徐文源 崔志遠(yuǎn) 吳 仟 李治钘 李 躍

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽 471003）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人們生活水平的提高，垃圾產(chǎn)量越來越多，綠色生活成為重要的發(fā)展方向之一。垃圾分類是對垃圾收集處置傳統(tǒng)方式的改革，是對垃圾進(jìn)行有效處置的一種科學(xué)管理方法。人們面對日益增長的垃圾產(chǎn)量和環(huán)境惡化的局面，如何通過垃圾分類管理實(shí)現(xiàn)垃圾資源最大化利用、減少垃圾處置量、改善生存環(huán)境質(zhì)量，是當(dāng)前全球共同關(guān)注的問題之一。設(shè)計(jì)一種方便快捷、省時(shí)省力、有效分類垃圾、封閉垃圾異味的智能垃圾桶十分必要。

1 分類打包垃圾桶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置總體包含兩個(gè)功能，即語音識(shí)別垃圾分類、機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助打包。語音識(shí)別垃圾分類時(shí)，用戶對垃圾箱說某個(gè)垃圾的名字，樹莓派將該信息傳給百度云，百度云進(jìn)行語音處理返回字符串上傳微信機(jī)器人，返回對話字符串，百度云語音處理轉(zhuǎn)化為語音轉(zhuǎn)給樹莓派，再傳達(dá)給用戶該垃圾屬于哪種垃圾，發(fā)出打開該類垃圾箱指令，以同樣的方式串口通信完成分類過程。打包功能啟動(dòng)時(shí)，超聲波傳感器識(shí)別到即將滿箱時(shí)，鳶尾花收攏機(jī)構(gòu)在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)下收攏開口的垃圾袋，形成垃圾袋束，舵機(jī)帶動(dòng)熱封機(jī)構(gòu)對收攏的垃圾袋進(jìn)行熱塑打包，打包后多連桿結(jié)構(gòu)同時(shí)帶動(dòng)垃圾桶前門板、底板圍繞旋轉(zhuǎn)軸中心向前旋轉(zhuǎn)，連桿機(jī)構(gòu)同時(shí)使壓緊垃圾袋的壓環(huán)上升，達(dá)到多機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的效果，最后垃圾出箱，結(jié)束分類打包過程。

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 鳶尾花機(jī)構(gòu)

鳶尾花機(jī)構(gòu)由帶有不完全齒輪和滑槽的鋼板、帶有圓孔的鋼板、14片葉片、墊高用的木板組成，通過葉片連接在一起，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)收攏和展開，展開狀態(tài)下套用垃圾袋。打包垃圾時(shí)需要收攏垃圾袋，裝置中加有鳶尾花機(jī)構(gòu)。

鳶尾花機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鳶尾花機(jī)構(gòu)

超聲波傳感器檢測到垃圾滿或接收用戶打包指令時(shí)，鳶尾花在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，葉片朝中間收攏使垃圾袋聚攏，形成袋束。鋼板葉片直接接觸摩擦力過大，故在兩鋼板中間加入木板墊高，防止交叉阻礙運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 熱塑機(jī)構(gòu)

熱塑機(jī)構(gòu)由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)、2個(gè)齒輪轉(zhuǎn)桿及熱封片組成，熱封片固定在齒輪轉(zhuǎn)桿末端，轉(zhuǎn)桿固定在步進(jìn)電機(jī)上。鳶尾花機(jī)構(gòu)把垃圾袋收攏為垃圾袋束時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)桿向中間合攏，由程序驅(qū)動(dòng)熱封片加熱到設(shè)定溫度對垃圾袋進(jìn)行封口。垃圾袋打包完成后，程序繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)命令，熱塑機(jī)構(gòu)兩齒輪轉(zhuǎn)桿向兩邊張開。

熱塑機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 熱塑機(jī)構(gòu)

1.3 壓環(huán)連桿機(jī)構(gòu)

由前門板、連桿、底板、壓環(huán)推桿通過鉚接裝配組成。使用過程中，連桿連接前門板和底板，先拉動(dòng)前門板，固定在前門板上的連桿帶動(dòng)底板向上運(yùn)動(dòng)，底板上的滑塊在光桿上滑動(dòng)，滑塊上的鉚釘順勢將壓環(huán)推桿向上推，帶動(dòng)壓環(huán)上升，上升到一定距離后，垃圾袋在重力作用下脫離壓環(huán)，沿底板滑出垃圾箱。

連桿機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 連桿機(jī)構(gòu)

2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)采用樹莓派3B+和Arduino MEGA2560并行控制，Arduino實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)按鈕開啟關(guān)閉狀態(tài)，紅外感應(yīng)模塊數(shù)值，樹莓派串口數(shù)據(jù)。樹莓派保持監(jiān)聽狀態(tài)，隨時(shí)接收外部語音數(shù)據(jù)，可以通過“小美小美”行語音交互。用戶發(fā)出的語音數(shù)據(jù)上傳百度AI平臺(tái)進(jìn)行處理，云端對話機(jī)器人返回對話數(shù)據(jù)后，運(yùn)行在樹莓派上的語音插件會(huì)檢測關(guān)鍵字，實(shí)現(xiàn)垃圾識(shí)別、語音控制。樹莓派將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給Arduino，Arduino檢測到串口數(shù)據(jù)后執(zhí)行操作，智能控制系統(tǒng)提供多種交互形式，可以通過語音控制垃圾桶的開啟打包，內(nèi)嵌紅外感應(yīng)模塊可以感知人體，可采用揮手或抬膝控制垃圾桶開啟，提供一鍵打包按鈕和垃圾袋安放完畢標(biāo)志按鈕。Arduino會(huì)記錄最近一次濕垃圾桶打開記錄，若時(shí)間過長會(huì)在下一次投放垃圾時(shí)提醒及時(shí)取走垃圾。

2.1 控制中心

樹莓派3B+具有64位四核1.4 GHz處理器、雙頻2.4 GHz和5 GHz無線WiFi、藍(lán)牙4.2/BLE、1 GB內(nèi)存、千兆以太網(wǎng)、4個(gè)USB2.0端口、40引腳GPIO接口。Arduino MEGA2560有54路數(shù)字輸入/輸出口、16路模擬輸入、4路UART接口、1個(gè)16 MHz晶體振蕩器、1個(gè)USB口、1個(gè)電源插座、1個(gè)ICSP header以及1個(gè)復(fù)位按鈕。供電部分采用5 V2.5 A直流供電，Arduino MEGA2560接樹莓派USB口通過USB供電。

2.2 傳感器模塊

控制系統(tǒng)的傳感器模塊有ZL-13紅外感應(yīng)模塊，ZL-13感應(yīng)距離為15～30 cm，自動(dòng)感應(yīng)。垃圾箱前面板有2個(gè)按鈕，Arduino會(huì)檢測按鈕狀態(tài)并相應(yīng)行動(dòng)，傳感器供電從Arduino MEGA2560直接引出。

2.3 機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊分為打包驅(qū)動(dòng)以及頂板驅(qū)動(dòng)，打包驅(qū)動(dòng)由1個(gè)42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鳶尾花旋轉(zhuǎn)、1個(gè)驅(qū)動(dòng)夾子捏合組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為DRV8825，具有最高32細(xì)分、過熱、過流、欠壓保護(hù)、輸入電壓防反接保護(hù)等功能。

平板驅(qū)動(dòng)采用Mg 995舵機(jī)與多連桿協(xié)同驅(qū)動(dòng)，Mg 995舵機(jī)五級(jí)精度金屬齒輪組，6 V11 kg扭力，速度0.18 s/60°，堵轉(zhuǎn)工作電流1 450 mA，舵機(jī)聯(lián)動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)頂蓋開合。整機(jī)電源采用7.4 V、5 300 mAh大容量18650電池組供電，熱封部分由7.4 V、2 800 mAh鋰電池組單獨(dú)供電，樹莓派采用樹莓派專用電源供電，以保持樹莓派穩(wěn)定運(yùn)行。

3 裝置組成

裝置由取放機(jī)構(gòu)、打包機(jī)構(gòu)、智能控制模塊組成。垃圾處理裝置除鳶尾花部件部分由金屬制成，其余由木板和3D打印件制作，整機(jī)重量小、綠色環(huán)保。取放機(jī)構(gòu)由壓環(huán)、頂桿、滑塊、連桿、前門板、底板、側(cè)板組成。前門板及底板軸由側(cè)板支承，前門板與底板通過連桿連接，直線導(dǎo)軌安裝在底板上，滑塊沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)，滑塊通過銷釘與頂桿底端滑槽相連，頂桿在側(cè)板固定槽內(nèi)移動(dòng)，頂桿頂端接壓環(huán)。打包機(jī)構(gòu)由鳶尾花部件和熱封機(jī)組成，鳶尾花部件主要由葉片、齒輪盤、板支撐柱、固定板、鳶尾花上蓋組成，熱封機(jī)由夾持臂、步進(jìn)電機(jī)等組成，熱封夾子端子有加熱電阻絲，可在2～3 s內(nèi)熱封垃圾袋。智能控制模塊由傳感器、控制中心、機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊組成，各部分協(xié)同運(yùn)作完成分類、取放、語音交互等功能。

4 結(jié)語

國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，總體消費(fèi)水平提高，垃圾產(chǎn)量日益增多，垃圾分類愈發(fā)重要。為了減少處理垃圾的裝備，降低成本，需要在家庭環(huán)節(jié)就分類垃圾。打造新一類智能垃圾箱，結(jié)合多項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)在不同區(qū)域、形式以及家庭的應(yīng)用，應(yīng)用前景廣闊。