西安思源學(xué)院工學(xué)院 羅 強(qiáng) 向景玥

隨著我國(guó)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步， 生活中所產(chǎn)生的垃圾量也在增加，相應(yīng)引發(fā)的一系列環(huán)境問(wèn)題也日益突出。據(jù)調(diào)查，在近10年，我國(guó)大中型城市垃圾總量每年的增長(zhǎng)速度大約為8.98%，特別是網(wǎng)購(gòu)盛行的今天，其附屬的快遞包裝垃圾也以驚人的速度增加。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在面對(duì)如此多的垃圾問(wèn)題時(shí)，雖然實(shí)行了多年的垃圾分類(lèi)政策，但目前垃圾分類(lèi)依靠人工分揀，垃圾種類(lèi)繁多，分類(lèi)過(guò)程繁雜，這樣使得垃圾分類(lèi)效率不高，導(dǎo)致不能產(chǎn)生更加積極的分類(lèi)效果。國(guó)內(nèi)近些年來(lái)在垃圾分類(lèi)方面也進(jìn)行了積極的探索，并且設(shè)計(jì)出多種類(lèi)型的分類(lèi)垃圾桶。

通過(guò)分析現(xiàn)有智能分類(lèi)垃圾桶的技術(shù)，我們決定設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、使用價(jià)值高的分類(lèi)垃圾桶，本次設(shè)計(jì)的家用智能分類(lèi)垃圾桶將可以很好解決上面的問(wèn)題。

1 分類(lèi)垃圾桶介紹

本設(shè)計(jì)的分類(lèi)垃圾桶在控制方面提出了一種以智能語(yǔ)音識(shí)別和Arduino為基礎(chǔ)的分類(lèi)垃圾桶。顯示了Arduino開(kāi)發(fā)板、步進(jìn)電機(jī)、曲柄搖桿、舵機(jī)、構(gòu)成的系統(tǒng)整體框架，并將語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用于垃圾桶的分類(lèi)。在傳動(dòng)方面采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)件；開(kāi)蓋方面采用舵機(jī)帶動(dòng)桶蓋實(shí)現(xiàn)。當(dāng)語(yǔ)音模塊識(shí)別到系統(tǒng)烤錄進(jìn)的垃圾名稱時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)垃圾所屬的種類(lèi)，并將信號(hào)傳遞給Arduino，控制相應(yīng)垃圾分類(lèi)垃圾桶轉(zhuǎn)動(dòng)到垃圾投遞口處，之后小垃圾桶上的舵機(jī)帶動(dòng)桶蓋打開(kāi)，在完成垃圾的投遞后，相應(yīng)垃圾桶和桶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)回來(lái)原來(lái)位置。使分類(lèi)垃圾桶達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整體結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，解決了生活垃圾分類(lèi)繁雜的問(wèn)題。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2 分類(lèi)垃圾桶傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

基于對(duì)于分類(lèi)垃圾桶的設(shè)計(jì)要求，裝置在工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)快速，各個(gè)垃圾桶在運(yùn)動(dòng)中能夠保持水平且位置固定上能夠有機(jī)械鎖定部件。恰好可利用聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)軸相連，可以減少動(dòng)力損耗，提高傳動(dòng)效率。

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸連接四桿機(jī)構(gòu)的桿1鉸鏈（如圖2），桿2連接固定垃圾桶，桿1直接將動(dòng)力傳送至桿2從而驅(qū)動(dòng)垃圾桶的運(yùn)動(dòng)。此四桿機(jī)構(gòu)對(duì)邊桿等長(zhǎng)（桿1和桿4長(zhǎng)度相等，桿2和桿4長(zhǎng)度相等），故能起到固定在桿2上的垃圾桶在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中能夠始終保持一個(gè)水平方向，保證了其運(yùn)動(dòng)過(guò)程桶內(nèi)垃圾不會(huì)倒出。四個(gè)垃圾桶采用并聯(lián)方式固定在共一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)之內(nèi)，這樣使得四個(gè)垃圾桶的運(yùn)動(dòng)角度始終一致。

圖2 四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 分類(lèi)垃圾桶開(kāi)蓋部件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的分類(lèi)垃圾桶采用自動(dòng)開(kāi)蓋設(shè)計(jì)，增加了其智能程度，提高了使用者的用戶體驗(yàn)也保證了自動(dòng)分類(lèi)的準(zhǔn)確性。分類(lèi)垃圾桶蓋子的開(kāi)啟和關(guān)閉功能主要由舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，易控制且可以保證開(kāi)啟快速角度精準(zhǔn)。使用四桿機(jī)構(gòu)中的雙搖桿機(jī)構(gòu)連接舵機(jī)的輸出端和蓋板，分析其開(kāi)合角度和舵機(jī)的最優(yōu)工作角度設(shè)計(jì)其機(jī)構(gòu)以保證開(kāi)蓋過(guò)程的順暢、快速和精準(zhǔn)。圖3為開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)閉合時(shí)和開(kāi)蓋時(shí)的三維示意圖。

圖3 垃圾桶開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)示意圖

4 分類(lèi)垃圾桶控制系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的分類(lèi)垃圾桶控制系統(tǒng)采用語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別垃圾種類(lèi)，之后Arduino主板根據(jù)反饋的信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得相應(yīng)垃圾桶運(yùn)動(dòng)到垃圾投遞口處，之后控制垃圾桶上的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)打開(kāi)垃圾桶蓋，在完成垃圾投遞之后，步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)帶動(dòng)垃圾桶和桶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)回到原來(lái)位置。如圖4為控制系統(tǒng)框圖。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

5 分類(lèi)垃圾桶控制系統(tǒng)程序流程

在開(kāi)始進(jìn)行垃圾分類(lèi)時(shí)，系統(tǒng)首先初始化，之后語(yǔ)音識(shí)別模塊通過(guò)將垃圾的名稱與燒錄進(jìn)的信息對(duì)比，然后進(jìn)行判斷，如果不是庫(kù)中的垃圾名稱，則返回到初始化位置，如果為庫(kù)中的垃圾名稱，系統(tǒng)將執(zhí)行下一步，繼續(xù)判斷是否屬于庫(kù)中的“廚余”垃圾。如果屬于，系統(tǒng)將控制垃圾桶上的舵機(jī)正轉(zhuǎn)，打開(kāi)垃圾桶蓋，延時(shí)4000ms完成垃圾投遞，之后舵機(jī)帶動(dòng)桶蓋轉(zhuǎn)回到原來(lái)位置。如果不屬于，系統(tǒng)將下一步判斷是否屬于“可回收”垃圾，如果屬于，系統(tǒng)將控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)分類(lèi)垃圾桶移動(dòng)至垃圾投遞口處，然后控制垃圾桶上的舵機(jī)打開(kāi)桶蓋，延時(shí)4000ms完成垃圾投遞，之后分類(lèi)垃圾桶和桶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)回到原來(lái)位置。如果不屬于，系統(tǒng)將下一步判斷是否屬于“有害”垃圾，如果屬于，系統(tǒng)將控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)分類(lèi)垃圾桶轉(zhuǎn)至垃圾投遞口處，然后控制垃圾桶上的舵機(jī)打開(kāi)桶蓋，延時(shí)4000ms完成垃圾投遞，之后分類(lèi)垃圾桶和桶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)回到原來(lái)位置。如果不屬于，系統(tǒng)將下一步判斷是否屬于“其他”垃圾，如果屬于，系統(tǒng)將控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)分類(lèi)垃圾桶轉(zhuǎn)動(dòng)至垃圾投遞口處，然后控制垃圾桶上的舵機(jī)打開(kāi)桶蓋，延時(shí)4000ms完成垃圾投遞，之后分類(lèi)垃圾桶和桶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)回到原來(lái)位置。如果不屬于，則將返回到初始化位置，繼續(xù)執(zhí)行。

6 分類(lèi)垃圾桶的功能

當(dāng)人們不清楚垃圾屬于什么種類(lèi)時(shí)，該款垃圾桶就可以幫助人們辨別出垃圾的種類(lèi)，并迅速做到分類(lèi)處理。通過(guò)家庭垃圾的分類(lèi)，可以有效提高人們的生活質(zhì)量：（1）幫助人們辨別出垃圾的種類(lèi)，并迅速做到分類(lèi)處理；（2）將可回收的垃圾分類(lèi)收集處理，再次創(chuàng)造價(jià)值；（3）減少了生活中各種病菌交叉感染的機(jī)率；（4）改善居住地環(huán)境，提高環(huán)衛(wèi)工人的工作效率；（5）培養(yǎng)廣大居民垃圾分類(lèi)的好習(xí)慣。

結(jié)語(yǔ)：目前市面上的家庭使用的垃圾桶大多都是單個(gè)的，沒(méi)有對(duì)垃圾進(jìn)行明確分類(lèi)，人們?cè)谑褂玫倪^(guò)程中存在著麻煩、浪費(fèi)時(shí)間等問(wèn)題。“家用智能分類(lèi)垃圾桶”融合了多個(gè)分類(lèi)模塊，并且安裝了智能語(yǔ)音功能，利用自身的智能裝置、語(yǔ)音等功能，引導(dǎo)人們對(duì)家庭中的垃圾進(jìn)行分類(lèi)，還能幫人們節(jié)省出大量處理垃圾的時(shí)間，可以使人們使用更加方便，節(jié)約時(shí)間。