一種智能分類垃圾箱設計＊

李建

（景德鎮學院機械電子工程學院，江西景德鎮 334000）

本文設計了一款智能分類垃圾箱，其為雙層三格結構，上層兩格共用一蓋，采用紅外感應方式開蓋，避免用戶因用手接觸箱蓋對健康造成影響，并能實現扔垃圾不彎腰；下層一格，采用腳踏式開箱，上下兩層可分離。垃圾箱使用方便，使用者不需用手直接接觸垃圾桶，解決傳統垃圾桶對使用者存在的衛生感染隱患，有效杜絕病菌通過垃圾桶傳播，防止桶內垃圾異味溢出，能有效改善居家、辦公等場所的衛生環境。

智能感應垃圾箱采用PP（聚丙烯）塑料材質，主體為框架結構，長、寬、高為27.5 cm×39 cm×79 cm。上層分兩格，采用內置隔板分離，扔垃圾不彎腰；下層可用腳踏開啟，方便省力。

1 研制背景及意義

隨著時代的不斷發展，環境問題已成為人們重點關心的問題之一。目前，很多人對垃圾分類的意識薄弱，給垃圾回收帶來了很多困難。同時，在使用垃圾箱時，用手打開垃圾箱蓋也會因直接接觸而產生衛生問題，給人的健康產生一定的影響。因此，如何進行有效、便捷的垃圾分類，以及設計出無接觸式的智能開蓋垃圾箱具有一定的意義。

智能垃圾箱可采用多種形式實現開蓋，如按鍵觸發式[1-2]、紅外感應式[3-4]、語音識別式[5]等。本文設計了一款智能分類垃圾箱，對垃圾箱結構進行有效布置，設計分兩層，上層設計紅外感應無接觸開蓋方式，下層采用腳踏開蓋方式，能在一定程度上對垃圾進行有效分類，有效改善居家、辦公等場所的衛生環境。目前，中國將逐步開展垃圾分類，人們對環境和衛生質量要求不斷提升，智能分類垃圾箱未來發展潛力巨大。

2 設計方案

2.1 總體設計構想

擬設計智能分類垃圾箱長39 cm、寬27.5 cm、高79 cm。分上下兩層，共3 個儲存格。上層兩格，位于同一平面，中間用隔板分開，共用一個頂蓋板。蓋板設計無接觸感應開蓋方式，感應距離為3～35 cm，感應閉合時間為7 s。下層可儲物或分裝垃圾，設計采用腳踏方式從前方傾斜打開。主要特點如下：①雙層三格分類垃圾箱。垃圾箱上層兩格設計用于放置干垃圾、濕垃圾，下層一格用于放置可回收物，如易拉罐、塑料瓶等。②密封隔絕異味。常規狀態下垃圾箱蓋處于關閉狀態，防止異味溢出；當投放垃圾時，箱蓋開啟。③智能感應開蓋。上層采用感應方式開蓋，0.3 s 內快速開啟，手或物體離開7 s 后，箱蓋自動閉合。采用可充電鋰電池，一次充電能連續使用2～3 個月。④腳踏設計、方便省力。下箱體通過腳驅動踏板開蓋，根據杠桿式原理，輕松省力。⑤萬向滑輪設計，移動靈活，鎖止穩定。

為實現上述功能，該裝置設計由以下幾部分構成：①箱體，包括上箱、下箱、隔板、蓋板等；②動力及傳動裝置，包括電池、電機、齒輪、連桿、踏板等；③控制器，包括紅外傳感器、微控制器等。

2.2 箱體設計

智能分類垃圾箱箱體由上箱、下箱、隔板、蓋板等組成。箱體長39 cm、寬27.5 cm、高79 cm，采用PP 塑料材質，主體為框架結構。上箱體有兩格空間，共用一蓋，分別用于放置可回收與不可回收垃圾。箱蓋采用單片機控制，以紅外感應器為信號接收裝置，通過控制電機轉動實現開閉。電機與箱蓋采用四桿機構連接。下箱體設計成側開式，采用腳踏方式打開，當腳移開后，在自身重力作用下，側蓋自行關閉。

上箱體及下箱體結構如圖1、圖2 所示。

圖1 上箱體結構圖

圖2 下箱體結構圖

在垃圾桶底板安裝4 個腳輪，包括2 個允許水平360°旋轉的活動腳輪、2 個固定腳輪，固定腳輪沒有旋轉結構，不能水平轉動只能垂直轉動，輪軸與地面成垂直角度，避免在使用過程中增加車輪壓力。

2.3 動力及傳動裝置設計

動力及傳動裝置裝置主要用于驅動垃圾箱開蓋，包括電池、伺服電機、齒輪、四桿機構、下箱體、踏板等。

為使箱蓋正常開閉并能保持較長時間的有效運行，選用可更換充電鋰電池，其額定電壓為3.7 V，額定電流為80 mA。

選用伺服電機驅動，其原理如下：伺服電機內部包括1 個小型直流馬達、變速齒輪組、反饋可調電位器和電子控制板。其中，蓄電池帶動直流馬達提供了原始動力，通過變速（減速）齒輪組，使之減速增矩輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服電機的輸出力矩也愈大。伺服電機為閉環反饋系統，其輸出端帶動一個線性的比例電位器進行位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號進行比較，產生糾正脈沖，周期性脈沖信號的高電平時間為1～2 ms，低電平時間為5～20 ms，并驅動馬達正向或反向轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達到使伺服電機精確定位的目的。

電機與箱蓋構成四桿機構傳動，電機為驅動件，帶動曲柄轉動，箱蓋為搖桿，箱體為機架，四桿傳動機構示意圖如圖3 所示。

圖3 四桿傳動機構示意圖

電機輸出軸至箱蓋轉動軸水平距離為10 mm，垂直距離為35 mm，舵機曲柄長度為30 mm。設連桿長度為R，搖桿長度為L，其公式如下：

根據公式（1）、（2）可得連桿長度為38.5 mm，搖桿長度為28.5 mm。

下箱體采用側開式，采用腳踏板開蓋，腳踏板選用尼龍材質板塊制作。腳踏板包括頂塊、支點、腳踏面等，將支點兩端嵌入箱體，腳踏板可繞兩支點構成的轉軸旋轉，腳踏面受到腳尖壓力下移，頂塊則上移推動側蓋開啟，驅動腳踏板如圖4 所示。加工過程如下：①在圓柱形尼龍盤上劃線，去除無效部位材料，使其一側為頂塊，呈長方形，另一側為腳踏面，呈圓弧狀，其整體關于中線對稱。②通過銑削加工將坯料切削平整，頂塊和腳踏面位置稍高，便于腳踏板與下箱體配合安裝。腳踏面前方加工2 個圓柱狀支點，使其能卡在下箱體的凹槽處并形成轉軸，腳踏板能繞其旋轉。

圖4 驅動腳踏板圖

2.4 控制系統設計

控制系統主要由紅外感應傳感器、微控制器、驅動電路等組成，當手靠近紅外感應頭3～35 cm 時，紅外線感應器接收到來自人的紅外信號，經微控制器進行信號處理，驅動電機運轉，經過齒輪多級減速最終輸出到四桿傳動裝置，實現箱蓋的開啟，7 s 之后，電路中斷，箱蓋閉合。控制系統傳遞線路如圖5 所示。

3 結論

根據設計方案，通過加工制作，得到垃圾箱實物，其結構形狀如圖6 所示。經測試，分類垃圾箱性能良好，感應開蓋迅速，使用方便。

圖6 分類垃圾箱結構形狀圖