程 軍 王中昊 曹鑫楠 袁 丹 胡嘉格(重慶交通大學(xué)，重慶 400000)

隨著環(huán)保意識(shí)的日益提高，垃圾分類的重要性逐漸被人們所關(guān)注。我國(guó)目前垃圾分類不標(biāo)準(zhǔn)，分類效率低下[1]。因此，推廣垃圾分類，對(duì)廢棄物進(jìn)行再回收利用，對(duì)突破城市固體廢棄物管理困境、減少環(huán)境污染、應(yīng)對(duì)能源匱乏、改善城市形象、提高人居生活環(huán)境具有重要意義。從政策上看，垃圾分類也是大勢(shì)所趨。2017 年3 月，國(guó)務(wù)院提出“部分范圍內(nèi)先行實(shí)施生活垃圾強(qiáng)制分類”，北京、上海等城市開始在公共機(jī)構(gòu)試點(diǎn)強(qiáng)制分類；2019 年7 月，上海生活垃圾強(qiáng)制分類開始全面推行。國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提出：2025 年以前，全國(guó)地級(jí)及以上城市要基本建成垃圾分類處理系統(tǒng)。

目前市面已經(jīng)出現(xiàn)了很多種類的智能垃圾箱，包括自動(dòng)套袋打包智能垃圾箱[2]，多數(shù)智能垃圾桶不具有自主分類功能，較為先進(jìn)的有語(yǔ)音智能垃圾桶[3]和智能垃圾分類箱[4]，但對(duì)多個(gè)目標(biāo)垃圾進(jìn)行分類仍是目前的難點(diǎn)。因此，作者提出了一種可用于多目標(biāo)分類智能垃圾箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有市場(chǎng)的空缺。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)多目標(biāo)分類智能垃圾箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括四個(gè)部分，首先，針對(duì)多目標(biāo)分類智能垃圾箱的輸送裝置展開設(shè)計(jì)；其次，針對(duì)多目標(biāo)分類智能垃圾箱的投放裝置展開設(shè)計(jì)；再次，針對(duì)智能垃圾箱的容納裝置設(shè)計(jì)；最后，針對(duì)智能垃圾箱總體模型設(shè)計(jì)。結(jié)合這四個(gè)步驟形成一套完整的思路。(圖1)

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理框圖

1.2 總體設(shè)計(jì)

該箱體包括位于頂部的投放口，位于投放口下方依次設(shè)有識(shí)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(duì)顯示屏方向?yàn)闇?zhǔn))。

圖2 裝置總體機(jī)械圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輸送裝置設(shè)計(jì)

輸送裝置是該多目標(biāo)分類智能垃圾箱的設(shè)計(jì)核心，是保證垃圾分類作用的關(guān)鍵步驟，包括輸送機(jī)架和平行安裝在輸送機(jī)架前后兩端的主動(dòng)轉(zhuǎn)軸和從動(dòng)轉(zhuǎn)軸，在主動(dòng)轉(zhuǎn)軸和從動(dòng)轉(zhuǎn)軸之間設(shè)置有輸送帶，主動(dòng)轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器與第一電機(jī)連接。

在設(shè)計(jì)中，為了盡可能減小目標(biāo)垃圾與輸送帶之間的相對(duì)摩擦和輸送帶顏色對(duì)目標(biāo)檢測(cè)造成的誤差，輸送帶材質(zhì)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(biāo)垃圾圖像信息的攝像頭。如圖3 所示，輸送裝置兩側(cè)安裝有左右擋件、后端設(shè)置有一導(dǎo)流面、上方設(shè)置有一隔板。

圖3 輸送裝置機(jī)械圖

2.1.1 輸送裝置主要實(shí)施過(guò)程

2.1.1.1 導(dǎo)流面采用弧形設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)谝浑姍C(jī)驅(qū)動(dòng)輸送裝置反轉(zhuǎn)時(shí)，目標(biāo)垃圾體可在導(dǎo)流面的作用下于輸送帶上方做左右移動(dòng)。

2.1.1.2 在輸送裝置兩側(cè)還有第二電機(jī)和第三電機(jī)，且均為舵機(jī)結(jié)構(gòu)。例如首先第二電機(jī)輸出端安裝一齒輪，其次根據(jù)擋件所需要的行程和舵機(jī)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度最終確定齒輪規(guī)格為1模70 齒的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，最后左擋件上設(shè)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(jìn)行分類的主要設(shè)計(jì)思想

2.1.2.1 輸送帶上表面具有較大面積，可承接多個(gè)目標(biāo)垃圾體，方便后續(xù)分類的進(jìn)行。

2.1.2.2 自主設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

該多目標(biāo)分類智能垃圾箱的投放裝置包括滑移架、第四電機(jī)、第五電機(jī)、固定板和托盤。首先固定板安裝在滑移架上并由第四電機(jī)驅(qū)動(dòng)在滑移架上滑動(dòng)，第五電機(jī)安裝在固定板上，第五電機(jī)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(dǎo)向軸，固定板底部設(shè)置有兩直線軸承，兩直線軸承分別套設(shè)在兩導(dǎo)向軸外。如圖4 所示，第四電機(jī)位于導(dǎo)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(dòng)連接，同步帶穿過(guò)設(shè)置于箱體兩側(cè)的同步帶張緊器與同步帶齒板相連接。

圖4 投放裝置機(jī)械圖

2.2.1 投放裝置主要實(shí)施過(guò)程

2.2.1.1 托盤用于承接從輸送帶前端落下的目標(biāo)垃圾體。

2.2.1.2 第四電機(jī)為托盤提供往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。

2.2.1.3 第五電機(jī)可驅(qū)動(dòng)U 型支架向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。

2.2.2 采用同步帶進(jìn)行傳動(dòng)的主要設(shè)計(jì)思想

2.2.2.1 在該多目標(biāo)分類智能垃圾箱中，所需傳動(dòng)距離不宜過(guò)大。相較于常用與傳動(dòng)的滾珠絲桿和直線模組等套件，采用同步帶進(jìn)行傳動(dòng)則具有占用空間小，傳動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

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

2.3 容納裝置設(shè)計(jì)

容納裝置包括四個(gè)容納桶(適應(yīng)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(shè)置有用于探測(cè)容納桶頂面與最靠近的目標(biāo)垃圾體之間與容納桶桶高相對(duì)距離的超聲波測(cè)距傳感器，當(dāng)容納桶內(nèi)腔容量達(dá)到一定時(shí)，將會(huì)配合置于箱體外側(cè)的顯示屏發(fā)出警報(bào)。在智能垃圾箱的各面均設(shè)置有護(hù)板，其主要目的有：

在智能垃圾箱的各面設(shè)置護(hù)板的主要設(shè)計(jì)思路：

(1)防止容納桶中垃圾物的異味擴(kuò)散。

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

3 結(jié)論

由于輸送帶選用材質(zhì)較深的橡膠材料，使其搭載的攝像頭在高強(qiáng)度的連續(xù)分類作業(yè)下也能夠保證識(shí)別的準(zhǔn)確率。綜合考慮，該多目標(biāo)分類智能垃圾箱的設(shè)計(jì)在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有智能垃圾箱的缺陷。

該多目標(biāo)分類智能垃圾箱是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、圖像處理、自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域。且從各方面評(píng)估，機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)智能垃圾箱的核心，同時(shí)也是智能垃圾箱能否對(duì)多個(gè)目標(biāo)垃圾物進(jìn)行識(shí)別并分類的基礎(chǔ)。本裝置本著美觀簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)原則，融合目前智能垃圾箱所需要的多目標(biāo)分類、語(yǔ)音播報(bào)、滿容量檢測(cè)等功能的情況，率先設(shè)計(jì)出一種具有多目標(biāo)分類功能的智能垃圾箱，解決了目前部分多目標(biāo)智能垃圾箱[5]使用高精密、造價(jià)昂貴的機(jī)械手進(jìn)行分類帶來(lái)的弊端。在國(guó)家愈加重視垃圾分類的今天，為區(qū)域化垃圾分類和回收提供了一份可靠的保障。