多目標分類智能垃圾箱機械結構設計研究

程 軍 王中昊 曹鑫楠 袁 丹 胡嘉格(重慶交通大學，重慶 400000)

隨著環保意識的日益提高，垃圾分類的重要性逐漸被人們所關注。我國目前垃圾分類不標準，分類效率低下[1]。因此，推廣垃圾分類，對廢棄物進行再回收利用，對突破城市固體廢棄物管理困境、減少環境污染、應對能源匱乏、改善城市形象、提高人居生活環境具有重要意義。從政策上看，垃圾分類也是大勢所趨。2017 年3 月，國務院提出“部分范圍內先行實施生活垃圾強制分類”，北京、上海等城市開始在公共機構試點強制分類；2019 年7 月，上海生活垃圾強制分類開始全面推行。國家住房和城鄉建設部提出：2025 年以前，全國地級及以上城市要基本建成垃圾分類處理系統。

目前市面已經出現了很多種類的智能垃圾箱，包括自動套袋打包智能垃圾箱[2]，多數智能垃圾桶不具有自主分類功能，較為先進的有語音智能垃圾桶[3]和智能垃圾分類箱[4]，但對多個目標垃圾進行分類仍是目前的難點。因此，作者提出了一種可用于多目標分類智能垃圾箱的機械結構，彌補了現有市場的空缺。

1 系統總體設計

1.1 設計思路

針對多目標分類智能垃圾箱的機械結構設計，主要包括四個部分，首先，針對多目標分類智能垃圾箱的輸送裝置展開設計；其次，針對多目標分類智能垃圾箱的投放裝置展開設計；再次，針對智能垃圾箱的容納裝置設計；最后，針對智能垃圾箱總體模型設計。結合這四個步驟形成一套完整的思路。(圖1)

圖1 系統機械結構原理框圖

1.2 總體設計

該箱體包括位于頂部的投放口，位于投放口下方依次設有識別裝置、輸送裝置、投放裝置、容納裝置；(文中所述“上”“下”“左”“右”等方向以圖2 正對顯示屏方向為準)。

圖2 裝置總體機械圖

2 機械結構設計

2.1 輸送裝置設計

輸送裝置是該多目標分類智能垃圾箱的設計核心，是保證垃圾分類作用的關鍵步驟，包括輸送機架和平行安裝在輸送機架前后兩端的主動轉軸和從動轉軸，在主動轉軸和從動轉軸之間設置有輸送帶，主動轉軸通過聯軸器與第一電機連接。

在設計中，為了盡可能減小目標垃圾與輸送帶之間的相對摩擦和輸送帶顏色對目標檢測造成的誤差，輸送帶材質盡量選用表面摩擦阻尼較大、硬度較低、顏色較深的材料。輸送帶的上方安裝有用于采集目標垃圾圖像信息的攝像頭。如圖3 所示，輸送裝置兩側安裝有左右擋件、后端設置有一導流面、上方設置有一隔板。

圖3 輸送裝置機械圖

2.1.1 輸送裝置主要實施過程

2.1.1.1 導流面采用弧形設計，當第一電機驅動輸送裝置反轉時，目標垃圾體可在導流面的作用下于輸送帶上方做左右移動。

2.1.1.2 在輸送裝置兩側還有第二電機和第三電機，且均為舵機結構。例如首先第二電機輸出端安裝一齒輪，其次根據擋件所需要的行程和舵機結構的旋轉角度最終確定齒輪規格為1模70 齒的標準直齒圓柱齒輪，最后左擋件上設置有齒條，齒輪和齒條之間相互嚙合。

2.1.2 采用輸送裝置進行分類的主要設計思想

2.1.2.1 輸送帶上表面具有較大面積，可承接多個目標垃圾體，方便后續分類的進行。

2.1.2.2 自主設計制造的輸送裝置成本較低，易于大面積推廣使用。

2.2 投放裝置設計

該多目標分類智能垃圾箱的投放裝置包括滑移架、第四電機、第五電機、固定板和托盤。首先固定板安裝在滑移架上并由第四電機驅動在滑移架上滑動，第五電機安裝在固定板上，第五電機輸出端則安裝有U 型支架，托盤與U 型支架頂部相連接。其次滑移架包括兩根相互平行的導向軸，固定板底部設置有兩直線軸承，兩直線軸承分別套設在兩導向軸外。如圖4 所示，第四電機位于導向軸下方，且其在輸出端安裝有一同步輪，同步輪與同步帶傳動連接，同步帶穿過設置于箱體兩側的同步帶張緊器與同步帶齒板相連接。

圖4 投放裝置機械圖

2.2.1 投放裝置主要實施過程

2.2.1.1 托盤用于承接從輸送帶前端落下的目標垃圾體。

2.2.1.2 第四電機為托盤提供往復運動的動力。

2.2.1.3 第五電機可驅動U 型支架向左或向右轉動一定角度。

2.2.2 采用同步帶進行傳動的主要設計思想

2.2.2.1 在該多目標分類智能垃圾箱中，所需傳動距離不宜過大。相較于常用與傳動的滾珠絲桿和直線模組等套件，采用同步帶進行傳動則具有占用空間小，傳動速度快的優點。

2.2.2.2 在該多目標分類智能垃圾箱中，對于投放裝置的傳動精度要求不高，對于相同行程的直線模組和同步帶，直線模組的價格常常高于同步帶的4 倍以上。

2.3 容納裝置設計

容納裝置包括四個容納桶(適應目前垃圾種類的通常分類即可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾)。容納桶上方設置有用于探測容納桶頂面與最靠近的目標垃圾體之間與容納桶桶高相對距離的超聲波測距傳感器，當容納桶內腔容量達到一定時，將會配合置于箱體外側的顯示屏發出警報。在智能垃圾箱的各面均設置有護板，其主要目的有：

在智能垃圾箱的各面設置護板的主要設計思路：

(1)防止容納桶中垃圾物的異味擴散。

(2)防止智能垃圾箱在戶外工作時因惡劣天氣影響造成機械結構的磨損和電控部件的失效。

3 結論

由于輸送帶選用材質較深的橡膠材料，使其搭載的攝像頭在高強度的連續分類作業下也能夠保證識別的準確率。綜合考慮，該多目標分類智能垃圾箱的設計在一定程度上彌補了現有智能垃圾箱的缺陷。

該多目標分類智能垃圾箱是一個復雜的機電一體化系統，涉及機械設計、圖像處理、自動控制等多個領域。且從各方面評估，機械結構是整個智能垃圾箱的核心，同時也是智能垃圾箱能否對多個目標垃圾物進行識別并分類的基礎。本裝置本著美觀簡潔的設計原則，融合目前智能垃圾箱所需要的多目標分類、語音播報、滿容量檢測等功能的情況，率先設計出一種具有多目標分類功能的智能垃圾箱，解決了目前部分多目標智能垃圾箱[5]使用高精密、造價昂貴的機械手進行分類帶來的弊端。在國家愈加重視垃圾分類的今天，為區域化垃圾分類和回收提供了一份可靠的保障。