分类家——辅助垃圾分类的可扩容智能垃圾桶

王程波 宣鑫璐 傅龙顺 李然 王鑫辉

摘要：当前，随着经济社会的快速发展和城市人口的爆发性增长，生活垃圾产生量不断攀升，垃圾处理能力不足的矛盾日益突出。为了缓解垃圾处理难的问题，改善我们的生活环境，垃圾分类刻不容缓。然而公民对垃圾的认识不足，间接导致了垃圾分类更加困难。本产品可以有效地辅助人们进行垃圾分类，并且可以根据不同种类的垃圾多少进行自动扩容，创造性地解决了传统分类垃圾桶空间使用不合理的难题。

关键词：垃圾分类；智能家居；扩容；语音识别

7月1日，上海正式实施《生活垃圾管理条例》，扔错垃圾要罚款。按照计划，到2020年底，还有46个城市要加入垃圾分类大军。2025年前，全国地级及以上城市要基本建成垃圾分类处理系统。因此，垃圾分类是当前社会的一大热点，也是为建立美丽新中国的一大难点。并且垃圾分类需要从小家做起，只有家家户户都能做到垃圾分类，整个社会才能够形成一种全民垃圾分类的良好风气。同时垃圾桶也是家家户户都不能少的必需品，也是当代智能家居的一大创新点。因此，“分类家”在政策的推动下将有极大的市场需求，几乎家家户户都需要配备两到三个。所以将有很大的发展前景。政策出台后，垃圾分类作为当前社会的一大热点，将是我们推出“分类家”的最佳时期。

1 总体结构设计

“分类家”以垃圾重力为动力推动扇叶移动实现容积变化。

根据统计，正常家用垃圾桶的容量在9-12L，底部直径150-180mm，桶高250-310mm，顶部直径230-280mm，考虑到我们设计的是辅助垃圾分类的可扩容智能垃圾桶，并且底部装置本身需要占据部分空间，我们决定将垃圾桶的底部直径设置为410mm，桶高480mm，顶部直径510mm，挡板开合角度55°~125°。我们通过改变扇叶的位置控制某一区域的容积，在动力方面，从绿色环保的角度考虑，我们设计将垃圾竖直方向的重力改变为水平方向的推力，节约能源。

整体设计方案如图所示：

图1 垃圾桶整体设计

2 主要功能和性能指标

2.1 主要功能

本作品主要用于辅助家庭垃圾分类，其功能主要有以下四点：

• 分类垃圾桶四合一

将复杂而笨重的四个分类垃圾桶合而为一，用一个垃圾桶实现垃圾分类过程中四个垃圾桶的功能，也就是将垃圾桶等分成四个空间，分别存放不同的垃圾。

• 自动开关垃圾桶盖

垃圾桶盖采用两个半圆的形式，可以通过语音实现自动开盖关盖，也不用担心传统向上翻的盖子会弹到老人或孩童。

• 识别所丢垃圾区域

利用语音识别模块，可以根据人所需丢的垃圾进行语音识别，并自动寻找垃圾所需丢入的对应垃圾桶口。

• 改变相应区域容积

垃圾桶底部的重力装置，可以实现当所丢的某一类垃圾重的时候，存放这类垃圾的一格空间变大，使得空间合理利用，紧跟新时代潮流，实用、安全、便捷。

2.2 工作原理

• 桶盖工作原理

桶盖由上下两部分组成，两桶盖之间的连接件通过物块阻挡保证下桶盖可以在某个方向跟随上桶盖转动。在与电机连接时，上桶盖直接与电机相连，下桶盖通过轴承与电机相连。在使用时，通过语音信号下达指令，电机直接带动上桶盖转动，由于桶盖之间的连接件，此时下桶盖会跟随上桶盖一同转动。当到达指定位置后电机反转，此时仅有与桶盖直接相连的上桶盖转动，下桶盖由于通过轴承与电机相连，不发生转动。当上桶盖到达指定位置后，电机停止转动，此时桶盖打开一定角度（0°~180°），该角度最大值可超过两挡板可达的最大角度，并可以在任意位置打开桶盖。关闭桶盖时，电机带动上桶盖转动，直至与下桶盖闭合。

• 主轴滑道工作原理

主轴滑道采用国产直线导轨MGN9C，由钢珠在滑块跟导轨之间无限滚动循环，摩擦系数低，并能轻易地达到很高的定位精度。实现受压板在100mm之内的上下移动，从而达到容积变换功能的实现。

• 伸缩装置工作原理

伸缩装置能够上下伸缩150mm，从而有效达到垃圾桶相应容积的变换。当垃圾重时，会使伸缩装置向下压缩，从而使得容积变大；当垃圾被取走，伸缩装置则会恢复到初始位置，所在区域容积也会恢复到初始大小。

• 桶身工作原理

四个区域通过挡板分隔，挡板通过合页与轴相连，挡板底部与桶底的机构相连。在使用时，当某一区域的垃圾变重时，受压板因重力向下运动，该区域的底部机构可以将竖直方向的重力转换为水平方向的推力，通过连杆将挡板推开，扩大容积。当垃圾被取走时，该区域容积会自动恢复到初始大小。经过测试，本垃圾桶可以使某区域的容量约在8L~16L之间调整。

3 控制电路方案设计

本项目在控制部分主要完成的功能是：通过语音识别计数来识别用户仍的垃圾的所属种类，并同时将垃圾盖打开到相应的位置，以供用户扔垃圾，在一定程度上使得垃圾分类更加便捷。

MCU及其附属电路

步进电机及其控制电路

语音识别模块

串口

+12V电源

• 操作说明

垃圾桶作为一个几乎在任何地方都会存在的日常用品所以它的操作一定会是非常的简单“傻瓜”，所以本项目的垃圾桶操作上只需要用户说出所需要仍的垃圾的名称，垃圾桶的盖子就会自动的打开到相应的位置，非常简单和方便。

结论：“分类家”针对现有垃圾桶分类功能明显的不足，设计了四个区域，满足了垃圾分类需要，提供了一种可以帮助大家进行垃圾分类的垃圾桶，以更好地完成垃圾分类。垃圾桶使用简单方便，只需用户提供语音命令，垃圾桶盖就会打开至相应位置，确保用户每一次丢垃圾都可以进行分类。本垃圾桶还对容量进行了设计，当一处的垃圾较多时，可以增大该处容积，解决了用户需要频繁更换垃圾袋的问题，绿色环保的同时又方便使用。本垃圾桶可以更好地增加公民对于垃圾分类的意识，自觉自愿去进行垃圾分类。除了在家中可以使用本垃圾桶之外，在酒店、学校、办公场所等地也可以使用本垃圾桶，具有极大的推广价值。同时，本垃圾桶结构简单，制作成本低，可以批量生产。

参考文献

[1] 高中庸, 江建晓. 机械原理. 华中科技大学出版社, 2011

[2] 陈忠安，王静，材料力学. 北京大学出版社, 2009

[3] 吴宗泽, 罗圣国. 机械设计课程设计手册. 高等教育出版社, 2009: 56-114