盛 丹，高昕欣，郭禹城，胡臻祺

（武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430061）

1 項(xiàng)目背景

可再生資源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，已成為中國新興的綠色、環(huán)保產(chǎn)業(yè)。國家“十三五”規(guī)劃指出“加強(qiáng)生活垃圾分類回收和再生資源回收的銜接”。隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們生活習(xí)慣的改變，各種可回收的材質(zhì)如塑料瓶、易拉罐，利包盒等已成為大家日常消費(fèi)品，消耗量巨大。但是在公園、街道、鬧市區(qū)等隨處可見的廢棄的可回收材料，不僅帶來了環(huán)境污染，也造成了資源的浪費(fèi)。合理回收資源再生可以用來做包裝材料、日用品、工業(yè)用品等。因此可再生資源的回收不僅可以保護(hù)環(huán)境，還能有效節(jié)約資源，促進(jìn)能源的可再生利用。

雖然可再生資源的回收已引起全民關(guān)注，很多公共場所都設(shè)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(qū)分，可再生資源的回收往往需要二次分揀。

為節(jié)省人力物力，解決以上問題，本裝置計(jì)劃研究一種智能識別可再生資源材質(zhì)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(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種可以智能識別投入垃圾材質(zhì)自動分類并做壓縮粉碎處理收集裝置?；趥鞲衅髯R別材質(zhì)，能夠自動識別金屬類、塑料類、紙質(zhì)類等可回收垃圾，對投入可回收垃圾進(jìn)行擠壓破碎處理后自動分類并分區(qū)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(zhì)的垃圾，設(shè)備機(jī)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(jī)器視覺傳感器，控制擠壓破碎裝置的電機(jī)、電路、電源等。

當(dāng)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(zhì)，如果是無法破碎的材質(zhì)，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(zhì)類其中一類，則直接進(jìn)入刺破擠壓裝置，而分揀模塊根據(jù)第一次識別直接給機(jī)械臂下達(dá)命令，投入相應(yīng)的分類箱。刺破壓縮后的余液則流入密封的有機(jī)箱中避免產(chǎn)生異味。

2.1 電器控制

2.1.1 機(jī)器視覺識別模塊

機(jī)器視覺識別模塊采用圖像傳感器來識別投入物材質(zhì)，圖像傳感器是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能。將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)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(zhuǎn)換成可用的電信號的一種功能器件。通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

本裝置中，機(jī)器視覺識別模塊圖像傳感器利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能，將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)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(zhì)。根據(jù)不同回收物品的材質(zhì)進(jìn)行不同的處理以及分類。

2.1.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

在本裝置中采用直流電機(jī)為擠壓破碎裝置和分揀模塊提供動力，直流電機(jī)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動機(jī)運(yùn)行時是直流電動機(jī)，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在本裝置中，直流驅(qū)動電機(jī)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(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.2.1 擠壓破碎裝置

經(jīng)過傳感器識別的可回收材質(zhì)繼續(xù)向下，進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動的擠壓破碎裝置。經(jīng)過粉碎處理后落入過濾網(wǎng)，并由分揀模塊分揀出其不同材質(zhì)。擠壓破碎裝置采用齒輥剪切刀輥結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)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(zhuǎn)速只有20～60 r/min，不用飛輪，機(jī)器可以隨時關(guān)停，特別適合于間歇式作業(yè)。低轉(zhuǎn)速使得刀輥扭矩大，無需配置大轉(zhuǎn)動慣量的飛輪，這樣機(jī)器不會空轉(zhuǎn)而浪費(fèi)能量。刀輥轉(zhuǎn)速低還帶來了噪聲低和粉塵低等優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)不同材質(zhì)的垃圾通過擠壓破碎裝置進(jìn)行粉碎處理后，分揀裝置根據(jù)機(jī)器視覺識別結(jié)果，由分揀裝置分出不同的材質(zhì)并將其投入相應(yīng)材質(zhì)的回收箱中。

分揀模塊可前后左右上下六個面全方位旋轉(zhuǎn)，有伸縮、旋轉(zhuǎn)、升降三個運(yùn)動，能將不同的材質(zhì)顆粒投入到相應(yīng)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(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。底座上對應(yīng)有不同的卡座，可以對每個回收箱起到固定作用。當(dāng)裝置工作一段時間，回收箱處于蓄滿狀態(tài)時，工作人員可以將回收箱拆卸下來，進(jìn)行不同的后續(xù)處理?；厥障涞撞坑袨V網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以將回收的材質(zhì)中含有的少量廢液進(jìn)行濾出收集處理，廢液會被濾至中空的底層結(jié)構(gòu)中，收集一段時間后，工作人員可以拆卸底座對廢液進(jìn)行相應(yīng)處理。

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

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 作品規(guī)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(yōu)點(diǎn)。

3.2 對輥式破碎機(jī)相關(guān)參數(shù)

3.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3.2.2 正常破碎工況下輥齒受力計(jì)算

計(jì)算公式為：

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

代入?yún)?shù)數(shù)值計(jì)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(jié)

可回收垃圾有多種材質(zhì)，以常見的飲料瓶為例，有金屬材質(zhì)、塑料材質(zhì)、紙質(zhì)。人們?nèi)粘ＯM(fèi)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(huán)境污染，也造成了資源浪費(fèi)。本裝置采用傳感器識別投入物品是否為可回收材質(zhì)，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(zhì)垃圾，進(jìn)一步識別其材質(zhì)，即金屬類、塑料類、紙質(zhì)類，通過對輥式破碎機(jī)將其破碎，破碎物落入半圓式漏網(wǎng)，廢液流入含有有機(jī)層的廢液收集箱，破碎物投放入相應(yīng)類別的收集箱中。每次投放垃圾裝置都會高效有序地進(jìn)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(nèi)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(shè)計(jì)一種基于材質(zhì)識別的不同材質(zhì)的可回收垃圾自動回收、分類裝置。能夠自動識別金屬材質(zhì)、塑料材質(zhì)、紙質(zhì)的可回收垃圾，并對垃圾進(jìn)行擠壓、粉碎等預(yù)處理后，分類分區(qū)儲存。