郭韬文 谢汶沛
（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074）
1 研制背景及意义
据有关资料显示：近10 年，我国城市垃圾平均每年以8.98%的速度增长。我国历年堆存的垃圾已达60 亿吨，侵占了约5 亿多平方米的土地。每年，我国生活垃圾产生量在4 亿吨以上。中国的垃圾产生大多来自于快递与外卖包装[1]而在如今的社会中人们还暂未形成一种自觉的对于生活垃圾进行分类的意识。根据统计数据显示，快递包装垃圾人均每年20 千克。生活垃圾的集中处理不仅占用大量的土地资源，还对环境造成严重的污染。在数据统计中同样显示出垃圾的正确回收利用与中国各省市的经济发展有着直接的关系，诸如上海、深圳等经济高速发展的沿海城市垃圾的分类治理程度较好，治理机制也较为完善；但对于一些经济发展较为缓慢的地区，因为对于垃圾分类的不规范而导致了严重的环境污染以及人力物力资源的浪费[2]。为切实的保护自然环境以及节约社会资源而设计了生活垃圾智能分类装置。
垃圾分类一般是指按一定规定或标准将垃圾分类储存、投放和搬运，从而转变成公共资源的一系列活动的总称。目前，城市生活垃圾的品类繁多且产生量呈逐年上升趋势，处置生活垃圾的任务繁重；现在仍是采用卫生填埋、焚烧等传统的生活垃圾处置方式，处理大量成分混杂的生活垃圾，极易造成生态环境的过度污染。但是，如果对生活垃圾进行分类处理，就可以简化处理的过程，同时使生活垃圾中能够循环利用的资源得到循环利用，节约资源，保护生态环境。纵观国内外关于智能分类垃圾桶的设计与研究，虽然对于城市垃圾分类有着一定程度的帮助，但是更多的设计都仅仅的停留在电控系统的理论设计亦或者是对于一些现有垃圾桶的改进，而在改进的垃圾桶中又大多围绕着一些固定类型的垃圾进行分类包装，例如塑料包装垃圾。[3]然而单一的垃圾分类却不能够解决一些经济发展十分迅速，但自然资源整合与利用能力又相对薄弱的城市所带来的“垃圾种类多，垃圾数量多”的基本问题。
针对以上所提出的问题，我们首先对于外型尺寸进行了改善，将原来庞大的垃圾分类装置转变成为了只用路边普通垃圾桶大小的分类装置；其次是针对目前国内外单一分类包装的改进，在本款智能垃圾桶中能对于四类生活垃圾进行智能的识别与分类，这样实现资源的最大再利用率；然后设计小组通过现有资料显示出的城市人口结构分布数据[4]以及“节能减排”的基本原则改良了智能垃圾桶的供能系统——新型的智能分类系统采用太阳能电池板，一方面降低了因为能量转换而排放的温室气体达到了“减排”的目的，另一方面通过太阳能高效的转化为电能极大的降低了能源成本而达到“节能”的目的。
2 设计方案
2.1 设计思路
在设计智能垃圾分类装置时主要针对以下几个方面考虑：
针对机械结构设计：本装置机械结构主要由漏料装置及旋转接料装置两部分组成。漏料装置由两个电动推杆推动六片扇叶控制开合。旋转接料装置由旋转舵机驱动齿轮转动从而达实现各垃圾桶旋转。四个垃圾桶及亚克力底板被固定在M3 凸台齿轮上，凸台齿轮作为从动轮与直齿轮相啮合。本装置部分结构由亚克力材料制成，在保证强度和韧性的同时减轻重量，以达到便携的目的。
针对电控系统的设计：在电路设计中主要存在的问题一方面是实现功能的程序编辑，另一方面是电路元器零件的适配以及电路铺设的问题。为了满足“节能减排”的基本原则，装置的电路元件以满足机械运动为主要标准，以防止元器件过载以及电力的浪费问题的发生。在电路的铺设中小组遵循美观实用的原则，将电路器件铺设在装置内部，电器元件也选择体积相对较小的，以防止空间上的浪费。
针对装置供能系统的考虑：对于科技社会发展与出于对自然环境的保护而言，“节能减排”一定是重中之重；对于机械结构以及机械传动而言，足够的电力能源保障是实现机械运动的首要条件。为了调和这两方面的矛盾，小组提出了一下几个供能设备的选择：内置小型柴油发电机，48V 铅蓄电池，12V2200毫安航模电池以及太阳能电池板。最后经过讨论研究选择了太阳能电池板。
针对机械运动系统的设计：在设计制造时机械设计的最大问题为：机械零件虽然购买方便，但是质量普遍较大的问题。并且随着对于功能要求以及运动精度的不断提高，机械配合也会越来越复杂，这会导致垃圾桶的质量不断增大，从而使这款装置的普及率大大降低。于是决定将机械运动系统拆分为“主运动”与“副运动”两个板块，主运动的零件统一采用刚度较好的铝合金材质，而副运动所需要的零件采用5mm 厚的亚克力板通过激光切割获得，一些特殊的零件例如传动齿轮就通过设计非标齿轮之后再加工获得。这样从最大程度上减轻的装置的质量，同样也避免了一些不必要的材料浪费。
针对外型外观的设计：外型的设计同样延续普通垃圾桶的外观模型，采用铝合金框架与透明亚克力板作为组装外壳与垃圾桶的主要材料，一方面控制了装置的总体质量向人们展示了垃圾桶中具体的垃圾，同样也便于控制装置的体积，以达到便捷节能的效果。
2.2 基本结构以及工作原理
为实现垃圾桶对于四类垃圾的分类投放，机械结构设计分为垃圾识别与垃圾分类、满载警告三个方面同时结合电控系统以及能源供应系统辅助。
2.2.1 整体设计方面
如图1 整体图所示智能分类垃圾桶从上至下分别安装垃圾识别系统、接料圆盘装置、四类垃圾桶、接料转盘系统。其中垃圾识别系统由分为接料圆筒（接料圆筒为上圆下方，上方矩形为200×200mm，下方圆形为直径200mm）同时在圆筒侧面拆开留出识别摄像头的位置。经过模拟测试，识别摄像头固定在水平向下45°时识别效果最佳。在接料圆盘中每片扇叶中都可以连接电动推杆，在识别完垃圾种类之后由电动推杆控制扇叶的开合，同时下方的转盘由舵机控制使对应的垃圾桶旋转到接料圆盘口，最终实现垃圾的正确分类。
图1 智能垃圾分类装置整体示意图
2.2.2 垃圾识别系统
如图2、图3 当垃圾从投放口投入后，进入由推杆配合控制的漏料装置中，漏料底盘由六张扇叶组成，同时由两根电动推杆控制开合。在漏料底盘上固定一个圆形桶，圆筒侧面留出安装识别器位置，以此来实现识别垃圾的功能。
图2 漏料装置二维工程图及其相关尺寸
图3 漏料装置三维图
2.2.3 垃圾分类系统
2.2.3.1 机械结构设计：当完成垃圾识别后，为实现对不同的垃圾放置进入不同的垃圾筒，可通过旋转圆盘的方式进行分类，将四类不同的垃圾桶通过M4 螺纹连接固定在转盘上。在进行垃圾分类时，由电机带动M3 直齿轮以及M3 凸台齿轮转动，从动轮上方连接与齿顶圆半径相同的亚克力片，使不同的垃圾进入不同的垃圾筒。在每次成功分类之后分类圆盘将进行复位。
图4 垃圾分类装置旋转接料二维工程图及尺寸
图5 垃圾分类装置旋转接料三维展示
2.2.3.3 电控结构设计：主要分为图像采集模块和stm32 控制系统。装置开启后，摄像头模块启动，算法识别垃圾位置、种类、数量，拍摄、输入垃圾图像，验证识别结果。识别完成后调用控制系统，驱动舵机转动使目标垃圾进入相应垃圾桶，完成一次分类后旋转舵机复位。
2.2.3.4 满载警告：在垃圾桶的边缘上加装一个红外线识别装置，当一次垃圾分类完成后，控制系统会调用激光模块，对桶内垃圾进行检测。若一类垃圾装满垃圾桶，红外装置会感应识别，同时将满载信息传输给显示屏，从而显示满载信息及满载垃圾类型。
2.2.3.5 太阳能供电装置：为遵循“节能减排”的原则，本装置采用太阳能电池板进行供电。供电装置主要由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池三部分组成。相对于传统的电池而言，该装置使用寿命更长，硅晶体太阳能电池寿命可长达30 年。供电装置本身不需要燃料，避免了二氧化碳的排放。
2.3 装置工作流程
我们的控制系统基于Raspberry Pi 开源硬件，即一种基于ARM 的微型电脑主板开发。装置上的控制器是32 单片机，在装置运行时，向投放口放入一个垃圾。垃圾进入由推杆配合控制的漏料装置中，漏料底盘由六片扇页组成，同时由两根漏料推杆控制开合。在漏料底盘上固定一个用作识别的摄像头，以此来实现识别垃圾的功能。为实现对不同的垃圾放置进入不同的垃圾筒，可通过旋转圆盘的方式进行分类，将四类不同的垃圾桶固定在亚克力转盘上。在进行垃圾分类时，由旋转舵机带动两个直齿轮转动，从动轮上方连接与齿顶圆半径相同的铝片，使亚克力转盘转动，令与投入垃圾对应的垃圾筒转至漏料装置下。垃圾在完成内容识别且旋转接料装置转至指定位置后，推杆控制漏料的扇页开启，垃圾落入接料装置的对应垃圾桶中。
3 应用前景及创新
图6 智能垃圾分类识别装置三维示意图
“环境保护”与“节能减排”一直是人类社会发展离不开的话题。因此智能生活垃圾分类装置从与人们最贴切的生活垃圾入手，在全国大中城市，每天都会产生大量的垃圾，而人工垃圾分类会极大的增加劳动成本，原始的混合粗放型垃圾混合堆放分类模式也会对自然环境造成极大的危害。所以通过一款日常人们能够使用到的智能分类垃圾桶就显的十分高效，因此应用前景很广。此款设备的智能识别装置采用了图像识别的方式，目前在国内外的垃圾分类装置中大都采用红外扫描方式，这样虽然缩短了垃圾识别时的时间但是也极大的降低了识别的正确率。相反通过图像识别不仅仅能直观的判断垃圾种类，并且设备对于垃圾种类的学习成本极低。
