家用智能分類垃圾桶

西安思源學院工學院 羅 強 向景玥

隨著我國現代經濟社會的進步， 生活中所產生的垃圾量也在增加，相應引發的一系列環境問題也日益突出。據調查，在近10年，我國大中型城市垃圾總量每年的增長速度大約為8.98%，特別是網購盛行的今天，其附屬的快遞包裝垃圾也以驚人的速度增加。歐美發達國家在面對如此多的垃圾問題時，雖然實行了多年的垃圾分類政策，但目前垃圾分類依靠人工分揀，垃圾種類繁多，分類過程繁雜，這樣使得垃圾分類效率不高，導致不能產生更加積極的分類效果。國內近些年來在垃圾分類方面也進行了積極的探索，并且設計出多種類型的分類垃圾桶。

通過分析現有智能分類垃圾桶的技術，我們決定設計出一款經濟價值高、使用價值高的分類垃圾桶，本次設計的家用智能分類垃圾桶將可以很好解決上面的問題。

1 分類垃圾桶介紹

本設計的分類垃圾桶在控制方面提出了一種以智能語音識別和Arduino為基礎的分類垃圾桶。顯示了Arduino開發板、步進電機、曲柄搖桿、舵機、構成的系統整體框架，并將語音識別應用于垃圾桶的分類。在傳動方面采用步進電機作為動力源，四桿傳動機構作為傳動件；開蓋方面采用舵機帶動桶蓋實現。當語音模塊識別到系統烤錄進的垃圾名稱時，語音播報垃圾所屬的種類，并將信號傳遞給Arduino，控制相應垃圾分類垃圾桶轉動到垃圾投遞口處，之后小垃圾桶上的舵機帶動桶蓋打開，在完成垃圾的投遞后，相應垃圾桶和桶蓋轉動回來原來位置。使分類垃圾桶達到設計要求，整體結構緊湊、控制簡單、運動穩定，解決了生活垃圾分類繁雜的問題。其整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構圖

2 分類垃圾桶傳動裝置設計

基于對于分類垃圾桶的設計要求，裝置在工作過程中運動平穩、反應快速，各個垃圾桶在運動中能夠保持水平且位置固定上能夠有機械鎖定部件。恰好可利用聯軸器將步進電機與傳動軸相連，可以減少動力損耗，提高傳動效率。

步進電機通過聯軸器連接傳動軸，傳動軸連接四桿機構的桿1鉸鏈（如圖2），桿2連接固定垃圾桶，桿1直接將動力傳送至桿2從而驅動垃圾桶的運動。此四桿機構對邊桿等長（桿1和桿4長度相等，桿2和桿4長度相等），故能起到固定在桿2上的垃圾桶在運動的過程中能夠始終保持一個水平方向，保證了其運動過程桶內垃圾不會倒出。四個垃圾桶采用并聯方式固定在共一個四桿機構之內，這樣使得四個垃圾桶的運動角度始終一致。

圖2 四桿機構簡圖

3 分類垃圾桶開蓋部件設計

本文設計的分類垃圾桶采用自動開蓋設計，增加了其智能程度，提高了使用者的用戶體驗也保證了自動分類的準確性。分類垃圾桶蓋子的開啟和關閉功能主要由舵機來實現，易控制且可以保證開啟快速角度精準。使用四桿機構中的雙搖桿機構連接舵機的輸出端和蓋板，分析其開合角度和舵機的最優工作角度設計其機構以保證開蓋過程的順暢、快速和精準。圖3為開蓋機構閉合時和開蓋時的三維示意圖。

圖3 垃圾桶開蓋機構示意圖

4 分類垃圾桶控制系統總體方案

本文設計的分類垃圾桶控制系統采用語音識別模塊識別垃圾種類，之后Arduino主板根據反饋的信號控制步進電機轉動，使得相應垃圾桶運動到垃圾投遞口處，之后控制垃圾桶上的舵機旋轉打開垃圾桶蓋，在完成垃圾投遞之后，步進電機和舵機帶動垃圾桶和桶蓋轉動回到原來位置。如圖4為控制系統框圖。

圖4 控制系統框圖

5 分類垃圾桶控制系統程序流程

在開始進行垃圾分類時，系統首先初始化，之后語音識別模塊通過將垃圾的名稱與燒錄進的信息對比，然后進行判斷，如果不是庫中的垃圾名稱，則返回到初始化位置，如果為庫中的垃圾名稱，系統將執行下一步，繼續判斷是否屬于庫中的“廚余”垃圾。如果屬于，系統將控制垃圾桶上的舵機正轉，打開垃圾桶蓋，延時4000ms完成垃圾投遞，之后舵機帶動桶蓋轉回到原來位置。如果不屬于，系統將下一步判斷是否屬于“可回收”垃圾，如果屬于，系統將控制步進電機正轉帶動分類垃圾桶移動至垃圾投遞口處，然后控制垃圾桶上的舵機打開桶蓋，延時4000ms完成垃圾投遞，之后分類垃圾桶和桶蓋轉動回到原來位置。如果不屬于，系統將下一步判斷是否屬于“有害”垃圾，如果屬于，系統將控制步進電機反轉帶動分類垃圾桶轉至垃圾投遞口處，然后控制垃圾桶上的舵機打開桶蓋，延時4000ms完成垃圾投遞，之后分類垃圾桶和桶蓋轉動回到原來位置。如果不屬于，系統將下一步判斷是否屬于“其他”垃圾，如果屬于，系統將控制步進電機正轉帶動分類垃圾桶轉動至垃圾投遞口處，然后控制垃圾桶上的舵機打開桶蓋，延時4000ms完成垃圾投遞，之后分類垃圾桶和桶蓋轉動回到原來位置。如果不屬于，則將返回到初始化位置，繼續執行。

6 分類垃圾桶的功能

當人們不清楚垃圾屬于什么種類時，該款垃圾桶就可以幫助人們辨別出垃圾的種類，并迅速做到分類處理。通過家庭垃圾的分類，可以有效提高人們的生活質量：（1）幫助人們辨別出垃圾的種類，并迅速做到分類處理；（2）將可回收的垃圾分類收集處理，再次創造價值；（3）減少了生活中各種病菌交叉感染的機率；（4）改善居住地環境，提高環衛工人的工作效率；（5）培養廣大居民垃圾分類的好習慣。

結語：目前市面上的家庭使用的垃圾桶大多都是單個的，沒有對垃圾進行明確分類，人們在使用的過程中存在著麻煩、浪費時間等問題。“家用智能分類垃圾桶”融合了多個分類模塊，并且安裝了智能語音功能，利用自身的智能裝置、語音等功能，引導人們對家庭中的垃圾進行分類，還能幫人們節省出大量處理垃圾的時間，可以使人們使用更加方便，節約時間。