智能垃圾桶設(shè)計(jì)

摘 要：隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)城市智能垃圾桶的要求也越來越高。垃圾桶是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?，在城市公共社?huì)生活中，必須配備大量的垃圾桶。但目前市場(chǎng)上的垃圾桶，存在的缺點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)功能單一、需要人頻繁的更換垃圾袋，不能夠適應(yīng)越來越快速的生活節(jié)奏。尤其是近年來，垃圾分類的理念深入人心。人們更加追求功能齊全的智能就家居垃圾桶。本文在研究大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析整合了前任的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種，人工語音控制的智能垃圾桶，此種垃圾桶能夠在人工語音的控制下自動(dòng)打開和閉合，運(yùn)用連桿機(jī)構(gòu)，能夠自動(dòng)打包和放置新的垃圾袋，省去人工頻繁彎腰開蓋的過程，具有一定的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：智能;垃圾桶;連桿;自動(dòng)化

一.引言

智能垃圾桶已經(jīng)越來越多的受到眾多國家科研人員的關(guān)注，尤其是帶有多種功能的智能垃圾桶，研究智能垃圾桶，有助于提高人們的生活水平。目前，在國內(nèi)市場(chǎng)上，大部分使用的還是傳統(tǒng)的機(jī)械式垃圾桶，功能復(fù)雜，成本較高的智能垃圾桶并沒有得到應(yīng)用。垃圾箱的發(fā)展，可以說經(jīng)過了從最原始的簡易垃圾箱、到不要求人彎腰的腳踏垃圾箱，再到了現(xiàn)在研究最熱門的智能垃圾箱，又經(jīng)過了很漫長的時(shí)間發(fā)展[1，2]。21世紀(jì)10年代，在美國紐約接頭出現(xiàn)了太陽能垃圾桶，此種垃圾桶能夠?qū)⑻栒丈涞奶柲苻D(zhuǎn)化為供給垃圾桶使用的電能。

世界上較為普及的智慧垃圾箱主要是指一些新型智慧垃圾箱[3]，這一類垃圾箱目前只能實(shí)現(xiàn)定時(shí)包裝所提供的作用，僅限于使用者即時(shí)操控其運(yùn)行，且由于缺乏定位管理系統(tǒng)而根本無法實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾處理袋的定時(shí)投遞，包裝也不能完全按照垃圾箱的狀態(tài)完成，僅限于在約定時(shí)段內(nèi)完成，因此作用受限。而白桂峰[8]采用了STC89C52的家用智慧垃圾箱管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)開關(guān)蓋，對(duì)桶中廢棄物進(jìn)行高度監(jiān)測(cè)、異味監(jiān)測(cè)，但是由于高度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能處理密度較大物體質(zhì)量差很大而高度不足的情形，易出現(xiàn)廢棄物超重的現(xiàn)象。并具有打包的功能。

二.項(xiàng)目設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1研究目標(biāo)

此次采用的多功能垃圾箱系統(tǒng)，是本著順應(yīng)時(shí)代需要，以進(jìn)一步提高人民生活品質(zhì)為目的設(shè)計(jì)的。

通過軟件控制，來實(shí)現(xiàn)如下功能：

1.垃圾箱滿報(bào)警;

2.檢測(cè)是否物體靠近;

3. 垃圾箱自動(dòng)翻蓋，并伴隨提示音;

4.定時(shí)自動(dòng)噴灑消毒劑;

2研究內(nèi)容

設(shè)計(jì)時(shí)選擇了STM32F103為主控單片機(jī)，以紅外傳感器、振動(dòng)感應(yīng)器、語音芯片為主要功能，主要特征包括：

（1）節(jié)能環(huán)保。

（2）干凈衛(wèi)生。

（3）娛樂性。

（4）運(yùn)用廣泛。

三.項(xiàng)目設(shè)計(jì)的步驟

1.設(shè)計(jì)任務(wù)

智能垃圾桶，通過智能車體與智能垃圾桶的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶可移動(dòng)的設(shè)想，智能車體以兩個(gè)直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)控制車體的平衡并實(shí)現(xiàn)車體的自由動(dòng)作。同時(shí)在車體上安裝智能避障傳感器、藍(lán)牙通信接收模塊、以及語音模塊、通過單片機(jī)協(xié)調(diào)各模塊的功能，以實(shí)現(xiàn)智能避障，語音開蓋以及手機(jī)藍(lán)牙掌控。手機(jī)APP起主要控制作用，通過藍(lán)牙通信向單片機(jī)發(fā)送移動(dòng)指令，根據(jù)指令，單片機(jī)將控制兩直流電機(jī)產(chǎn)生不同的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)垃圾桶前、后、左、右的狀態(tài)。

智能垃圾桶部分采用內(nèi)外嵌套兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可拿出，方便了垃圾的傾倒，整個(gè)桶身密閉設(shè)計(jì)，桶蓋上安裝有人體紅外感應(yīng)器，當(dāng)手與垃圾桶達(dá)到檢測(cè)距離后，桶蓋自動(dòng)打開。

3.設(shè)計(jì)內(nèi)容

手機(jī)上位機(jī)軟件通過藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，進(jìn)而通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、舵機(jī)的控制（實(shí)質(zhì)是對(duì)小車以及開關(guān)桶蓋的控制）。同時(shí)語音模塊也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)以上的控制，雙控制方案使得我們的產(chǎn)品使用起來更加方便。小車在行進(jìn)過程中加速度陀螺儀模塊不斷校準(zhǔn)車體的平衡，從而讓小車在只有兩個(gè)輪子的支撐下而不倒。避障模塊是為防止人為控制失誤而撞到家居而設(shè)計(jì)。當(dāng)避障模塊檢測(cè)到前方近距離有障礙物是便不會(huì)前行，并提醒用戶“要撞上了”。人體紅外感應(yīng)模塊安裝在垃圾桶蓋邊緣。當(dāng)檢測(cè)到人的手與垃圾桶達(dá)到一定距離后，便“通知”單片機(jī)，由單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開桶蓋。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能源。在設(shè)計(jì)此模塊時(shí)我們本著節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電的前提下不浪費(fèi)能源。即能提高能源利用率也省去了，經(jīng)常充電的麻煩

4.設(shè)計(jì)原則

1 自動(dòng)翻閉蓋功能

通過紅外感應(yīng)系統(tǒng)控制啟動(dòng)電路開關(guān)，電源給予動(dòng)作電路提供電 能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)設(shè)計(jì)的曲柄滑塊傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)完成自動(dòng)翻閉蓋。

2自動(dòng)壓縮功能

采用壓縮機(jī)制對(duì)垃圾進(jìn)行了壓縮，達(dá)到了節(jié)省垃圾空間的目的。該壓縮裝置連接到垃圾箱蓋板上，使得垃圾在自動(dòng)關(guān)閉時(shí)，能帶動(dòng)壓縮裝置進(jìn)行垃圾的壓縮。針對(duì)壓力設(shè)備的最佳位置、工作時(shí)的聯(lián)動(dòng)性，以及壓力范圍和效率，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠有效地把垃圾壓到不影響垃圾蓋開閉的連桿機(jī)構(gòu)上，并對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)情況加以分析，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剛度、形狀等分析，以實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)目的。

3語音提示功能

4 滿箱檢測(cè)感應(yīng)功能

5 具地域特色的外形設(shè)計(jì)

四.智能垃圾桶的設(shè)計(jì)

4.1結(jié)構(gòu)示意圖

通過減速器減速后，減速器的輸出軸連接到轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的一端與連接件的一端相鉸接，而連接件的一端則與直線桿的下端相連接，而直接驅(qū)動(dòng)桿的上端則連接到直線桿的上端。

與水平拉桿下部鉸接，在水平拉桿的最前端與蓋鉸接，主要的機(jī)械傳動(dòng)部分就設(shè)在筒的背面，通過筒體與蓋鉸合相連，下部還設(shè)有推拉式的內(nèi)蓋。當(dāng)紅外線感應(yīng)器探測(cè)到人靠近時(shí)，將開啟電路，旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)水平連桿回轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)，直動(dòng)杠桿會(huì)上下滑動(dòng)，并利用水平拉桿把覆膜拉起，在開啟時(shí)，利用覆膜將水平頂桿拉起，這時(shí)，由時(shí)間延遲系統(tǒng)的控制，垃圾桶會(huì)一直處于開啟狀態(tài)，以便于扔進(jìn)垃圾。在人走后，紅外線感應(yīng)開關(guān)再次啟動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180度，轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)到最高，蓋關(guān)閉，壓板可以將垃圾壓入，停止工作，如果垃圾對(duì)壓力板的壓力超過了預(yù)設(shè)值，語言電路就會(huì)發(fā)出聲音提示。當(dāng)垃圾桶內(nèi)的廢物達(dá)到一定的容積時(shí)，可以用手工把垃圾從容器中取出，然后把垃圾倒入容器中。

4.2智能垃圾桶的材料選定

在廢棄物處理的整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)中，由于機(jī)器臂并不需要承受較大的機(jī)械壓力，為良好的應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，整個(gè)機(jī)制必須盡可能靈活而輕便，并且充分考慮到生產(chǎn)的生產(chǎn)成本情況，綜上幾點(diǎn)，選用密度相應(yīng)較少，而剛度也較大的鋁合金作為生產(chǎn)垃圾桶的主要材質(zhì)。下面是幾個(gè)品牌鋁合金的性能參數(shù)表2-1：

為適應(yīng)垃圾桶對(duì)強(qiáng)度的需求以及盡可能的是比智能垃圾桶更輕巧，因此優(yōu)先選用了牌號(hào)為六千零六十一的鋁合金作為垃圾箱的主要材質(zhì)。

4.3 智能垃圾桶大小臂長度的確定

該垃圾處理桶系統(tǒng)采取了立體滑架結(jié)構(gòu)、雙滑塊連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、鎖扣構(gòu)造，自定滑車傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造，雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并搭配了特殊的桶行垃圾處理袋，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同用途的協(xié)調(diào)有效實(shí)現(xiàn)。

垃圾蓋的打開依靠傳統(tǒng)的連桿原理，利用發(fā)電機(jī)牽引曲柄，經(jīng)連桿動(dòng)力的作用，完成了蓋物的向上打開。

滑架結(jié)構(gòu)通常是有直線軸承和與之相配的光軸所平行組成。光軸座與軸承的配合能夠有效的降低摩擦阻力，而軸承在光軸上運(yùn)動(dòng)的過程中也有助于較好的保持平衡，從而確保了軸承行業(yè)上各機(jī)構(gòu)的工作都順利完成。由于軸承座的安裝是確保與光軸座平行運(yùn)動(dòng)的最主要原因，所以裝配精度也是滑架結(jié)構(gòu)的重要保障。

鎖扣結(jié)構(gòu)很精巧。想要完成右邊橫梁的穩(wěn)定和位移就需要有一套電子"開關(guān)"控制系統(tǒng)，但現(xiàn)在的建筑構(gòu)件中大都是采用了電子開關(guān)控制系統(tǒng)，這就需要增加較多的附屬結(jié)構(gòu)。本工程中的鎖扣結(jié)構(gòu)，為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用簧片的收縮特性和瞬時(shí)完成特性來達(dá)到"開關(guān)"的作用。合理的裝配使"開關(guān)"與滑架結(jié)構(gòu)充分地融合。

定滑輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，解決了過去因?yàn)榛芙Y(jié)構(gòu)高大而造成的發(fā)電機(jī)安裝的困難。利用定滑輪的特點(diǎn)，只改變力矩的方向而不改變力矩的大小，這樣只要通過加大繩索的直徑就實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)目的。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是使用最少的部件來達(dá)到多種作用的結(jié)構(gòu)理念。省時(shí)省力，為節(jié)約資源大大提高了效率。通過人手伸提供的力量，以及通過連桿進(jìn)行動(dòng)力的作用，就可以完成水平底板的向前翻升和邊門的向前開啟，從而實(shí)現(xiàn)了垃圾封裝完成后可以自行清除的目的，簡單而實(shí)用。

模擬過程：

垃圾打包了出來，掉在下面的抽屜中，下面是一個(gè)抽屜的結(jié)構(gòu)圖。抽屜門裝在連接件一上，而抽屜連接到連接件3上。如果清洗工人踩著踏板（如圖中的紅字箭頭），抽屜門將會(huì)被連桿一拉動(dòng)，按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使垃圾桶抽屜的大門被開啟，并在連桿三的作用下，抽屜門被按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，將污物清除。

結(jié)果分析：經(jīng)CAD模擬，總功率：P≤20W;

適合垃圾箱類型：通孔長筒形，直徑d=40～50mm;

密封后的垃圾包尺寸：L=150mm;

適合的垃圾：各種醫(yī)療垃圾，直徑d1≤150mm

4.4 創(chuàng)新點(diǎn)及其應(yīng)用

1）自動(dòng)封裝垃圾包系統(tǒng)。采用了電阻加熱原理和塑料垃圾袋受熱粘結(jié)的特點(diǎn)，利用電阻加熱絲進(jìn)行了對(duì)垃圾袋的自動(dòng)密封。

2）手動(dòng)更換垃圾箱功能。使用了專門的垃圾袋，并配備手動(dòng)控制器，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)垃圾袋的周期性切換，進(jìn)而達(dá)到了對(duì)垃圾箱的手動(dòng)換袋功能。

3）感應(yīng)及自動(dòng)處理垃圾功能。垃圾箱內(nèi)部通過設(shè)置傳感器，可以將垃圾箱里的垃圾總量，以及垃圾存放時(shí)間等信號(hào)即時(shí)傳輸給自動(dòng)控制芯片，從而使得該垃圾桶在垃圾袋充滿量或垃圾儲(chǔ)存時(shí)間過長時(shí)，對(duì)垃圾袋進(jìn)行智能封裝管理。

4）利用變形雙滑塊機(jī)構(gòu)，可以完成垃圾箱底平板的門式開合，以便于把包裝好的雜物袋移出垃圾箱。此機(jī)構(gòu)以及電阻加熱絲的運(yùn)動(dòng)使用了特殊的鎖扣連接方式，并由同一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)更緊密，節(jié)能有效。

5）采用控制系統(tǒng)管理的臭氧發(fā)生片，能夠定期地為垃圾桶箱體和垃圾殺菌，從而能夠充分保持垃圾桶的無菌狀態(tài)，同時(shí)減少了垃圾中的安全隱患。

6）使用雙曲柄的連桿機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)每一個(gè)動(dòng)力源產(chǎn)生二種不同方向的動(dòng)力，進(jìn)而完成下底板的向前翻起和側(cè)門的向前翻起。

六.設(shè)計(jì)總結(jié)

這次采用的多功能垃圾桶管理系統(tǒng)，主要做到了桶滿時(shí)自動(dòng)報(bào)警和手動(dòng)翻蓋。多用途垃圾箱控制系統(tǒng)是一個(gè)很好的環(huán)境保護(hù)措施，可以有效的降低人類和垃圾之間的接觸，降低人類的傳染概率。中國的智能垃圾箱產(chǎn)品一般并不象外國那樣豐富，而且功能也不多，這是因?yàn)橥鈬嗽缫验_始了對(duì)垃圾箱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研究。到目前為止，很多國家都在實(shí)行垃圾分類循環(huán)，在一些國家，太陽能垃圾箱也得到了廣泛的應(yīng)用。多用途垃圾桶在國內(nèi)并不為人所熟知，大眾對(duì)它的重視程度也很低，所以它的市場(chǎng)規(guī)模很小，很多商家和普通的家庭都不愿意買，這就造成了多用途垃圾箱產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)沒有任何的技術(shù)和資金，也沒有辦法迅速地發(fā)展起來。但是，由于中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人民的環(huán)境意識(shí)也在進(jìn)一步地加強(qiáng)，多用途垃圾桶也將逐步進(jìn)入我們的生活，成為我們的一大助力。

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作者簡介：姜博（2000.12月2日），男，漢族，遼寧省綏中縣人，本科;研究方向 ：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化