基于鸢尾花机构的分类打包垃圾桶研究

徐文源 崔志远 吴 仟 李治钘 李 跃

（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003）

随着我国社会经济的高速发展、人们生活水平的提高，垃圾产量越来越多，绿色生活成为重要的发展方向之一。垃圾分类是对垃圾收集处置传统方式的改革，是对垃圾进行有效处置的一种科学管理方法。人们面对日益增长的垃圾产量和环境恶化的局面，如何通过垃圾分类管理实现垃圾资源最大化利用、减少垃圾处置量、改善生存环境质量，是当前全球共同关注的问题之一。设计一种方便快捷、省时省力、有效分类垃圾、封闭垃圾异味的智能垃圾桶十分必要。

1 分类打包垃圾桶总体结构设计

装置总体包含两个功能，即语音识别垃圾分类、机械结构辅助打包。语音识别垃圾分类时，用户对垃圾箱说某个垃圾的名字，树莓派将该信息传给百度云，百度云进行语音处理返回字符串上传微信机器人，返回对话字符串，百度云语音处理转化为语音转给树莓派，再传达给用户该垃圾属于哪种垃圾，发出打开该类垃圾箱指令，以同样的方式串口通信完成分类过程。打包功能启动时，超声波传感器识别到即将满箱时，鸢尾花收拢机构在步进电机带动齿轮旋转下收拢开口的垃圾袋，形成垃圾袋束，舵机带动热封机构对收拢的垃圾袋进行热塑打包，打包后多连杆结构同时带动垃圾桶前门板、底板围绕旋转轴中心向前旋转，连杆机构同时使压紧垃圾袋的压环上升，达到多机构联动的效果，最后垃圾出箱，结束分类打包过程。

整体结构如图1所示。

图1 整体结构

1.1 鸢尾花机构

鸢尾花机构由带有不完全齿轮和滑槽的钢板、带有圆孔的钢板、14片叶片、垫高用的木板组成，通过叶片连接在一起，在步进电机驱动下可以实现旋转收拢和展开，展开状态下套用垃圾袋。打包垃圾时需要收拢垃圾袋，装置中加有鸢尾花机构。

鸢尾花机构如图2所示。

图2 鸢尾花机构

超声波传感器检测到垃圾满或接收用户打包指令时，鸢尾花在步进电机驱动下旋转，叶片朝中间收拢使垃圾袋聚拢，形成袋束。钢板叶片直接接触摩擦力过大，故在两钢板中间加入木板垫高，防止交叉阻碍运转。

1.2 热塑机构

热塑机构由1个步进电机、2个齿轮转杆及热封片组成，热封片固定在齿轮转杆末端，转杆固定在步进电机上。鸢尾花机构把垃圾袋收拢为垃圾袋束时，由步进电机驱动带动齿轮转杆向中间合拢，由程序驱动热封片加热到设定温度对垃圾袋进行封口。垃圾袋打包完成后，程序继续执行下一个命令，热塑机构两齿轮转杆向两边张开。

热塑机构如图3所示。

图3 热塑机构

1.3 压环连杆机构

由前门板、连杆、底板、压环推杆通过铆接装配组成。使用过程中，连杆连接前门板和底板，先拉动前门板，固定在前门板上的连杆带动底板向上运动，底板上的滑块在光杆上滑动，滑块上的铆钉顺势将压环推杆向上推，带动压环上升，上升到一定距离后，垃圾袋在重力作用下脱离压环，沿底板滑出垃圾箱。

连杆机构如图4所示。

图4 连杆机构

2 智能控制系统设计

智能控制系统采用树莓派3B+和Arduino MEGA2560并行控制，Arduino实时监测开关按钮开启关闭状态，红外感应模块数值，树莓派串口数据。树莓派保持监听状态，随时接收外部语音数据，可以通过“小美小美”行语音交互。用户发出的语音数据上传百度AI平台进行处理，云端对话机器人返回对话数据后，运行在树莓派上的语音插件会检测关键字，实现垃圾识别、语音控制。树莓派将数据通过串口发送给Arduino，Arduino检测到串口数据后执行操作，智能控制系统提供多种交互形式，可以通过语音控制垃圾桶的开启打包，内嵌红外感应模块可以感知人体，可采用挥手或抬膝控制垃圾桶开启，提供一键打包按钮和垃圾袋安放完毕标志按钮。Arduino会记录最近一次湿垃圾桶打开记录，若时间过长会在下一次投放垃圾时提醒及时取走垃圾。

2.1 控制中心

树莓派3B+具有64位四核1.4 GHz处理器、双频2.4 GHz和5 GHz无线WiFi、蓝牙4.2/BLE、1 GB内存、千兆以太网、4个USB2.0端口、40引脚GPIO接口。Arduino MEGA2560有54路数字输入/输出口、16路模拟输入、4路UART接口、1个16 MHz晶体振荡器、1个USB口、1个电源插座、1个ICSP header以及1个复位按钮。供电部分采用5 V2.5 A直流供电，Arduino MEGA2560接树莓派USB口通过USB供电。

2.2 传感器模块

控制系统的传感器模块有ZL-13红外感应模块，ZL-13感应距离为15～30 cm，自动感应。垃圾箱前面板有2个按钮，Arduino会检测按钮状态并相应行动，传感器供电从Arduino MEGA2560直接引出。

2.3 机械驱动模块

机械驱动模块分为打包驱动以及顶板驱动，打包驱动由1个42步进电机驱动鸢尾花旋转、1个驱动夹子捏合组成。步进电机驱动器为DRV8825，具有最高32细分、过热、过流、欠压保护、输入电压防反接保护等功能。

平板驱动采用Mg 995舵机与多连杆协同驱动，Mg 995舵机五级精度金属齿轮组，6 V11 kg扭力，速度0.18 s/60°，堵转工作电流1 450 mA，舵机联动连杆驱动顶盖开合。整机电源采用7.4 V、5 300 mAh大容量18650电池组供电，热封部分由7.4 V、2 800 mAh锂电池组单独供电，树莓派采用树莓派专用电源供电，以保持树莓派稳定运行。

3 装置组成

装置由取放机构、打包机构、智能控制模块组成。垃圾处理装置除鸢尾花部件部分由金属制成，其余由木板和3D打印件制作，整机重量小、绿色环保。取放机构由压环、顶杆、滑块、连杆、前门板、底板、侧板组成。前门板及底板轴由侧板支承，前门板与底板通过连杆连接，直线导轨安装在底板上，滑块沿直线导轨移动，滑块通过销钉与顶杆底端滑槽相连，顶杆在侧板固定槽内移动，顶杆顶端接压环。打包机构由鸢尾花部件和热封机组成，鸢尾花部件主要由叶片、齿轮盘、板支撑柱、固定板、鸢尾花上盖组成，热封机由夹持臂、步进电机等组成，热封夹子端子有加热电阻丝，可在2～3 s内热封垃圾袋。智能控制模块由传感器、控制中心、机械驱动模块组成，各部分协同运作完成分类、取放、语音交互等功能。

4 结语

国家经济发展迅速，总体消费水平提高，垃圾产量日益增多，垃圾分类愈发重要。为了减少处理垃圾的装备，降低成本，需要在家庭环节就分类垃圾。打造新一类智能垃圾箱，结合多项功能，实现在不同区域、形式以及家庭的应用，应用前景广阔。