一种智能分类垃圾箱设计＊

李建

（景德镇学院机械电子工程学院，江西景德镇 334000）

本文设计了一款智能分类垃圾箱，其为双层三格结构，上层两格共用一盖，采用红外感应方式开盖，避免用户因用手接触箱盖对健康造成影响，并能实现扔垃圾不弯腰；下层一格，采用脚踏式开箱，上下两层可分离。垃圾箱使用方便，使用者不需用手直接接触垃圾桶，解决传统垃圾桶对使用者存在的卫生感染隐患，有效杜绝病菌通过垃圾桶传播，防止桶内垃圾异味溢出，能有效改善居家、办公等场所的卫生环境。

智能感应垃圾箱采用PP（聚丙烯）塑料材质，主体为框架结构，长、宽、高为27.5 cm×39 cm×79 cm。上层分两格，采用内置隔板分离，扔垃圾不弯腰；下层可用脚踏开启，方便省力。

1 研制背景及意义

随着时代的不断发展，环境问题已成为人们重点关心的问题之一。目前，很多人对垃圾分类的意识薄弱，给垃圾回收带来了很多困难。同时，在使用垃圾箱时，用手打开垃圾箱盖也会因直接接触而产生卫生问题，给人的健康产生一定的影响。因此，如何进行有效、便捷的垃圾分类，以及设计出无接触式的智能开盖垃圾箱具有一定的意义。

智能垃圾箱可采用多种形式实现开盖，如按键触发式[1-2]、红外感应式[3-4]、语音识别式[5]等。本文设计了一款智能分类垃圾箱，对垃圾箱结构进行有效布置，设计分两层，上层设计红外感应无接触开盖方式，下层采用脚踏开盖方式，能在一定程度上对垃圾进行有效分类，有效改善居家、办公等场所的卫生环境。目前，中国将逐步开展垃圾分类，人们对环境和卫生质量要求不断提升，智能分类垃圾箱未来发展潜力巨大。

2 设计方案

2.1 总体设计构想

拟设计智能分类垃圾箱长39 cm、宽27.5 cm、高79 cm。分上下两层，共3 个储存格。上层两格，位于同一平面，中间用隔板分开，共用一个顶盖板。盖板设计无接触感应开盖方式，感应距离为3～35 cm，感应闭合时间为7 s。下层可储物或分装垃圾，设计采用脚踏方式从前方倾斜打开。主要特点如下：①双层三格分类垃圾箱。垃圾箱上层两格设计用于放置干垃圾、湿垃圾，下层一格用于放置可回收物，如易拉罐、塑料瓶等。②密封隔绝异味。常规状态下垃圾箱盖处于关闭状态，防止异味溢出；当投放垃圾时，箱盖开启。③智能感应开盖。上层采用感应方式开盖，0.3 s 内快速开启，手或物体离开7 s 后，箱盖自动闭合。采用可充电锂电池，一次充电能连续使用2～3 个月。④脚踏设计、方便省力。下箱体通过脚驱动踏板开盖，根据杠杆式原理，轻松省力。⑤万向滑轮设计，移动灵活，锁止稳定。

为实现上述功能，该装置设计由以下几部分构成：①箱体，包括上箱、下箱、隔板、盖板等；②动力及传动装置，包括电池、电机、齿轮、连杆、踏板等；③控制器，包括红外传感器、微控制器等。

2.2 箱体设计

智能分类垃圾箱箱体由上箱、下箱、隔板、盖板等组成。箱体长39 cm、宽27.5 cm、高79 cm，采用PP 塑料材质，主体为框架结构。上箱体有两格空间，共用一盖，分别用于放置可回收与不可回收垃圾。箱盖采用单片机控制，以红外感应器为信号接收装置，通过控制电机转动实现开闭。电机与箱盖采用四杆机构连接。下箱体设计成侧开式，采用脚踏方式打开，当脚移开后，在自身重力作用下，侧盖自行关闭。

上箱体及下箱体结构如图1、图2 所示。

图1 上箱体结构图

图2 下箱体结构图

在垃圾桶底板安装4 个脚轮，包括2 个允许水平360°旋转的活动脚轮、2 个固定脚轮，固定脚轮没有旋转结构，不能水平转动只能垂直转动，轮轴与地面成垂直角度，避免在使用过程中增加车轮压力。

2.3 动力及传动装置设计

动力及传动装置装置主要用于驱动垃圾箱开盖，包括电池、伺服电机、齿轮、四杆机构、下箱体、踏板等。

为使箱盖正常开闭并能保持较长时间的有效运行，选用可更换充电锂电池，其额定电压为3.7 V，额定电流为80 mA。

选用伺服电机驱动，其原理如下：伺服电机内部包括1 个小型直流马达、变速齿轮组、反馈可调电位器和电子控制板。其中，蓄电池带动直流马达提供了原始动力，通过变速（减速）齿轮组，使之减速增矩输出，齿轮组的变速比愈大，伺服电机的输出力矩也愈大。伺服电机为闭环反馈系统，其输出端带动一个线性的比例电位器进行位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号进行比较，产生纠正脉冲，周期性脉冲信号的高电平时间为1～2 ms，低电平时间为5～20 ms，并驱动马达正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，从而达到使伺服电机精确定位的目的。

电机与箱盖构成四杆机构传动，电机为驱动件，带动曲柄转动，箱盖为摇杆，箱体为机架，四杆传动机构示意图如图3 所示。

图3 四杆传动机构示意图

电机输出轴至箱盖转动轴水平距离为10 mm，垂直距离为35 mm，舵机曲柄长度为30 mm。设连杆长度为R，摇杆长度为L，其公式如下：

根据公式（1）、（2）可得连杆长度为38.5 mm，摇杆长度为28.5 mm。

下箱体采用侧开式，采用脚踏板开盖，脚踏板选用尼龙材质板块制作。脚踏板包括顶块、支点、脚踏面等，将支点两端嵌入箱体，脚踏板可绕两支点构成的转轴旋转，脚踏面受到脚尖压力下移，顶块则上移推动侧盖开启，驱动脚踏板如图4 所示。加工过程如下：①在圆柱形尼龙盘上划线，去除无效部位材料，使其一侧为顶块，呈长方形，另一侧为脚踏面，呈圆弧状，其整体关于中线对称。②通过铣削加工将坯料切削平整，顶块和脚踏面位置稍高，便于脚踏板与下箱体配合安装。脚踏面前方加工2 个圆柱状支点，使其能卡在下箱体的凹槽处并形成转轴，脚踏板能绕其旋转。

图4 驱动脚踏板图

2.4 控制系统设计

控制系统主要由红外感应传感器、微控制器、驱动电路等组成，当手靠近红外感应头3～35 cm 时，红外线感应器接收到来自人的红外信号，经微控制器进行信号处理，驱动电机运转，经过齿轮多级减速最终输出到四杆传动装置，实现箱盖的开启，7 s 之后，电路中断，箱盖闭合。控制系统传递线路如图5 所示。

3 结论

根据设计方案，通过加工制作，得到垃圾箱实物，其结构形状如图6 所示。经测试，分类垃圾箱性能良好，感应开盖迅速，使用方便。

图6 分类垃圾箱结构形状图