一種智能垃圾回收處理裝置

盛 丹，高昕欣，郭禹城，胡臻祺

（武漢理工大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430061）

1 項目背景

可再生資源產業不斷發展，已成為中國新興的綠色、環保產業。國家“十三五”規劃指出“加強生活垃圾分類回收和再生資源回收的銜接”。隨著中國經濟發展與人們生活習慣的改變，各種可回收的材質如塑料瓶、易拉罐，利包盒等已成為大家日常消費品，消耗量巨大。但是在公園、街道、鬧市區等隨處可見的廢棄的可回收材料，不僅帶來了環境污染，也造成了資源的浪費。合理回收資源再生可以用來做包裝材料、日用品、工業用品等。因此可再生資源的回收不僅可以保護環境，還能有效節約資源，促進能源的可再生利用。

雖然可再生資源的回收已引起全民關注，很多公共場所都設置了可回收垃圾箱，分類投放垃圾，但是由于諸多原因，人們往往將其與其他生活垃圾混合投放難于區分，可再生資源的回收往往需要二次分揀。

為節省人力物力，解決以上問題，本裝置計劃研究一種智能識別可再生資源材質自動分類并做壓縮粉碎處理收集裝置，提高可再生資源的回收率。

2 系統設計

設計了一種可以智能識別投入垃圾材質自動分類并做壓縮粉碎處理收集裝置。基于傳感器識別材質，能夠自動識別金屬類、塑料類、紙質類等可回收垃圾，對投入可回收垃圾進行擠壓破碎處理后自動分類并分區儲存，定期由回收廠家來取走收集并處理的可回收材料。本回收裝置的外觀包含一個投放口，由此口投入可回收材質的垃圾，設備機械部分主要包含刺破擠壓裝置、多自由度過濾收集裝置、分揀模塊；電子部件主要包含機器視覺傳感器，控制擠壓破碎裝置的電機、電路、電源等。

當垃圾被投入之后，投瓶口處的傳感器裝置首先識別投入的物品是否為可擠壓破碎的材質，如果是無法破碎的材質，比如玻璃瓶等，將直接傳送到玻璃瓶收集箱；如果是金屬類、塑料類、紙質類其中一類，則直接進入刺破擠壓裝置，而分揀模塊根據第一次識別直接給機械臂下達命令，投入相應的分類箱。刺破壓縮后的余液則流入密封的有機箱中避免產生異味。

2.1 電器控制

2.1.1 機器視覺識別模塊

機器視覺識別模塊采用圖像傳感器來識別投入物材質，圖像傳感器是利用光電器件的光電轉換功能。將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。圖像傳感器將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。通過機器視覺產品將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，得到被攝目標的形態信息，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

本裝置中，機器視覺識別模塊圖像傳感器利用光電器件的光電轉換功能，將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號，以此來識別易拉罐、飲料瓶、利包盒、玻璃瓶等可再生資源的材質。根據不同回收物品的材質進行不同的處理以及分類。

2.1.2 電機驅動模塊

在本裝置中采用直流電機為擠壓破碎裝置和分揀模塊提供動力，直流電機是指能將直流電能轉換成機械能的旋轉電機。它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，可將電能轉換為機械能。在本裝置中，直流驅動電機與擠壓破碎裝置相連接，直接為擠壓破碎裝置提供動力。

2.2 機械部分設計

2.2.1 擠壓破碎裝置

經過傳感器識別的可回收材質繼續向下，進入電機驅動的擠壓破碎裝置。經過粉碎處理后落入過濾網，并由分揀模塊分揀出其不同材質。擠壓破碎裝置采用齒輥剪切刀輥結構。這種結構巧妙地結合了擠壓、剪切、敲擊等多種作用力共同作用，大大降低了能耗，提高了破碎效率。刀輥轉速只有20～60 r/min，不用飛輪，機器可以隨時關停，特別適合于間歇式作業。低轉速使得刀輥扭矩大，無需配置大轉動慣量的飛輪，這樣機器不會空轉而浪費能量。刀輥轉速低還帶來了噪聲低和粉塵低等優點，均勻的破碎作用力使得破碎后物料的顆粒度十分均勻。

2.2.2 分揀模塊

當不同材質的垃圾通過擠壓破碎裝置進行粉碎處理后，分揀裝置根據機器視覺識別結果，由分揀裝置分出不同的材質并將其投入相應材質的回收箱中。

分揀模塊可前后左右上下六個面全方位旋轉，有伸縮、旋轉、升降三個運動，能將不同的材質顆粒投入到相應的垃圾回收箱中。分揀模塊能夠接受傳感器指令，精確地定位到三維空間上的某一點進行作業。底座上對應有不同的卡座，可以對每個回收箱起到固定作用。當裝置工作一段時間，回收箱處于蓄滿狀態時，工作人員可以將回收箱拆卸下來，進行不同的后續處理。回收箱底部有濾網結構，可以將回收的材質中含有的少量廢液進行濾出收集處理，廢液會被濾至中空的底層結構中，收集一段時間后，工作人員可以拆卸底座對廢液進行相應處理。

裝置底部有可伸展的輪子結構。整個裝置可以移動搬運至不同的地方使用。當裝置需要移動時，輪子伸展至工作狀態，操作者可以將整個裝置推送至所需要的工作地點。達到目的地時，操作者可將輪子收起，將裝置安放在所需地點，正常工作，等待下一次的搬運。

3 理論設計計算

3.1 作品規格尺寸

裝置整體體積為1 m×1 m×1.2 m=1.2 m3，占地面積不大，和普通垃圾箱相比具有體積小、效率高、可回收垃圾的優點。

3.2 對輥式破碎機相關參數

3.2.1 主要技術參數

主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

3.2.2 正常破碎工況下輥齒受力計算

計算公式為：

式（1）中：f為物料與側壁的摩擦系數；σ為物料破碎擠壓強度；E為物料的彈性模量。

代入參數數值計算求得Fe=51.46 kN，足以破碎常見飲料瓶（盒）。

3.3 收集箱容納量

以飲料瓶為例，每個飲料瓶（盒）收集箱體積為底面積0.09 m2×0.6 m=0.054 m3，每個飲料瓶（盒）被破碎后體積約為6×10-4m3，每個收集箱可收集約0.054/（6×10-4）=90個瓶（盒）子。

4 總結

可回收垃圾有多種材質，以常見的飲料瓶為例，有金屬材質、塑料材質、紙質。人們日常消費品中有大量可回收垃圾，消耗量龐大。這些廢棄可回收物不僅帶來了環境污染，也造成了資源浪費。本裝置采用傳感器識別投入物品是否為可回收材質，如果識別為非可回收垃圾，則將其投放于其他垃圾收集箱；如果識別為可回收材質垃圾，進一步識別其材質，即金屬類、塑料類、紙質類，通過對輥式破碎機將其破碎，破碎物落入半圓式漏網，廢液流入含有有機層的廢液收集箱，破碎物投放入相應類別的收集箱中。每次投放垃圾裝置都會高效有序地進行分類處理操作。操作過程簡單有效，可以快速地分類處理每次收集到的垃圾，對于回收再利用有很高的處理效率。

目前國內大中城市中，相似的智能垃圾分類裝置較少，但對可回收垃圾的回收利用需求較高。目前可再生資源的分類回收，主要靠人工回收、分揀，存在回收效率低、易造成二次污染等問題。本裝置針對可回收垃圾分類回收存在的問題，設計一種基于材質識別的不同材質的可回收垃圾自動回收、分類裝置。能夠自動識別金屬材質、塑料材質、紙質的可回收垃圾，并對垃圾進行擠壓、粉碎等預處理后，分類分區儲存。