刘文斌，杨代云，李 谦

(吉首大学 物理与机电工程学院，湖南 吉首 416000)

0 引言

环境保护作为符合“低碳生活”理念的一种行为，在现代社会发展中越来越受到重视[1]。街道、社区、家庭垃圾的分类回收成为了当前主流，但垃圾分类是个难题。目前，国内家用垃圾分类多数需要人工识别，且家用垃圾分类普及率低，原因在于垃圾分离所需垃圾桶数量多、某些垃圾难以人工识别种类、垃圾异味容易散发。一系列的家用垃圾分类带来的缺点，导致低碳生活中家用垃圾分类这一环节迟迟难以实现，同时现有垃圾桶的异味散发也会降低空气质量[2]。

垃圾种类繁多，人工识别存在一定的困难，同时会消耗大量的时间，并且外散的异味则破坏了家庭的空气清洁。因此，设计一种方便快捷、省时省精力、能有效分类垃圾、封闭垃圾异味的家用智能垃圾分类装置已成为当前最大的需求[3]。

1 智能垃圾分类箱总体结构设计

本装置为实现将垃圾智能分类，采用了图像识别技术，对垃圾的种类进行识别。同时采用同步带连接开门结构的形式，可快速开关垃圾投入口，减少人工等待时间；在取放垃圾袋方面，本装置采用杠杆结构，将脚踩踏板的上下运动转化成垃圾桶的倾斜侧出，方便人随时取放垃圾袋。装置整体在不投放垃圾时基本上密封，能够极大地防止垃圾异味的散发，提高空气质量。

如图1、图2，本装置主要由五大结构组成：滚道结构、图像识别与分类结构、间歇旋转结构[4]、脚踏板杠杆结构、储物抽屉结构。装置整体为长×宽×高=0.6 m×0.6 m×0.9 m的长方体，内部固定采用了铝型材与角件、螺栓、螺母等固定形成的框架。同时为保证密封性，装置的六面都有固定于铝型材框架的挡板，其中顶壳为垃圾投入口，固定在框架上的底板为内部所有结构提供支撑作用。四周的挡板中，有一方作为垃圾桶的出口，挡板上有合页连接的活动门板，能自由地被推动。活动门板下方的脚踏板露出，踩踏时垃圾桶从上方的活动门板倾斜侧出。活动门板的上方设计了一个储物抽屉，能置放垃圾袋等物品。脚轮安装在框架底部，以便移动装置。

1.挡板；2.顶壳；3.储物抽屉；4.活动门板；5.脚踏板；6.脚轮图1 智能垃圾分类箱外观图

1.底板；2.铝型材框架；3.图像识别与分类结构；4.滚道结构；5.储物抽屉结构；6.垃圾桶；7.脚踏板杠杆结构图2 垃圾分类箱结构预览图(去外壳)

1.阻挡圈；2.安装支架；3.连杆；4.滚道支架；5.滚轴；6.滚动轴承图3 滚道结构图

1.1 滚道结构、图像识别与分类结构

如图3，本装置的滚道由阻挡圈、安装支架、连杆、滚道支架、滚轴以及滚动轴承组成。滚轴通过滚动轴承安装在滚道支架上，各滚轴可旋转，同时滚道支架通过连杆连接在安装支架上，通过调整与连杆固定的腰孔的位置，可实现滚道支架的角度调整，此外，整个滚道结构通过安装支架固定在顶板上。垃圾从投入口下落，经过滚道结构时，受滚轴的旋转作用下滑直至掉入阻挡圈，阻挡圈对垃圾掉落位置进行规范，让垃圾准确掉落在图像识别平台上。

如图4，该装置的图像识别与分类结构，由安装支架、旋转叶片、轴承、摄像头以及步进电机组成。四个90°旋转叶片中心接触结合，同时通过轴承安装在安装支架上，各旋转叶片上带有与步进电机一致的同步带轮，且可绕轴承旋转。摄像头对垃圾进行实时识别，将信号输出给控制中心，控制中心发送信号给步进电机，通过同步带带动4个旋转叶片进行开合，垃圾会随重力掉入对应种类的垃圾桶内。

1.安装支架；2.旋转叶片；3.轴承；4.摄像头；5.步进电机图4 图像识别与分类装置结构图

1.2 间歇旋转结构、脚踏板杠杆结构

如图5，该装置的间歇旋转结构包括：伺服电机、联轴器、传动轴、垃圾桶安装支架、转盘、垃圾桶、支撑轴。电机固定安装在底板上，同时连接着动力传动轴。随着电机转动，传动轴做圆周运动，间接带动转盘转动。支撑轴位于装置中心，转盘通过滚动轴承安装在支撑轴上，能绕支撑轴旋转。当电机运动一圈时，凸轮配合带动转盘旋转90°，与四个垃圾桶对应，实现单个垃圾桶的位置切换。同时垃圾桶上装有红外感应器，对已满垃圾进行感应。垃圾桶通过销钉连接在转盘上，能绕转盘外侧旋转一定角度，为垃圾桶的倾斜侧出作铺垫。

1.伺服电机；2.联轴器；3.传动轴；4.垃圾桶安装支架；5.转盘；6.垃圾桶；7.支撑轴图5 间歇旋转结构零件图(部分透明化)

如图6，该装置的脚踏板杠杆结构包括：垃圾桶、外壳、活动门板、上推杆、上推杆支架、连杆、杠杆、踏板以及杠杆支架。该结构主要功能是提供踩踏，通过杠杆结构[5]将踩踏转化为垃圾桶的倾斜侧出。固定于底板杠杆支架上的销钉与杠杆连接，同时杠杆与脚踏板紧固，杠杆的另一端与连杆销钉连接，进一步与被上推杆支架限制的可上下移动的上推杆连接。垃圾经过分类后，掉入对应种类的垃圾桶，在某个垃圾桶内的垃圾已满时，被其上的红外感应器感应，传输信号给控制系统，进一步控制电机的转动。此时，电机将带动间歇旋转机构运动，带动转盘运动，推动转盘旋转，将已满垃圾桶旋转至开口处。然后顶壳的信号灯亮起，提示更换垃圾袋，在人踩踏脚踏板时，杠杆结构将带动上推杆上推，垃圾桶被倾斜推出，进一步推动活动的开口挡板，垃圾桶即可来到在装置外面，以便更换垃圾袋。

1.垃圾桶；2.外壳；3.活动门板；4.上推杆；5.上推杆支架；6.连杆；7.杠杆；8.踏板；9.杠杆支架图6 脚踏板杠杆结构零件图(部分透明化)

1.3 储物抽屉结构

如图7，该装置的储物抽屉结构由抽屉、抽屉拉手、滑轨、安装支架组成。抽屉通过滑轨安装在安装支架上，可以沿滑轨直线滑动，同时抽屉上带有拉手，使用拉手进行抽屉的推拉。储物抽屉可储存垃圾袋等相关物品，为本装置的使用提供方便性。

1.抽屉；2.抽屉拉手；3.滑轨；4.安装支架图7 储物抽屉结构图

2 垃圾分类过程

如图8，本装置装有可自由滑动的脚轮，使用时将垃圾分类箱推至使用场地，依靠电池或插上电源即可使用。投放垃圾时，手持垃圾靠近垃圾分类箱顶部，将垃圾投入即可，此后无需其他人为操作，操作简单。需要大量投入同种类垃圾时，可按下顶部常开按钮，此时开口持续保持打开状态，装置对常开状态时的第一个垃圾识别，直到关闭常开按钮不再识别。

如图9，在某一种类垃圾满时，分类垃圾箱顶部信号灯亮起，此时踩踏侧方的脚踏板，垃圾桶随之倾斜侧出，即可更换垃圾袋。随后将垃圾桶回推，关闭侧方活动门，完成垃圾袋更换过程，图10、图11为该装置的实物展示图，提供参考。

图8 投放垃圾展示图

图9 更换垃圾袋展示图

图10 垃圾分类结构实物图

图11 更换垃圾袋过程实物图

3 结论

以现有家用垃圾分类困难、人工识别垃圾种类繁杂、垃圾异味散发等实际情况为出发点，较好地设计出了本文所述垃圾分类装置。

该装置较传统人工垃圾分类有以下优点：(1)装置能实现自由移动，不限制家居使用环境；(2)垃圾分类迅速，节省人力，方便快捷；(3)可以同时分类四个种类的垃圾，提高分类效率；(4)图像识别垃圾分类高效，避免人工分类出错；(5)防止垃圾异味散发，提高空气质量；(6)装置安全可靠，全封闭式设计，提高安全性。

综上所述，本装置可以快速地将家用垃圾进行分类，并同时防止垃圾异味散发，提高空气质量，有效解决了家用垃圾分类难、分类麻烦的问题，具有一定的实际推广应用价值。