具有黏滞物分离功能的智能垃圾桶结构设计_林千琪.pdf

MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师具有黏滞物分离功能的智能垃圾桶结构设计林千琪，汪筠博，战秋成，邹磊（哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080）0引言现代社会对普及垃圾分类的需求正日益增加，实施生活垃圾分类将在极大程度上促进经济的可持续发展。垃圾分类的主要目的在于从源头上控制垃圾对环境造成的污染，同时提高废弃物的回收利用率。目前生活垃圾分类的自动化与智能化程度普遍较低，社区层面的垃圾分类仍主要依靠居民个人自主进行；但受制于个人行为习惯固化以及地域发展水平差异等因素，导致生活垃圾整体的分类效果并不理想。在向居民普及垃圾分类常识、强化居民垃圾分类意识的同时，设计开发兼具自动化与智能化特点的垃圾处理装置也将在很大程度上促进生活垃圾分类的普及进程，同时也是改善垃圾分类准确度、提升分类效率的重要手段之一。1智能垃圾桶的结构设计本文提出了一种针对社区生活垃圾分类的智能垃圾桶，其外观结构如图1所示，该装置主要由桶身、顶盖、侧盖、垃圾存储盒（设置于桶身两侧，包括黏滞物存储盒与固态废物存储盒），以及通用垃圾桶等构成。智能垃圾桶内设置有各类不同的功能机构，如图2所示，包括分拣抓取机构4、振筛分离机构与离心分离机构；其中，振筛分离机构负责对投入桶内的垃圾进行初步的振筛分离；此过程中，在持续振动的作用下，较小尺寸的垃圾将直接自振筛板落入下方的离心分离机构内，附着粘连在中大尺寸垃圾表面的小尺寸垃圾也将在此过程中逐渐实现与其他垃圾的脱离；比较易于识别与自动抓取的中大型尺寸垃圾则继续留在振筛板表面，待分拣抓取机构对其进行后续的分拣操作。振筛可在一定程度上间接促进垃圾表面黏滞物的脱离与垃圾整体的初步沥干。离心分离机构则将落入其内部的中小尺寸垃圾进行干湿分离，利用旋转运动的离心作用，将垃圾表面的黏摘要：垃圾分类过程中垃圾形态的不规则、黏滞物附着等因素都会阻碍垃圾的识别与分拣，进而制约垃圾分类效率与自动化程度的提升。针对垃圾表面黏滞物附着问题，文中提出一种具有黏滞物分离功能的智能垃圾桶，利用内置的振筛与离心机构实现对垃圾的筛分与表面黏滞物的分离，降低不同类型垃圾识别与分拣的难度，减轻环卫人员作业负担，为提升垃圾分类的效率与自动化程度提供参考。关键词：垃圾分类；黏滞物分离；振筛；离心机构；智能中图分类号:TB 47文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08006904Structural Design of Intelligent Garbage Bin with the Function of Viscous Object SeparationLIN Qianqi,WANG Junbo,ZHAN Qiucheng,ZOU Lei(Harbin UniversityofScience and Technology,Harbin 150080,China)Abstract:In the process of garbage classification,garbage recognization and sorting can be impeded by many factors likemorphological irregularity and viscous object attached on surface etc.,efficiency and automaticity improvement in garbageclassification can also be limited as a result.Aiming at the problem of viscous object attached on garbage surface,thispaper proposes an intelligent garbage bin with the function of viscous object separation,garbage sieving and viscous objectseparation can be realized by the built-in vibration sieve mechanism and centrifugal mechanism,reducing the difficulty inrecognization and sorting of different garbage and operation burden of sanitation workers,providing reference forimprovement of efficiency and automaticity in garbage classification.Keywords:garbage classification;viscous object separation;vibration sieve;centrifugal mechanism;intelligence基金项目：哈尔滨理工大学创新创业训练计划项目资助（202110214037）图1外观结构示意图1.桶身 2.顶盖 3.侧盖 4.通用垃圾桶5.垃圾存储盒54312.分拣抓取机构总成.振筛分离机构总成.离心分离机构总成图2智能垃圾桶内部功能机构示意图69MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师滞物或液态物与垃圾本体进行分离。该 智 能垃圾桶的主体框架构成如图3所示，主要由桶身、顶盖、横挡板、竖挡板、导向板等构成；横挡板与竖挡板采用紧固件与桶身连接，负责安装并承载特定的功能机构，同时也起到增强装置整体刚性的作用。装置主体框架结构的爆炸图如图4所示，横挡板与竖挡板共设置有两组，桶身两侧共设有4处开口，图1中所示的通用垃圾桶通过此处开口放置于装置内，并利用竖挡板定位；两组横挡板表面设计有镂空区，以便分拣抓取机构将拾取到的特定垃圾投入不同类型的通用垃圾桶。装置侧盖为垃圾投放口，采用上掀开启式设计，共设置有两处，分别布置在智能垃圾桶顶盖的两侧，并通过合页铰链与顶盖连接，如图2与图3所示。侧盖后方设置有导向板，垃圾经侧盖投入装置后，将沿具有一定倾斜角度的导向板滑入装置内的振筛分离机构中。相比于垂直投放，该投放方式较为平稳，可最大限度减轻垃圾在投放时对装置内功能机构造成的冲击。振筛分离机构的组成如图5所示，主要由支座、振动电动机、振筛板与弹簧悬置构成；支座为振筛分离机构的主要支撑点，通过紧固件与桶身连接，振筛板承载经导向板滑入装置的垃圾，下方安装有振动电动机，可在振动电动机的激励下产生高频低幅振动，对垃圾进行振筛分离；振动电动机共设两处，分别布置于振筛板下方两端，且轴线相互平行；机构运行时，将两电动机振动块调整为相同夹角，并控制两电动机分别向相反方向同步旋转，激振力将在水平面内相互抵消，在垂直方向相互叠加，从而驱动振筛板在垂直方向上产生持续振动。振筛板连同振动电动机通过弹簧悬置与支座实现弹性连接。振筛分离机构爆炸图如图6所示，两只振动电动机通过紧固件与振筛板连接，轴线平行且与振筛板长度方向垂直；振筛板两端设有加强筋，中心处有镂空，垃圾经导向板滑入后停留 在 振 筛 板 中心，在振动激励的作用下，较小尺寸垃圾将逐渐与其他垃圾脱离并经镂空处落入下方的离心分离机构。除促进黏滞物的排出与垃圾整体的初步沥干外，振筛分离也降低了垃圾识别与分拣的难度，为分拣抓取机构后续的顺利运行创造了有利条件。分拣抓取机构如图7所示，主要由机械臂、摄像头与材质传感器组成，机械臂与摄像头安装于顶盖内侧，摄像头位于顶盖内表面几何中心，材质传感器集成安装于机械臂前端；振筛分离过程结束后，摄像头将首先对留在振筛板表面的垃圾进行机器视觉识别，捕捉采集垃圾的位置、形态、颜色等信息，待机械臂靠 近 分 拣 对 象后，再结合前端基于TOF的材质传感器对分拣对象 进 行 材 质 辨识，辨识结果将作为视觉采集信息的补充来辅助垃圾桶的智能控制系统对垃圾的类型做出识别判定，识别成功的垃圾将由机械臂抓取并分拣至特定的通用垃圾桶。离心分离机构位于振筛板正下方，主体构造如图8所示1，该机构通过其两端的枢轴支撑安装于桶身内部的两组竖挡板之间。经振筛分离后落下的较小尺寸废弃物将由该机构进行干湿分离，促使垃圾表面的黏滞物或液态物与垃圾本体实现分离。该机构主要由外筒与内筒构成，其中，外筒为固定筒，内筒为旋转筒；离心电动机安装于机构侧方，与外筒固连，所输出转矩经带轮副减速传递后驱动内筒旋转，内筒通过轴承与外筒连接，顶端安装有投放口，投放口呈漏斗状，便于收集接取自上方振筛板落下的中小尺寸废弃物。内筒侧壁设有多处镂空，在离心作用下分离出的黏滞物或液态废弃物将通过镂空处进入固定筒，实现干湿分离。机构内外筒间的具体连接如图9所示，轴承内外圈分别通过螺钉与内筒、外筒连接；内筒与轴承内圈之间设有87654321图3智能垃圾桶主体框架1.桶身 2.顶盖 3.侧盖 4.导向板 5.横挡板 6.竖挡板 7.固态废物存储盒 8.黏滞物存储盒图4智能垃圾桶主体框架结构爆炸图1.桶身 2.顶盖 3.侧盖 4.导向板 5.横挡板 6.竖挡板 7.固态废物存储盒 8.黏滞物存储盒76541238图5振筛分离机构的组成1.桶身 2.支座 3.振动电动机 4.振筛板 5.侧盖 6.导向板 7.弹簧悬置 8.紧固件87612345图6振筛分离机构爆炸图1.支座 2.弹簧悬置 3.螺钉 4.振动电动机5.振筛板 6.螺母与防松垫片123456图7分拣抓取机构示意图（拆去离心分离机构）1.机械臂 2.摄像头 3.材质传感器 4.顶盖5.振筛板 6.通用垃圾桶65432170MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师（下转第75页）图9内外筒连接结构爆炸图1.外筒 2.内筒 3.投放口 4.引导锥 5.内筒安装螺钉 6.驱动盘 7.轴承 8.挡液板 9.轴承安装螺钉10.驱动轴 11.从动带轮图8离心分离机构的主要构成1.离心电动机 2.带轮副 3.驱动轴 4.外筒 5.内筒 6.投放口7.枢轴驱动盘，用于接收驱动轴输入的转矩并将其传递至内筒；驱动轴两端采用成型连接与从动带