摘 要：隨著人們生活水平的不斷提高，人們對城市智能垃圾桶的要求也越來越高。垃圾桶是人們日常生活中不可缺少的一部分，在城市公共社會生活中，必須配備大量的垃圾桶。但目前市場上的垃圾桶，存在的缺點是，結構功能單一、需要人頻繁的更換垃圾袋，不能夠適應越來越快速的生活節(jié)奏。尤其是近年來，垃圾分類的理念深入人心。人們更加追求功能齊全的智能就家居垃圾桶。本文在研究大量文獻的基礎上，分析整合了前任的相關研究經(jīng)驗，設計了一種，人工語音控制的智能垃圾桶，此種垃圾桶能夠在人工語音的控制下自動打開和閉合，運用連桿機構，能夠自動打包和放置新的垃圾袋，省去人工頻繁彎腰開蓋的過程，具有一定的市場前景。

關鍵詞：智能;垃圾桶;連桿;自動化

一.引言

智能垃圾桶已經(jīng)越來越多的受到眾多國家科研人員的關注，尤其是帶有多種功能的智能垃圾桶，研究智能垃圾桶，有助于提高人們的生活水平。目前，在國內市場上，大部分使用的還是傳統(tǒng)的機械式垃圾桶，功能復雜，成本較高的智能垃圾桶并沒有得到應用。垃圾箱的發(fā)展，可以說經(jīng)過了從最原始的簡易垃圾箱、到不要求人彎腰的腳踏垃圾箱，再到了現(xiàn)在研究最熱門的智能垃圾箱，又經(jīng)過了很漫長的時間發(fā)展[1，2]。21世紀10年代，在美國紐約接頭出現(xiàn)了太陽能垃圾桶，此種垃圾桶能夠將太陽照射的太陽能轉化為供給垃圾桶使用的電能。

世界上較為普及的智慧垃圾箱主要是指一些新型智慧垃圾箱[3]，這一類垃圾箱目前只能實現(xiàn)定時包裝所提供的作用，僅限于使用者即時操控其運行，且由于缺乏定位管理系統(tǒng)而根本無法實現(xiàn)對垃圾處理袋的定時投遞，包裝也不能完全按照垃圾箱的狀態(tài)完成，僅限于在約定時段內完成，因此作用受限。而白桂峰[8]采用了STC89C52的家用智慧垃圾箱管理系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)手動開關蓋，對桶中廢棄物進行高度監(jiān)測、異味監(jiān)測，但是由于高度監(jiān)測系統(tǒng)不能處理密度較大物體質量差很大而高度不足的情形，易出現(xiàn)廢棄物超重的現(xiàn)象。并具有打包的功能。

二.項目設計的內容

1研究目標

此次采用的多功能垃圾箱系統(tǒng)，是本著順應時代需要，以進一步提高人民生活品質為目的設計的。

通過軟件控制，來實現(xiàn)如下功能：

1.垃圾箱滿報警;

2.檢測是否物體靠近;

3. 垃圾箱自動翻蓋，并伴隨提示音;

4.定時自動噴灑消毒劑;

2研究內容

設計時選擇了STM32F103為主控單片機，以紅外傳感器、振動感應器、語音芯片為主要功能，主要特征包括：

（1）節(jié)能環(huán)保。

（2）干凈衛(wèi)生。

（3）娛樂性。

（4）運用廣泛。

三.項目設計的步驟

1.設計任務

智能垃圾桶，通過智能車體與智能垃圾桶的結合，實現(xiàn)了垃圾桶可移動的設想，智能車體以兩個直流電機為驅動，由單片機控制車體的平衡并實現(xiàn)車體的自由動作。同時在車體上安裝智能避障傳感器、藍牙通信接收模塊、以及語音模塊、通過單片機協(xié)調各模塊的功能，以實現(xiàn)智能避障，語音開蓋以及手機藍牙掌控。手機APP起主要控制作用，通過藍牙通信向單片機發(fā)送移動指令，根據(jù)指令，單片機將控制兩直流電機產(chǎn)生不同的動作，以實現(xiàn)垃圾桶前、后、左、右的狀態(tài)。

智能垃圾桶部分采用內外嵌套兩層結構，內部結構可拿出，方便了垃圾的傾倒，整個桶身密閉設計，桶蓋上安裝有人體紅外感應器，當手與垃圾桶達到檢測距離后，桶蓋自動打開。

3.設計內容

手機上位機軟件通過藍牙通信模塊實現(xiàn)與單片機的通信，進而通過單片機實現(xiàn)對電機、舵機的控制（實質是對小車以及開關桶蓋的控制）。同時語音模塊也可以實現(xiàn)對以上的控制，雙控制方案使得我們的產(chǎn)品使用起來更加方便。小車在行進過程中加速度陀螺儀模塊不斷校準車體的平衡，從而讓小車在只有兩個輪子的支撐下而不倒。避障模塊是為防止人為控制失誤而撞到家居而設計。當避障模塊檢測到前方近距離有障礙物是便不會前行，并提醒用戶“要撞上了”。人體紅外感應模塊安裝在垃圾桶蓋邊緣。當檢測到人的手與垃圾桶達到一定距離后，便“通知”單片機，由單片機控制舵機轉動，打開桶蓋。電源模塊為整個系統(tǒng)提供能源。在設計此模塊時我們本著節(jié)能環(huán)保的目標，在實現(xiàn)系統(tǒng)供電的前提下不浪費能源。即能提高能源利用率也省去了，經(jīng)常充電的麻煩

4.設計原則

1 自動翻閉蓋功能

通過紅外感應系統(tǒng)控制啟動電路開關，電源給予動作電路提供電 能轉化為機械能，帶動設計的曲柄滑塊傳動機 構完成自動翻閉蓋。

2自動壓縮功能

采用壓縮機制對垃圾進行了壓縮，達到了節(jié)省垃圾空間的目的。該壓縮裝置連接到垃圾箱蓋板上，使得垃圾在自動關閉時，能帶動壓縮裝置進行垃圾的壓縮。針對壓力設備的最佳位置、工作時的聯(lián)動性，以及壓力范圍和效率，設計了一個能夠有效地把垃圾壓到不影響垃圾蓋開閉的連桿機構上，并對機構的運動和動態(tài)情況加以分析，以便進行適當?shù)慕Y構設計和剛度、形狀等分析，以實現(xiàn)工程設計目的。

3語音提示功能

4 滿箱檢測感應功能

5 具地域特色的外形設計

四.智能垃圾桶的設計

4.1結構示意圖

通過減速器減速后，減速器的輸出軸連接到轉臺，轉臺的一端與連接件的一端相鉸接，而連接件的一端則與直線桿的下端相連接，而直接驅動桿的上端則連接到直線桿的上端。

與水平拉桿下部鉸接，在水平拉桿的最前端與蓋鉸接，主要的機械傳動部分就設在筒的背面，通過筒體與蓋鉸合相連，下部還設有推拉式的內蓋。當紅外線感應器探測到人靠近時，將開啟電路，旋轉電機工作，并帶動轉盤，轉臺帶動水平連桿回轉至最低點，直動杠桿會上下滑動，并利用水平拉桿把覆膜拉起，在開啟時，利用覆膜將水平頂桿拉起，這時，由時間延遲系統(tǒng)的控制，垃圾桶會一直處于開啟狀態(tài)，以便于扔進垃圾。在人走后，紅外線感應開關再次啟動，電機繼續(xù)旋轉180度，轉臺驅動桿旋轉到最高，蓋關閉，壓板可以將垃圾壓入，停止工作，如果垃圾對壓力板的壓力超過了預設值，語言電路就會發(fā)出聲音提示。當垃圾桶內的廢物達到一定的容積時，可以用手工把垃圾從容器中取出，然后把垃圾倒入容器中。

4.2智能垃圾桶的材料選定

在廢棄物處理的整個生產(chǎn)活動中，由于機器臂并不需要承受較大的機械壓力，為良好的應對復雜多變的工作環(huán)境，整個機制必須盡可能靈活而輕便，并且充分考慮到生產(chǎn)的生產(chǎn)成本情況，綜上幾點，選用密度相應較少，而剛度也較大的鋁合金作為生產(chǎn)垃圾桶的主要材質。下面是幾個品牌鋁合金的性能參數(shù)表2-1：

為適應垃圾桶對強度的需求以及盡可能的是比智能垃圾桶更輕巧，因此優(yōu)先選用了牌號為六千零六十一的鋁合金作為垃圾箱的主要材質。

4.3 智能垃圾桶大小臂長度的確定

該垃圾處理桶系統(tǒng)采取了立體滑架結構、雙滑塊連桿機構結構、鎖扣構造，自定滑車傳動系統(tǒng)構造，雙曲柄連桿機構等產(chǎn)品設計，并搭配了特殊的桶行垃圾處理袋，以實現(xiàn)對不同用途的協(xié)調有效實現(xiàn)。

垃圾蓋的打開依靠傳統(tǒng)的連桿原理，利用發(fā)電機牽引曲柄，經(jīng)連桿動力的作用，完成了蓋物的向上打開。

滑架結構通常是有直線軸承和與之相配的光軸所平行組成。光軸座與軸承的配合能夠有效的降低摩擦阻力，而軸承在光軸上運動的過程中也有助于較好的保持平衡，從而確保了軸承行業(yè)上各機構的工作都順利完成。由于軸承座的安裝是確保與光軸座平行運動的最主要原因，所以裝配精度也是滑架結構的重要保障。

鎖扣結構很精巧。想要完成右邊橫梁的穩(wěn)定和位移就需要有一套電子"開關"控制系統(tǒng)，但現(xiàn)在的建筑構件中大都是采用了電子開關控制系統(tǒng)，這就需要增加較多的附屬結構。本工程中的鎖扣結構，為純機械結構，利用簧片的收縮特性和瞬時完成特性來達到"開關"的作用。合理的裝配使"開關"與滑架結構充分地融合。

定滑輪傳動結構，解決了過去因為滑架結構高大而造成的發(fā)電機安裝的困難。利用定滑輪的特點，只改變力矩的方向而不改變力矩的大小，這樣只要通過加大繩索的直徑就實現(xiàn)了傳動目的。

曲柄連桿機構是使用最少的部件來達到多種作用的結構理念。省時省力，為節(jié)約資源大大提高了效率。通過人手伸提供的力量，以及通過連桿進行動力的作用，就可以完成水平底板的向前翻升和邊門的向前開啟，從而實現(xiàn)了垃圾封裝完成后可以自行清除的目的，簡單而實用。

模擬過程：

垃圾打包了出來，掉在下面的抽屜中，下面是一個抽屜的結構圖。抽屜門裝在連接件一上，而抽屜連接到連接件3上。如果清洗工人踩著踏板（如圖中的紅字箭頭），抽屜門將會被連桿一拉動，按順時針方向轉動，使垃圾桶抽屜的大門被開啟，并在連桿三的作用下，抽屜門被按逆時針方向轉動，將污物清除。

結果分析：經(jīng)CAD模擬，總功率：P≤20W;

適合垃圾箱類型：通孔長筒形，直徑d=40～50mm;

密封后的垃圾包尺寸：L=150mm;

適合的垃圾：各種醫(yī)療垃圾，直徑d1≤150mm

4.4 創(chuàng)新點及其應用

1）自動封裝垃圾包系統(tǒng)。采用了電阻加熱原理和塑料垃圾袋受熱粘結的特點，利用電阻加熱絲進行了對垃圾袋的自動密封。

2）手動更換垃圾箱功能。使用了專門的垃圾袋，并配備手動控制器，從而實現(xiàn)了對垃圾袋的周期性切換，進而達到了對垃圾箱的手動換袋功能。

3）感應及自動處理垃圾功能。垃圾箱內部通過設置傳感器，可以將垃圾箱里的垃圾總量，以及垃圾存放時間等信號即時傳輸給自動控制芯片，從而使得該垃圾桶在垃圾袋充滿量或垃圾儲存時間過長時，對垃圾袋進行智能封裝管理。

4）利用變形雙滑塊機構，可以完成垃圾箱底平板的門式開合，以便于把包裝好的雜物袋移出垃圾箱。此機構以及電阻加熱絲的運動使用了特殊的鎖扣連接方式，并由同一臺電機驅動，結構更緊密，節(jié)能有效。

5）采用控制系統(tǒng)管理的臭氧發(fā)生片，能夠定期地為垃圾桶箱體和垃圾殺菌，從而能夠充分保持垃圾桶的無菌狀態(tài)，同時減少了垃圾中的安全隱患。

6）使用雙曲柄的連桿機構，以實現(xiàn)每一個動力源產(chǎn)生二種不同方向的動力，進而完成下底板的向前翻起和側門的向前翻起。

六.設計總結

這次采用的多功能垃圾桶管理系統(tǒng)，主要做到了桶滿時自動報警和手動翻蓋。多用途垃圾箱控制系統(tǒng)是一個很好的環(huán)境保護措施，可以有效的降低人類和垃圾之間的接觸，降低人類的傳染概率。中國的智能垃圾箱產(chǎn)品一般并不象外國那樣豐富，而且功能也不多，這是因為外國人早已開始了對垃圾箱產(chǎn)品的設計與研究。到目前為止，很多國家都在實行垃圾分類循環(huán)，在一些國家，太陽能垃圾箱也得到了廣泛的應用。多用途垃圾桶在國內并不為人所熟知，大眾對它的重視程度也很低，所以它的市場規(guī)模很小，很多商家和普通的家庭都不愿意買，這就造成了多用途垃圾箱產(chǎn)業(yè)在國內沒有任何的技術和資金，也沒有辦法迅速地發(fā)展起來。但是，由于中國經(jīng)濟社會的發(fā)展，人民的環(huán)境意識也在進一步地加強，多用途垃圾桶也將逐步進入我們的生活，成為我們的一大助力。

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作者簡介：姜博（2000.12月2日），男，漢族，遼寧省綏中縣人，本科;研究方向 ：機械設計制造及其自動化