王嫣嫣，李潤(rùn)濤，彭自豪，耿明超,2*

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市裝配式建筑構(gòu)件智能制造技術(shù)創(chuàng)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(huán)節(jié)之一，可以有效地提高資源回收利用效率，減輕環(huán)境污染帶來(lái)的危害。然而，目前的垃圾分類裝置一般每次只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)垃圾的投放、分類，不能同時(shí)處理不同類別的垃圾，投放等待時(shí)間較長(zhǎng)[1-2]?，F(xiàn)有的分離分揀裝置多為工業(yè)級(jí)，對(duì)物品外形、材質(zhì)、尺寸、重量等限制度高，同時(shí)體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，分離分揀裝置的小型化、低成本化勢(shì)在必行。本文提出的智能垃圾分類裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)不同類別垃圾的分離、識(shí)別、投放，豐富了現(xiàn)有垃圾分類裝置的種類。

1 智能垃圾分類裝置系統(tǒng)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(jué)識(shí)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(guò)將分布無(wú)序、種類摻雜不一的多個(gè)垃圾重新分布，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)投放，逐一輸出的功能。視覺(jué)識(shí)別模塊利用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別處理技術(shù)將分離出來(lái)的物品進(jìn)行識(shí)別歸類，并反饋于分類投放裝置。根據(jù)機(jī)器視覺(jué)的物品歸類信息判定結(jié)果，分類投放裝置按歸類原則進(jìn)行分類投放。垃圾桶對(duì)垃圾進(jìn)行收納。

2 智能垃圾分類裝置設(shè)計(jì)

2.1 分離裝置設(shè)計(jì)

分離裝置采用差時(shí)同速運(yùn)動(dòng)對(duì)多個(gè)不同種類的垃圾進(jìn)行分離，即多條并行布置傳送帶按照一定的間隔時(shí)間啟動(dòng)，以相同的速度運(yùn)行，這樣傳送帶上不同種類的垃圾就會(huì)按照傳送帶啟動(dòng)的先后順序依次掉落到投送單元上，如圖2所示。間隔時(shí)間為單條傳送帶走完單程所用的時(shí)間。

圖2 分離裝置結(jié)構(gòu)

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(dǎo)向輪。第二、三層主要為預(yù)緊單元、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元的安裝層。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元及預(yù)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(yīng)存在間隙，但為滿足運(yùn)行時(shí)的容錯(cuò)性，降低裝配難度，傳送帶之間在設(shè)計(jì)時(shí)留有一定的間隙。在正常的工作環(huán)境中，機(jī)構(gòu)所涉及的最小物品為煙頭，經(jīng)調(diào)查可知國(guó)內(nèi)卷煙企業(yè)生產(chǎn)的卷煙直徑大部分為7.7 mm，進(jìn)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(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足運(yùn)行需求。

在動(dòng)力方面，采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)輸出軸直接與主動(dòng)膠輪相連接，如圖3所示。傳送帶利用摩擦傳動(dòng)，因其結(jié)構(gòu)形式限制，預(yù)緊力不宜過(guò)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(cè)設(shè)置一個(gè)(預(yù)緊輪)導(dǎo)向輪，既可以增大包角，也可以在規(guī)定范圍內(nèi)保證力不變。

圖3 驅(qū)動(dòng)及預(yù)緊單元結(jié)構(gòu)

如圖3所示，傳送帶的預(yù)緊形式為搖臂形式，主要由底座、搖臂、彈簧、導(dǎo)向輪等組成。搖臂的底部安裝兩個(gè)彈簧。通過(guò)彈簧的壓縮，產(chǎn)生向上的推力，導(dǎo)向輪壓緊傳送帶實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。導(dǎo)向輪有輪緣，防止傳送帶跑偏。

2.2 視覺(jué)識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

垃圾的識(shí)別采用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，考慮到脫機(jī)運(yùn)行、工作周期、數(shù)據(jù)的處理速度等因素，選用OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊[3]。為了擴(kuò)大視野范圍，OpenMV配置了廣角鏡頭，安裝在分類投放裝置的轉(zhuǎn)盤(pán)初始位置正上方。同時(shí)，垃圾分類裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)有光源，為視覺(jué)識(shí)別提供光源，避免外界環(huán)境光的影響。

基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了不同環(huán)境下的特定專屬數(shù)據(jù)庫(kù)，使數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容完善，提高垃圾識(shí)別的準(zhǔn)確率。圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中的部分垃圾訓(xùn)練圖片。從圖中可以看出，訓(xùn)練的垃圾主要有電池、礦泉水瓶、蘋(píng)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(duì)不同種類垃圾的訓(xùn)練

2.3 分類投放裝置設(shè)計(jì)

分類投放裝置由半圓轉(zhuǎn)盤(pán)和撥板組成，物品的分類投放利用轉(zhuǎn)盤(pán)和撥板的差角運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 分類投放裝置

為保證撥板與轉(zhuǎn)盤(pán)之間的同軸度，避免在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉或間隙改變的現(xiàn)象，其整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

撥板通過(guò)軸承支撐在階梯軸的軸肩上，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。減速電機(jī)通過(guò)撓性聯(lián)軸器與D型轉(zhuǎn)接軸連接，轉(zhuǎn)接軸和撥板連接，將減速電機(jī)的動(dòng)力輸出給撥板。轉(zhuǎn)盤(pán)固定于階梯軸，階梯軸與轉(zhuǎn)盤(pán)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(gè)帶軸承的軸承座，承擔(dān)軸向載荷及扭矩。軸承座通過(guò)轉(zhuǎn)接件固定于橫向安裝梁上。轉(zhuǎn)盤(pán)的動(dòng)力輸出為下側(cè)的減速電機(jī)，同樣采用撓性聯(lián)軸器進(jìn)行連接。

3 智能垃圾分類裝置原理樣機(jī)

原理樣機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)組裝，框架采用鋁型材搭建而成，原理樣機(jī)如圖7所示。

圖7 智能垃圾分類裝置原理樣機(jī)

運(yùn)行時(shí)，不同種類的垃圾通過(guò)投放口投放到分離裝置傳送帶上，投放口處的光電開(kāi)關(guān)輸出1-0-1的信號(hào)，分離機(jī)構(gòu)的單片機(jī)接收到信號(hào)后，執(zhí)行差時(shí)同速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物品掉落到分類投放裝置的轉(zhuǎn)盤(pán)后，OpenMV執(zhí)行拍照識(shí)別程序，將垃圾類別判定信號(hào)以串口通信的方式發(fā)送到該部分的STM32單片機(jī)內(nèi)。通過(guò)預(yù)設(shè)的路徑，轉(zhuǎn)盤(pán)與撥板執(zhí)行對(duì)應(yīng)角度的運(yùn)動(dòng)，將不同種類的垃圾投送到對(duì)應(yīng)的垃圾桶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

原理樣機(jī)搭建之后，對(duì)電池、礦泉水瓶、蘋(píng)果、磚塊、香蕉皮、煙頭等不同類別的垃圾進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，垃圾分離裝置能有效對(duì)不同種類的垃圾進(jìn)行分離，視覺(jué)識(shí)別的準(zhǔn)確率超過(guò)95%，投送裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)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(gè)并行布置傳送帶的差時(shí)同速運(yùn)動(dòng)對(duì)同時(shí)投放的不同種類的垃圾進(jìn)行分離，采用機(jī)器視覺(jué)對(duì)垃圾的種類進(jìn)行識(shí)別，采用轉(zhuǎn)盤(pán)與撥板的差角運(yùn)動(dòng)方式對(duì)不同種類垃圾進(jìn)行分離投放。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的垃圾分類裝置識(shí)別準(zhǔn)確率超過(guò)95%，分離、投送裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠。