信號燈亮起，此時(shí)踩踏側(cè)方的腳踏板，垃圾桶隨之傾斜側(cè)出，即可更換垃圾袋。隨后將垃圾桶回推，關(guān)閉側(cè)方活動門，完成垃圾袋更換過程，圖10、圖11為該裝置的實(shí)物展示圖，提供參考。

圖8 投放垃圾展示圖

圖9 更換垃圾袋展示圖

圖10 垃圾分類結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖11 更換垃圾袋過程實(shí)物圖

3 結(jié)論

以現(xiàn)有家用垃圾分類困難、人工識別垃圾種類繁雜、垃圾異味散發(fā)等實(shí)際情況為出發(fā)點(diǎn)，較好地設(shè)計(jì)出了本文所述垃圾分類裝置。

該裝置較傳統(tǒng)人工垃圾分類有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)裝置能實(shí)現(xiàn)自由移動，不限制家居使用環(huán)境；(2)垃圾分類迅速，節(jié)省人力，方便快捷；(3)可以同時(shí)分類四個(gè)種類的垃圾，提高分類效率；(4)圖像識別垃圾分類高效，避免人工分類出錯；(5)防止垃圾異味散發(fā)，提高空氣質(zhì)量；(6)裝置安全可靠，全封閉式設(shè)計(jì)，提高安全性。

綜上所述，本裝置可以快速地將家用垃圾進(jìn)行分類，并同時(shí)防止垃圾異味散發(fā)，提高空氣質(zhì)量，有效解決了家用垃圾分類難、分類麻煩的問題，具有一定的實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。