西安思源学院工学院 罗 强 向景玥

随着我国现代经济社会的进步， 生活中所产生的垃圾量也在增加，相应引发的一系列环境问题也日益突出。据调查，在近10年，我国大中型城市垃圾总量每年的增长速度大约为8.98%，特别是网购盛行的今天，其附属的快递包装垃圾也以惊人的速度增加。欧美发达国家在面对如此多的垃圾问题时，虽然实行了多年的垃圾分类政策，但目前垃圾分类依靠人工分拣，垃圾种类繁多，分类过程繁杂，这样使得垃圾分类效率不高，导致不能产生更加积极的分类效果。国内近些年来在垃圾分类方面也进行了积极的探索，并且设计出多种类型的分类垃圾桶。

通过分析现有智能分类垃圾桶的技术，我们决定设计出一款经济价值高、使用价值高的分类垃圾桶，本次设计的家用智能分类垃圾桶将可以很好解决上面的问题。

1 分类垃圾桶介绍

本设计的分类垃圾桶在控制方面提出了一种以智能语音识别和Arduino为基础的分类垃圾桶。显示了Arduino开发板、步进电机、曲柄摇杆、舵机、构成的系统整体框架，并将语音识别应用于垃圾桶的分类。在传动方面采用步进电机作为动力源，四杆传动机构作为传动件；开盖方面采用舵机带动桶盖实现。当语音模块识别到系统烤录进的垃圾名称时，语音播报垃圾所属的种类，并将信号传递给Arduino，控制相应垃圾分类垃圾桶转动到垃圾投递口处，之后小垃圾桶上的舵机带动桶盖打开，在完成垃圾的投递后，相应垃圾桶和桶盖转动回来原来位置。使分类垃圾桶达到设计要求，整体结构紧凑、控制简单、运动稳定，解决了生活垃圾分类繁杂的问题。其整体结构如图1所示。

图1 整体结构图

2 分类垃圾桶传动装置设计

基于对于分类垃圾桶的设计要求，装置在工作过程中运动平稳、反应快速，各个垃圾桶在运动中能够保持水平且位置固定上能够有机械锁定部件。恰好可利用联轴器将步进电机与传动轴相连，可以减少动力损耗，提高传动效率。

步进电机通过联轴器连接传动轴，传动轴连接四杆机构的杆1铰链（如图2），杆2连接固定垃圾桶，杆1直接将动力传送至杆2从而驱动垃圾桶的运动。此四杆机构对边杆等长（杆1和杆4长度相等，杆2和杆4长度相等），故能起到固定在杆2上的垃圾桶在运动的过程中能够始终保持一个水平方向，保证了其运动过程桶内垃圾不会倒出。四个垃圾桶采用并联方式固定在共一个四杆机构之内，这样使得四个垃圾桶的运动角度始终一致。

图2 四杆机构简图

3 分类垃圾桶开盖部件设计

本文设计的分类垃圾桶采用自动开盖设计，增加了其智能程度，提高了使用者的用户体验也保证了自动分类的准确性。分类垃圾桶盖子的开启和关闭功能主要由舵机来实现，易控制且可以保证开启快速角度精准。使用四杆机构中的双摇杆机构连接舵机的输出端和盖板，分析其开合角度和舵机的最优工作角度设计其机构以保证开盖过程的顺畅、快速和精准。图3为开盖机构闭合时和开盖时的三维示意图。

图3 垃圾桶开盖机构示意图

4 分类垃圾桶控制系统总体方案

本文设计的分类垃圾桶控制系统采用语音识别模块识别垃圾种类，之后Arduino主板根据反馈的信号控制步进电机转动，使得相应垃圾桶运动到垃圾投递口处，之后控制垃圾桶上的舵机旋转打开垃圾桶盖，在完成垃圾投递之后，步进电机和舵机带动垃圾桶和桶盖转动回到原来位置。如图4为控制系统框图。

图4 控制系统框图

5 分类垃圾桶控制系统程序流程

在开始进行垃圾分类时，系统首先初始化，之后语音识别模块通过将垃圾的名称与烧录进的信息对比，然后进行判断，如果不是库中的垃圾名称，则返回到初始化位置，如果为库中的垃圾名称，系统将执行下一步，继续判断是否属于库中的“厨余”垃圾。如果属于，系统将控制垃圾桶上的舵机正转，打开垃圾桶盖，延时4000ms完成垃圾投递，之后舵机带动桶盖转回到原来位置。如果不属于，系统将下一步判断是否属于“可回收”垃圾，如果属于，系统将控制步进电机正转带动分类垃圾桶移动至垃圾投递口处，然后控制垃圾桶上的舵机打开桶盖，延时4000ms完成垃圾投递，之后分类垃圾桶和桶盖转动回到原来位置。如果不属于，系统将下一步判断是否属于“有害”垃圾，如果属于，系统将控制步进电机反转带动分类垃圾桶转至垃圾投递口处，然后控制垃圾桶上的舵机打开桶盖，延时4000ms完成垃圾投递，之后分类垃圾桶和桶盖转动回到原来位置。如果不属于，系统将下一步判断是否属于“其他”垃圾，如果属于，系统将控制步进电机正转带动分类垃圾桶转动至垃圾投递口处，然后控制垃圾桶上的舵机打开桶盖，延时4000ms完成垃圾投递，之后分类垃圾桶和桶盖转动回到原来位置。如果不属于，则将返回到初始化位置，继续执行。

6 分类垃圾桶的功能

当人们不清楚垃圾属于什么种类时，该款垃圾桶就可以帮助人们辨别出垃圾的种类，并迅速做到分类处理。通过家庭垃圾的分类，可以有效提高人们的生活质量：（1）帮助人们辨别出垃圾的种类，并迅速做到分类处理；（2）将可回收的垃圾分类收集处理，再次创造价值；（3）减少了生活中各种病菌交叉感染的机率；（4）改善居住地环境，提高环卫工人的工作效率；（5）培养广大居民垃圾分类的好习惯。

结语：目前市面上的家庭使用的垃圾桶大多都是单个的，没有对垃圾进行明确分类，人们在使用的过程中存在着麻烦、浪费时间等问题。“家用智能分类垃圾桶”融合了多个分类模块，并且安装了智能语音功能，利用自身的智能装置、语音等功能，引导人们对家庭中的垃圾进行分类，还能帮人们节省出大量处理垃圾的时间，可以使人们使用更加方便，节约时间。