具有自主分離功能的智能垃圾分類裝置設計

王嫣嫣，李潤濤，彭自豪，耿明超,2*

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.張家口市裝配式建筑構件智能制造技術創新中心, 河北 張家口 075000)

0 引言

垃圾分類作為資源回收利用的重要環節之一，可以有效地提高資源回收利用效率，減輕環境污染帶來的危害。然而，目前的垃圾分類裝置一般每次只能實現單個垃圾的投放、分類，不能同時處理不同類別的垃圾，投放等待時間較長[1-2]。現有的分離分揀裝置多為工業級，對物品外形、材質、尺寸、重量等限制度高，同時體積較大、結構復雜、造價高，分離分揀裝置的小型化、低成本化勢在必行。本文提出的智能垃圾分類裝置能夠實現多個不同類別垃圾的分離、識別、投放，豐富了現有垃圾分類裝置的種類。

1 智能垃圾分類裝置系統組成

如圖1所示，具有自主分離功能的智能垃圾分類裝置主要由分離裝置、視覺識別模塊、分類投放裝置、垃圾桶等組成。

圖1 智能垃圾分類裝置

分離裝置通過將分布無序、種類摻雜不一的多個垃圾重新分布，來實現多個投放，逐一輸出的功能。視覺識別模塊利用機器視覺識別處理技術將分離出來的物品進行識別歸類，并反饋于分類投放裝置。根據機器視覺的物品歸類信息判定結果，分類投放裝置按歸類原則進行分類投放。垃圾桶對垃圾進行收納。

2 智能垃圾分類裝置設計

2.1 分離裝置設計

分離裝置采用差時同速運動對多個不同種類的垃圾進行分離，即多條并行布置傳送帶按照一定的間隔時間啟動，以相同的速度運行，這樣傳送帶上不同種類的垃圾就會按照傳送帶啟動的先后順序依次掉落到投送單元上，如圖2所示。間隔時間為單條傳送帶走完單程所用的時間。

圖2 分離裝置結構

如圖2所示，分離裝置采用三層上下分布，依次連接于框架上。其中，第一層主要包括傳送帶、導向輪。第二、三層主要為預緊單元、動力驅動單元的安裝層。動力驅動單元及預緊單元間隔分布于第二層、第三層，為安裝留出足夠的空間。

傳送帶之間理論上不應存在間隙，但為滿足運行時的容錯性，降低裝配難度，傳送帶之間在設計時留有一定的間隙。在正常的工作環境中，機構所涉及的最小物品為煙頭，經調查可知國內卷煙企業生產的卷煙直徑大部分為7.7 mm，進口卷煙直徑為7.8 mm。以此初步確定傳送帶之間的間隙為2 mm，經多次實驗驗證，滿足運行需求。

在動力方面，采用直流減速電機驅動，電機輸出軸直接與主動膠輪相連接，如圖3所示。傳送帶利用摩擦傳動，因其結構形式限制，預緊力不宜過大，故采用增大摩擦面積的方式提高摩擦力所傳遞的扭矩。在傳送帶緊邊外側設置一個(預緊輪)導向輪，既可以增大包角，也可以在規定范圍內保證力不變。

圖3 驅動及預緊單元結構

如圖3所示，傳送帶的預緊形式為搖臂形式，主要由底座、搖臂、彈簧、導向輪等組成。搖臂的底部安裝兩個彈簧。通過彈簧的壓縮，產生向上的推力，導向輪壓緊傳送帶實現預緊。導向輪有輪緣，防止傳送帶跑偏。

2.2 視覺識別模塊設計

垃圾的識別采用機器視覺識別技術，考慮到脫機運行、工作周期、數據的處理速度等因素，選用OpenMV機器視覺模塊[3]。為了擴大視野范圍，OpenMV配置了廣角鏡頭，安裝在分類投放裝置的轉盤初始位置正上方。同時，垃圾分類裝置內部設計有光源，為視覺識別提供光源，避免外界環境光的影響。

基于 BP 神經網絡，建立了不同環境下的特定專屬數據庫，使數據庫內容完善，提高垃圾識別的準確率。圖4為實驗測試過程中的部分垃圾訓練圖片。從圖中可以看出，訓練的垃圾主要有電池、礦泉水瓶、蘋果、磚塊，基本涵蓋了害垃圾電池、廚余垃圾、可回收垃圾等種類。

圖4 針對不同種類垃圾的訓練

2.3 分類投放裝置設計

分類投放裝置由半圓轉盤和撥板組成，物品的分類投放利用轉盤和撥板的差角運動實現，如圖5所示。

圖5 分類投放裝置

為保證撥板與轉盤之間的同軸度，避免在轉動時發生干涉或間隙改變的現象，其整體結構采用同軸貫穿式安裝，如圖6所示。

圖6 分類投放裝置同軸貫穿式結構

撥板通過軸承支撐在階梯軸的軸肩上，形成轉動副。減速電機通過撓性聯軸器與D型轉接軸連接，轉接軸和撥板連接，將減速電機的動力輸出給撥板。轉盤固定于階梯軸，階梯軸與轉盤之間采用D型軸與軸肩組合作用，提供定位。階梯軸下方為兩個帶軸承的軸承座，承擔軸向載荷及扭矩。軸承座通過轉接件固定于橫向安裝梁上。轉盤的動力輸出為下側的減速電機，同樣采用撓性聯軸器進行連接。

3 智能垃圾分類裝置原理樣機

原理樣機采用模塊化設計組裝，框架采用鋁型材搭建而成，原理樣機如圖7所示。

圖7 智能垃圾分類裝置原理樣機

運行時，不同種類的垃圾通過投放口投放到分離裝置傳送帶上，投放口處的光電開關輸出1-0-1的信號，分離機構的單片機接收到信號后，執行差時同速運動。當物品掉落到分類投放裝置的轉盤后，OpenMV執行拍照識別程序，將垃圾類別判定信號以串口通信的方式發送到該部分的STM32單片機內。通過預設的路徑，轉盤與撥板執行對應角度的運動，將不同種類的垃圾投送到對應的垃圾桶內，實現垃圾分類。

原理樣機搭建之后，對電池、礦泉水瓶、蘋果、磚塊、香蕉皮、煙頭等不同類別的垃圾進行了實驗測試。實驗結果表明，垃圾分離裝置能有效對不同種類的垃圾進行分離，視覺識別的準確率超過95%，投送裝置運行穩定可靠。

4 結語

針對垃圾分類的需求，本文提出了一種具有自主分離功能的智能垃圾分類裝置。該裝置利用多個并行布置傳送帶的差時同速運動對同時投放的不同種類的垃圾進行分離，采用機器視覺對垃圾的種類進行識別，采用轉盤與撥板的差角運動方式對不同種類垃圾進行分離投放。實驗表明，設計的垃圾分類裝置識別準確率超過95%，分離、投送裝置運行穩定可靠。