一種智能垃圾分類箱的設計

劉文斌，楊代云，李 謙

(吉首大學 物理與機電工程學院，湖南 吉首 416000)

0 引言

環境保護作為符合“低碳生活”理念的一種行為，在現代社會發展中越來越受到重視[1]。街道、社區、家庭垃圾的分類回收成為了當前主流，但垃圾分類是個難題。目前，國內家用垃圾分類多數需要人工識別，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量多、某些垃圾難以人工識別種類、垃圾異味容易散發。一系列的家用垃圾分類帶來的缺點，導致低碳生活中家用垃圾分類這一環節遲遲難以實現，同時現有垃圾桶的異味散發也會降低空氣質量[2]。

垃圾種類繁多，人工識別存在一定的困難，同時會消耗大量的時間，并且外散的異味則破壞了家庭的空氣清潔。因此，設計一種方便快捷、省時省精力、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前最大的需求[3]。

1 智能垃圾分類箱總體結構設計

本裝置為實現將垃圾智能分類，采用了圖像識別技術，對垃圾的種類進行識別。同時采用同步帶連接開門結構的形式，可快速開關垃圾投入口，減少人工等待時間；在取放垃圾袋方面，本裝置采用杠桿結構，將腳踩踏板的上下運動轉化成垃圾桶的傾斜側出，方便人隨時取放垃圾袋。裝置整體在不投放垃圾時基本上密封，能夠極大地防止垃圾異味的散發，提高空氣質量。

如圖1、圖2，本裝置主要由五大結構組成：滾道結構、圖像識別與分類結構、間歇旋轉結構[4]、腳踏板杠桿結構、儲物抽屜結構。裝置整體為長×寬×高=0.6 m×0.6 m×0.9 m的長方體，內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部所有結構提供支撐作用。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。活動門板下方的腳踏板露出，踩踏時垃圾桶從上方的活動門板傾斜側出。活動門板的上方設計了一個儲物抽屜，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.圖像識別與分類結構；4.滾道結構；5.儲物抽屜結構；6.垃圾桶；7.腳踏板杠桿結構圖2 垃圾分類箱結構預覽圖(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 滾道結構圖

1.1 滾道結構、圖像識別與分類結構

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，同時滾道支架通過連桿連接在安裝支架上，通過調整與連桿固定的腰孔的位置，可實現滾道支架的角度調整，此外，整個滾道結構通過安裝支架固定在頂板上。垃圾從投入口下落，經過滾道結構時，受滾軸的旋轉作用下滑直至掉入阻擋圈，阻擋圈對垃圾掉落位置進行規范，讓垃圾準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構，由安裝支架、旋轉葉片、軸承、攝像頭以及步進電機組成。四個90°旋轉葉片中心接觸結合，同時通過軸承安裝在安裝支架上，各旋轉葉片上帶有與步進電機一致的同步帶輪，且可繞軸承旋轉。攝像頭對垃圾進行實時識別，將信號輸出給控制中心，控制中心發送信號給步進電機，通過同步帶帶動4個旋轉葉片進行開合，垃圾會隨重力掉入對應種類的垃圾桶內。

1.安裝支架；2.旋轉葉片；3.軸承；4.攝像頭；5.步進電機圖4 圖像識別與分類裝置結構圖

1.2 間歇旋轉結構、腳踏板杠桿結構

如圖5，該裝置的間歇旋轉結構包括：伺服電機、聯軸器、傳動軸、垃圾桶安裝支架、轉盤、垃圾桶、支撐軸。電機固定安裝在底板上，同時連接著動力傳動軸。隨著電機轉動，傳動軸做圓周運動，間接帶動轉盤轉動。支撐軸位于裝置中心，轉盤通過滾動軸承安裝在支撐軸上，能繞支撐軸旋轉。當電機運動一圈時，凸輪配合帶動轉盤旋轉90°，與四個垃圾桶對應，實現單個垃圾桶的位置切換。同時垃圾桶上裝有紅外感應器，對已滿垃圾進行感應。垃圾桶通過銷釘連接在轉盤上，能繞轉盤外側旋轉一定角度，為垃圾桶的傾斜側出作鋪墊。

1.伺服電機；2.聯軸器；3.傳動軸；4.垃圾桶安裝支架；5.轉盤；6.垃圾桶；7.支撐軸圖5 間歇旋轉結構零件圖(部分透明化)

如圖6，該裝置的腳踏板杠桿結構包括：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。該結構主要功能是提供踩踏，通過杠桿結構[5]將踩踏轉化為垃圾桶的傾斜側出。固定于底板杠桿支架上的銷釘與杠桿連接，同時杠桿與腳踏板緊固，杠桿的另一端與連桿銷釘連接，進一步與被上推桿支架限制的可上下移動的上推桿連接。垃圾經過分類后，掉入對應種類的垃圾桶，在某個垃圾桶內的垃圾已滿時，被其上的紅外感應器感應，傳輸信號給控制系統，進一步控制電機的轉動。此時，電機將帶動間歇旋轉機構運動，帶動轉盤運動，推動轉盤旋轉，將已滿垃圾桶旋轉至開口處。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，杠桿結構將帶動上推桿上推，垃圾桶被傾斜推出，進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 腳踏板杠桿結構零件圖(部分透明化)

1.3 儲物抽屜結構

如圖7，該裝置的儲物抽屜結構由抽屜、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，同時抽屜上帶有拉手，使用拉手進行抽屜的推拉。儲物抽屜可儲存垃圾袋等相關物品，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 儲物抽屜結構圖

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，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，可按下頂部常開按鈕，此時開口持續保持打開狀態，裝置對常開狀態時的第一個垃圾識別，直到關閉常開按鈕不再識別。

如圖9，在某一種類垃圾滿時，分類垃圾箱頂部信號燈亮起，此時踩踏側方的腳踏板，垃圾桶隨之傾斜側出，即可更換垃圾袋。隨后將垃圾桶回推，關閉側方活動門，完成垃圾袋更換過程，圖10、圖11為該裝置的實物展示圖，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 垃圾分類結構實物圖

圖11 更換垃圾袋過程實物圖

3 結論

以現有家用垃圾分類困難、人工識別垃圾種類繁雜、垃圾異味散發等實際情況為出發點，較好地設計出了本文所述垃圾分類裝置。

該裝置較傳統人工垃圾分類有以下優點：(1)裝置能實現自由移動，不限制家居使用環境；(2)垃圾分類迅速，節省人力，方便快捷；(3)可以同時分類四個種類的垃圾，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，提高空氣質量；(6)裝置安全可靠，全封閉式設計，提高安全性。

綜上所述，本裝置可以快速地將家用垃圾進行分類，并同時防止垃圾異味散發，提高空氣質量，有效解決了家用垃圾分類難、分類麻煩的問題，具有一定的實際推廣應用價值。