基于CATIA建模的多功能智能垃圾桶設計

王鵬程　胡宏亮　楊旭

摘要：針對環(huán)保行業(yè)亟需一款方便大眾使用的智能垃圾桶的需求，結合CATIA軟件的建模優(yōu)勢，在機械結構設計過程中進行優(yōu)化設計，并利用Al-tium Designer軟件設計了垃圾桶的電子電路結構。解決了現有垃圾桶存貯空間小、散發(fā)異味大、不能自動分類等問題，并以ATMEGA328P單片機為核心，采用壓力感應模塊、WiFi通訊模塊和語音識別模塊實現了智能垃圾桶的多種功能。該多功能智能垃圾桶生產制造成本低，具有極高的經濟效益與社會效益，可顯著提升居民生活質量，為城市美化增添新的活力。

關鍵詞：機械設計;垃圾桶;壓縮;隔絕異味;語音識別;智能分類

中圖分類號：TH122;TP23 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0146—03

0引言

垃圾桶在人們的日常生活中起著舉足輕重的作用。但是現有垃圾桶存放空間很小，特別容易產生垃圾虛滿導致外溢的現象，對垃圾桶周邊的環(huán)境產生影響。現有垃圾桶往往在造型上采用了許多的曲面，造成了其表面不易清潔、使用壽命短等問題。特別是這類垃圾桶普遍沒有采用隔絕氣味設計，垃圾桶由于長期存放垃圾而散發(fā)的刺鼻氣味會極大影響環(huán)境，甚至有些如裝修廢料等有害垃圾會散發(fā)出甲醛等有毒氣體，危害居民身體健康。

《國際聯(lián)合早報》研究報告顯示，到2050年，全球垃圾量將增加70%，將從2016年的20.1億噸增至2050年的34億噸，垃圾收集任務十分艱巨，研究一種有效的智能化多功能垃圾桶已十分緊迫。近年來，隨著政府垃圾分類相關政策的出臺和居民環(huán)境保護意識的增強，垃圾分類正成為社會新風尚。但市場上尚無一種可應用于公共場所的可智能分類垃圾桶，一些扔垃圾者不知道如何正確投放自己手中的垃圾。

魏子碹等采用語音識別技術進行垃圾智能分類，但未設計出一款適合其技術的垃圾桶硬件結構。黃璐等和李素云等均從硬件結構進行新型垃圾桶的設計研究，沒有綜合考慮軟硬件創(chuàng)新結合，從而完美解決垃圾收集問題。為解決上述問題，本設計通過CATIA建模設計了一種可壓縮和隔絕異味的垃圾桶，并且可通過語音識別進行垃圾智能分類。該智能垃圾桶可以提高居民生活質量，符合智能家居便利性、舒適性、綠色環(huán)保的理念。

1系統(tǒng)總體結構

圖1所示為智能垃圾桶在CATIA環(huán)境下的實物模擬圖。智能垃圾桶整體高度100 cm，整個桶體為了美觀和減少不必要的曲面采用了圓柱形設計，在桶蓋上有圓形進垃圾口。CATIA的制圖數據能根據設計者的需要進行任意修改，因此垃圾桶的高度及容積大小可根據實際需要隨時修改。

智能垃圾桶的整體結構分為機械結構和電子電路結構。機械結構包括壓縮裝置、異味隔絕裝置和智能分類裝置;電子電路結構包括內部的線路連接、壓力感應模塊、WiFi通訊模塊和語音識別模塊。系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

2機械結構

通過CATIA軟件進行結構性建模，為實現垃圾分類進行了多桶體的優(yōu)化設計;為實現隔絕異味，運用密封海綿體和液封槽對氣味問題做隔絕;為解決垃圾體積膨大，進行了壓縮裝置的設計，最終實現了垃圾箱的三維結構性設計，具體如圖1所示。智能垃圾桶的結構如圖3所示。垃圾桶使用的舵機型號均為DS3218，扭矩為20kg·om，質量只有60 g，工作電壓為5.0～6.5V.

2.1壓縮裝置

智能分類垃圾桶結構如圖3所示。1為狀態(tài)指示燈，用于給投垃圾者提醒該垃圾桶是否已滿，正常使用時為綠色，垃圾已滿時指示燈為紅色。2為麥克風口，用于采集投垃圾者的音頻信息，并將之傳輸給語音識別模塊。3為垃圾桶蓋扶手，采用左右對稱設計，方便清潔人員雙手輕松提起垃圾桶蓋，清理回收桶內垃圾。4為投垃圾口，本智能分類垃圾桶使用時，投垃圾者最終從此口將垃圾投入。5為壓縮裝置，由可伸縮液壓機構和扇形壓縮板組成，壓縮板底部有壓力傳感器，當壓力傳感器監(jiān)測到垃圾虛滿時可伸縮液壓機構伸長將垃圾壓縮后收回。

壓縮裝置設計了一種可伸縮液壓機構，其上端與垃圾桶蓋固定連接，下端與壓縮板固定連接，非工作狀態(tài)時可伸縮液壓機構收縮，帶動壓縮板收回與垃圾桶蓋底部平齊，工作狀態(tài)時可伸縮壓縮機構伸長，帶動壓縮板對虛滿垃圾進行壓縮。圖4所示為壓縮裝置放大圖，其處于半伸長狀態(tài)。

2.2異味隔絕裝置

如圖3所示，6為異味隔絕裝置，由液封槽和海綿墊圈構成，使用時在液封槽中注入少量液體，蓋上桶蓋后液封凹槽與垃圾桶蓋的凸出緊密結合，液封槽內液體便可將桶內異味與外界隔離，其放大圖如圖5所示。如圖6所示，垃圾投放口采用旋轉開關結構，只有在投放垃圾時才打開，平時關閉，此設計進一步避免異味的散發(fā)。同時在垃圾桶蓋和垃圾桶內筒壁上填充一層活性纖維炭，利用炭良好的吸附性能凈化空氣，美化周圍環(huán)境，避免招引飛蟲。該物理方法去除異味具有經濟、有效的特點，并且不占用太多內部空間，實現“小空間、大容量”的功能。

2.3分類存貯裝置

圖3中，可回收垃圾儲存箱體7為綠色箱體，不可回收垃圾儲存箱體8為黃色箱體，有害垃圾儲存箱體9為紅色箱體。3個箱體雖在外桶內部，但其顏色仍與國家現行垃圾分類規(guī)定一致，體現了產品設計的嚴謹，并有利于清潔人員清理垃圾桶時快速識別屬于哪一類垃圾。10為轉軸，垃圾桶日常工作時，電機驅動3個箱體沿轉軸轉動，使投垃圾者手中垃圾對應的箱體對準投垃圾口，實現垃圾的智能分類并存儲;同時3個箱體分別以嵌套的形式裝在轉軸上，清潔人員清理時只需將箱體豎直向上提起便可取下箱體，從而完成垃圾桶中垃圾的清理。11為外筒，12為底座，均由可降解塑料制成，低成本的同時符合綠色環(huán)保的理念。

通常，清潔工人每清理一個分類垃圾桶平均用時45 s，假如使用智能垃圾桶，只需一次裝車就能完成，這樣至少節(jié)省25～35 s的時間，相當于提高工作效率2～3倍，也就是說可以減少1/2至2/3的清潔工人。經成本計算，創(chuàng)新設計的智能垃圾桶成本只比傳統(tǒng)垃圾桶多70元左右，但可大大節(jié)省人工，減少人員工資，提升環(huán)境質量。因此，多功能智能垃圾桶對環(huán)保部門來說，經濟效益明顯。

3電子電路結構

3.1系統(tǒng)硬件結構

可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶系統(tǒng)采用AT-MEGA328P單片機為主控核心，其為一款8位AVR單片機。該單片機具有功耗低、性能強的優(yōu)點，同時具備六通道PWM輸出，可用于舵機和步進電機的控制。步進電機選用42步進電機，該電機扭矩大，可以使得3個分類箱體旋轉時快速、平穩(wěn)運行。系統(tǒng)采用垃圾桶蓋頂部的太陽能面板進行供電，中部嵌入有蓄電池，保證了晴天和陰天垃圾桶均能正常使用，且節(jié)能環(huán)保。

3.2壓力感應模塊

壓力傳感器是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉換成可用的輸出電信號的器件或裝置。垃圾桶系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測到垃圾虛滿后，底部電機自動驅動3個箱體旋轉將虛滿的箱體轉至壓縮裝置下方，然后可伸縮液壓機構伸長使壓縮板向下壓縮，當達到壓力值上限后可伸縮液壓機構收縮帶動壓縮板恢復原位。

3.3 WiFi通訊模塊

垃圾桶采用ESP8266-WiFi芯片，采用WiFi形式實現遠程通信。當壓縮數次之后，壓力傳感器感應到垃圾飽和之后可伸縮液壓機構不再壓縮。此時狀態(tài)指示燈由綠色變?yōu)榧t色，提醒扔垃圾者不要再向此垃圾桶投放垃圾;同時，垃圾箱通過WiFi通訊模塊將本垃圾桶已滿的信息發(fā)送至清潔人員手機，提醒清潔人員快速進行清理。

3.4語音識別模塊

可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶語音識別模塊采用LD3320語音識別芯片的“關鍵詞語列表”（Auto Speech Rec-ognition，ASR）的識別技術來實現。該芯片存儲了約60條關鍵詞語，每條關鍵詞語長度可達5或6個中文字，每個中文字用其對應的拼音表示。基于此，本設計將50種不同的垃圾名稱以及3種不同的垃圾類別名稱預存儲在該芯片中。其中，可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾分別用數字0、1、2進行編碼。當芯片被喚醒后，首先通過麥克風收集扔垃圾者口述待扔的垃圾名稱或所屬的垃圾類別的語音信息，然后對該語音信息進行識別，并將識別到的垃圾名稱或所屬垃圾類別與預存儲的關鍵詞進行匹配。匹配成功后，返回該垃圾所屬垃圾類別對應的數字或該垃圾類別對應的數字，如圖2所示。芯片將返回的數字作為一條指令發(fā)送給ATMEGA328P單片機，ATMEGA328P單片機控制電機驅動相應的箱體旋轉至投垃圾口下方，然后投垃圾口擋板旋轉打開，扔垃圾者完成垃圾投放，最后投垃圾口擋板旋轉關閉，此時智能分類垃圾桶也實現了垃圾的分類存儲。

4結束語

本文設計了一個基于壓縮裝置、異味隔絕裝置、分類存貯裝置和語音識別技術的可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶，實現了以下功能：

（1）通過壓縮裝置壓縮虛滿的垃圾;

（2）通過異味隔絕裝置將垃圾桶內異味與外界隔離;

（3）通過分類存貯裝置配合語音識別技術將投入的垃圾進行分類存貯;

（4）通過WiFi通訊實現了與手機終端的通訊功能。

綜上，該可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶自動化程度高，有效解決了垃圾溢出、異味和如何分類等問題，具有極高的經濟效益與社會效益。