具有自主分离功能的智能垃圾分类装置设计

王嫣嫣，李润涛，彭自豪，耿明超,2*

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市装配式建筑构件智能制造技术创新中心, 河北 张家口 075000)

0 引言

垃圾分类作为资源回收利用的重要环节之一，可以有效地提高资源回收利用效率，减轻环境污染带来的危害。然而，目前的垃圾分类装置一般每次只能实现单个垃圾的投放、分类，不能同时处理不同类别的垃圾，投放等待时间较长[1-2]。现有的分离分拣装置多为工业级，对物品外形、材质、尺寸、重量等限制度高，同时体积较大、结构复杂、造价高，分离分拣装置的小型化、低成本化势在必行。本文提出的智能垃圾分类装置能够实现多个不同类别垃圾的分离、识别、投放，丰富了现有垃圾分类装置的种类。

1 智能垃圾分类装置系统组成

如图1所示，具有自主分离功能的智能垃圾分类装置主要由分离装置、视觉识别模块、分类投放装置、垃圾桶等组成。

图1 智能垃圾分类装置

分离装置通过将分布无序、种类掺杂不一的多个垃圾重新分布，来实现多个投放，逐一输出的功能。视觉识别模块利用机器视觉识别处理技术将分离出来的物品进行识别归类，并反馈于分类投放装置。根据机器视觉的物品归类信息判定结果，分类投放装置按归类原则进行分类投放。垃圾桶对垃圾进行收纳。

2 智能垃圾分类装置设计

2.1 分离装置设计

分离装置采用差时同速运动对多个不同种类的垃圾进行分离，即多条并行布置传送带按照一定的间隔时间启动，以相同的速度运行，这样传送带上不同种类的垃圾就会按照传送带启动的先后顺序依次掉落到投送单元上，如图2所示。间隔时间为单条传送带走完单程所用的时间。

图2 分离装置结构

如图2所示，分离装置采用三层上下分布，依次连接于框架上。其中，第一层主要包括传送带、导向轮。第二、三层主要为预紧单元、动力驱动单元的安装层。动力驱动单元及预紧单元间隔分布于第二层、第三层，为安装留出足够的空间。

传送带之间理论上不应存在间隙，但为满足运行时的容错性，降低装配难度，传送带之间在设计时留有一定的间隙。在正常的工作环境中，机构所涉及的最小物品为烟头，经调查可知国内卷烟企业生产的卷烟直径大部分为7.7 mm，进口卷烟直径为7.8 mm。以此初步确定传送带之间的间隙为2 mm，经多次实验验证，满足运行需求。

在动力方面，采用直流减速电机驱动，电机输出轴直接与主动胶轮相连接，如图3所示。传送带利用摩擦传动，因其结构形式限制，预紧力不宜过大，故采用增大摩擦面积的方式提高摩擦力所传递的扭矩。在传送带紧边外侧设置一个(预紧轮)导向轮，既可以增大包角，也可以在规定范围内保证力不变。

图3 驱动及预紧单元结构

如图3所示，传送带的预紧形式为摇臂形式，主要由底座、摇臂、弹簧、导向轮等组成。摇臂的底部安装两个弹簧。通过弹簧的压缩，产生向上的推力，导向轮压紧传送带实现预紧。导向轮有轮缘，防止传送带跑偏。

2.2 视觉识别模块设计

垃圾的识别采用机器视觉识别技术，考虑到脱机运行、工作周期、数据的处理速度等因素，选用OpenMV机器视觉模块[3]。为了扩大视野范围，OpenMV配置了广角镜头，安装在分类投放装置的转盘初始位置正上方。同时，垃圾分类装置内部设计有光源，为视觉识别提供光源，避免外界环境光的影响。

基于 BP 神经网络，建立了不同环境下的特定专属数据库，使数据库内容完善，提高垃圾识别的准确率。图4为实验测试过程中的部分垃圾训练图片。从图中可以看出，训练的垃圾主要有电池、矿泉水瓶、苹果、砖块，基本涵盖了害垃圾电池、厨余垃圾、可回收垃圾等种类。

图4 针对不同种类垃圾的训练

2.3 分类投放装置设计

分类投放装置由半圆转盘和拨板组成，物品的分类投放利用转盘和拨板的差角运动实现，如图5所示。

图5 分类投放装置

为保证拨板与转盘之间的同轴度，避免在转动时发生干涉或间隙改变的现象，其整体结构采用同轴贯穿式安装，如图6所示。

图6 分类投放装置同轴贯穿式结构

拨板通过轴承支撑在阶梯轴的轴肩上，形成转动副。减速电机通过挠性联轴器与D型转接轴连接，转接轴和拨板连接，将减速电机的动力输出给拨板。转盘固定于阶梯轴，阶梯轴与转盘之间采用D型轴与轴肩组合作用，提供定位。阶梯轴下方为两个带轴承的轴承座，承担轴向载荷及扭矩。轴承座通过转接件固定于横向安装梁上。转盘的动力输出为下侧的减速电机，同样采用挠性联轴器进行连接。

3 智能垃圾分类装置原理样机

原理样机采用模块化设计组装，框架采用铝型材搭建而成，原理样机如图7所示。

图7 智能垃圾分类装置原理样机

运行时，不同种类的垃圾通过投放口投放到分离装置传送带上，投放口处的光电开关输出1-0-1的信号，分离机构的单片机接收到信号后，执行差时同速运动。当物品掉落到分类投放装置的转盘后，OpenMV执行拍照识别程序，将垃圾类别判定信号以串口通信的方式发送到该部分的STM32单片机内。通过预设的路径，转盘与拨板执行对应角度的运动，将不同种类的垃圾投送到对应的垃圾桶内，实现垃圾分类。

原理样机搭建之后，对电池、矿泉水瓶、苹果、砖块、香蕉皮、烟头等不同类别的垃圾进行了实验测试。实验结果表明，垃圾分离装置能有效对不同种类的垃圾进行分离，视觉识别的准确率超过95%，投送装置运行稳定可靠。

4 结语

针对垃圾分类的需求，本文提出了一种具有自主分离功能的智能垃圾分类装置。该装置利用多个并行布置传送带的差时同速运动对同时投放的不同种类的垃圾进行分离，采用机器视觉对垃圾的种类进行识别，采用转盘与拨板的差角运动方式对不同种类垃圾进行分离投放。实验表明，设计的垃圾分类装置识别准确率超过95%，分离、投送装置运行稳定可靠。