作者：盧智浩 尹宗岱 胡文珺 付文智 陳星

單位：江漢大學(xué)

指導(dǎo)老師：侍中樓 李巍

? ? ? 本作品圍繞探索者場景和應(yīng)用主題，基于當今時代“智能家”的快速發(fā)展，智慧生活成為未來的一大發(fā)展趨勢，因此我們設(shè)計了此款可移動式智能垃圾桶，同時增加了自動打包套袋功能，提高了人們生活的舒適度。為達到使用需求，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，本作品設(shè)計了齒輪傳動、負壓傳動、擺動導(dǎo)桿、安裝熱熔桿等方式，從而實現(xiàn)開蓋和自動打包套袋功能；同時運用了語音交互技術(shù)實現(xiàn)了人機交互功能，并能自動避障巡航移動。該設(shè)計作品是一款典型的機電融合產(chǎn)品，是機械設(shè)計制造、電子控制的綜合應(yīng)用體現(xiàn)，不僅可以通過人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)垃圾桶的自動巡航移動，而且還能夠自動打包套袋，在未來具有良好的市場前景。

一、作品簡介

1. 概述

? ? ? 通過對2022年國際青年人工智能大賽--探索者創(chuàng)新設(shè)計項目主題--機器人場景和應(yīng)用的思考，并結(jié)合日常生活和市場調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)目前家用垃圾桶只存在于固定位置，而且還需要人工去打包套袋，既不方便也不衛(wèi)生，基于以上內(nèi)容我們設(shè)計了此款智能垃圾桶，以提高人類生活舒適度。

? ? ? 本作品主要由打包套袋、語音呼喚和紅外避障三個功能模塊組成，由探索者套件為主體拼裝而成，主要為鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合日常目前只設(shè)計了這三種功能，后續(xù)可根據(jù)需求繼續(xù)改善。本作品源于生活的實際需求，圍繞大賽機器人的場景和應(yīng)用進行設(shè)計，符合實際、有效可行、市場適應(yīng)性強。

1.1設(shè)計背景及意義

（1）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義

? ? ? 在國外智能垃圾箱研究脈絡(luò)中，2006年初步意識到廢電池、廢玻璃的回收利用；2007年開始探悉射頻技術(shù)在垃圾箱上的應(yīng)用；2014年開始展開對垃圾智能回收相關(guān)算法的初步探索；2016年轉(zhuǎn)向單片機、物聯(lián)網(wǎng)研究；而國內(nèi)于2000年時開始研究垃圾箱智能化系統(tǒng)；2009年初步探索全自動智能垃圾分類機；2015年開始關(guān)注智能分類垃圾箱的探索；2016年、2017年拓寬智能分類的研究思路，從多角度分析智能垃圾箱的優(yōu)化及改造并持續(xù)至今。

? ? ? 自2019年我國正式實施、推廣垃圾分類以來，智能垃圾桶運用于垃圾分類領(lǐng)域的進程明顯加快，大大緩解了我國分類垃圾桶只是貼有標簽的普通垃圾桶，需人為識別垃圾種類，垃圾分類投放的正確率較低的問題。近年來我國相關(guān)科研、專業(yè)人員就智能垃圾桶應(yīng)用于垃圾分類提出了軟件、硬件方面的技術(shù)性解決方案。

? ? ? 對比國內(nèi)外智能垃圾箱研究脈絡(luò)，整體而言，國內(nèi)外智能垃圾箱發(fā)展思路大致無異。國外是以射頻技術(shù)打開智能垃圾箱的探索局面，而國內(nèi)自始至終都在嘗試解決垃圾分類問題。國內(nèi)智能垃圾箱的設(shè)計較多局限于功能性的研究，嘗試使用功能改變行為，較少考慮產(chǎn)品的交互性和用戶友好層面的設(shè)計，而國外學(xué)者在關(guān)注上述問題的同時也嘗試通過行為改變垃圾投放者的意識。

? ? ? 然而，國內(nèi)外的智能垃圾桶目前大多只停留在解決室外垃圾分類的問題，而忽視了針對智慧生活方面基于人類家居生活的智能垃圾桶方面的研究，因此如何去使人們的生活變得更加便捷是我們設(shè)計的初衷。

（2）特殊背景調(diào)研

? ? ? 當今中國人口老齡化是一個普遍的社會現(xiàn)象，我國對老年人產(chǎn)業(yè)的投入也在逐年遞增， 老年人消費群體體量也在逐步擴大，我們設(shè)計的這款垃圾桶也可以很好地服務(wù)于老年人的日常生活中，在未來會有著極好的發(fā)展前景

1.2設(shè)計方案

2. 場景調(diào)研

2.1 市場調(diào)研

? ? ? 通過對市面上已有的家用垃圾桶進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分垃圾桶的智能化只停留在自動感應(yīng)開關(guān)蓋的層面，它們的功能仍不夠完善。

如下圖所示：

? ? ? 經(jīng)對比后可明顯看出，目前市面上缺乏一種能夠移動并自動打包套袋的智能化垃圾桶，因此如果能設(shè)計出這樣一款工作高效、便捷的移動式垃圾桶將有著良好的市場應(yīng)用前景。

2.2 比賽場地調(diào)研

? ? ? 在當今社會中，一般家庭中的垃圾桶數(shù)量可到四至五個，而我們?nèi)粘安]有達到如此龐大的需求量，每個垃圾桶又需要套袋和人工打包，不僅造成較大的鋪張浪費而且還費時費力；同時目前市面上家用的智能垃圾桶仍然無法自行移動，只存在于一個特定的位置，且造價昂貴，人為移動較為困難，難以適應(yīng)復(fù)雜的家居條件。

3. 作品創(chuàng)新點及應(yīng)用前景

3.1創(chuàng)新點

① 自動打包套袋

? ? ? 設(shè)計新型剪切機構(gòu)，可連續(xù)對垃圾袋進行剪切封口，使之具有更安全、更衛(wèi)生的設(shè)計。同時垃圾箱外設(shè)有氣壓傳動回路，使垃圾袋上下產(chǎn)生壓力差，上面壓力大，箱內(nèi)壓力小，從而將垃圾袋壓入垃圾箱內(nèi)，實現(xiàn)自動套袋的功能。

② 箱蓋設(shè)計

? ? ? 垃圾箱開蓋投物處，采用齒輪設(shè)計達到開蓋動作平滑、流暢、及時的目的。開蓋取袋處，采用擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，以雙舵機作為動力源，使開蓋取袋更加安全、平穩(wěn)。

③ 智能管理

? ? ? 垃圾桶內(nèi)部加入電控模塊以便更好地對垃圾桶自身進行智能管理和遠程操作。同時采用語音識別模塊和紅外模塊，能夠?qū)溥M行呼喚使其移動到相應(yīng)位置。

3.2 應(yīng)用前景

? ? ? 本作品設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，可適用于普通居民家庭，對生活垃圾清點和整理，解決了當前社會上垃圾收集基本依賴于人工，耗費大量人力，時間成本高，效率低下的問題，同時結(jié)合人機交互系統(tǒng), 實現(xiàn)了手機端對垃圾箱的遠程通信和控制功能。作為未來智能家居的一個有機組成部分，該產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)不僅可以為人類提供生活上的便利，而且具有極強的市場應(yīng)用及推廣前景。在實際應(yīng)用過程中，該設(shè)計作品仍存在語音識別易受環(huán)境噪聲干擾等問題，未來需進一步改進。在將來的應(yīng)用中，可以構(gòu)建對智能垃圾桶的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對垃圾投放情況進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，為垃圾收集整理工作提供更加便捷、智能化的服務(wù)，而且更加衛(wèi)生安全，有著良好的市場前景。

4. 作品難點及解決方案

4.1垃圾箱主體的平穩(wěn)移動

① 平穩(wěn)移動的難點

? ? ? 最初，我們采用四個減速電機作為動力源，發(fā)現(xiàn)會增加垃圾桶運動方向的控制難度。同時，由于垃圾桶自身的重量會導(dǎo)致電機的輸出軸和地面無法保持平行，無形中又增加了運動的不平穩(wěn)性。

② 平穩(wěn)移動的解決方案

? ? ? 最終，我們留下垃圾桶底部后方的兩個減速電機作為動力源，降低了垃圾桶運動方向的控制難度，并在動力源中間和垃圾桶底部正前方各加上一個牛眼萬向輪作為支撐，防止出現(xiàn)電機的輸出軸與地面不平行的現(xiàn)象，“四輪成面”使運動更加穩(wěn)定。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

4.2 移動切斷桿的順滑移動

① 順滑移動的難點

? ? ? 最初，我們采用的是3D打印件結(jié)合光桿螺栓而成的滑動連接件（如下圖所示），在鋁型材的梯形槽內(nèi)往復(fù)運動從而實現(xiàn)移動切斷桿將垃圾袋聚攏到電熱絲所在位點的作用。后來發(fā)現(xiàn)滑動連接件由于和梯形槽之間的配合度不夠?qū)е旅看我苿訒r都會在梯形槽內(nèi)產(chǎn)生具有方向性的力從而導(dǎo)致切斷桿鎖死，無法將垃圾袋聚攏或無法正常返回到初始位置。

? ? ? 因此，我們通過sw三維建模設(shè)計出與梯型槽完全配合的連接件（如下圖所示），經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)與梯型槽摩擦力過大導(dǎo)致其產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，無法移動。

② 順滑移動的解決方案

? ? ? 在經(jīng)過多次嘗試之后，我們最終采用了能夠在梯形槽內(nèi)順滑移動且不會產(chǎn)生鎖死現(xiàn)象的零件--角碼，再結(jié)合3D打印件與移動切斷桿相連接，最終避免了切斷桿移動時自鎖現(xiàn)象的發(fā)生。具體結(jié)構(gòu)如下：

4.3 垃圾箱內(nèi)腔的密封

① 密封的難點

? ? ? 最初，我們采用的是用瓦楞紙板制作而成的箱體（如下圖所示），由于紙板本身存在許多肉眼不可見的間隙，再加上剪裁時的精準度不高，在理論上完全密封的情況下仍無法使垃圾袋通過壓差正常套袋。

??????? 之后，我們采用亞克力板制作而成的箱體（如下圖所示），通過熱熔膠密封，在關(guān)蓋之后氣密性顯著提高，但仍達不到預(yù)期效果。

② 密封的解決方案

? ? ? 最終，我們在用熱熔膠密封亞克力板的基礎(chǔ)上，在上蓋與箱體接觸面上安裝一圈密封橡膠墊，并控制抬升舵機在最初時給上蓋一個向下的作用力，進一步提高了密封的效果，實現(xiàn)了垃圾袋自動套袋的目標。

4.4 超聲波測距避障

① 超聲波測距避障的難點

? ? ? 起初運用超聲波進行測距避障，在測距避障過程中出現(xiàn)了0.00cm情況（如下圖所示），在實際情況中幾乎不可能出現(xiàn)，在反復(fù)確認零部件沒有問題之后，發(fā)現(xiàn)程序出現(xiàn)問題需修改。在實際測試時，發(fā)現(xiàn)避障并不能更好的實現(xiàn)，當超聲波檢測到距離時，不能按照我們預(yù)想的方向去避障。

② 超聲波測距避障的解決方案

? ? ? 我們通過不斷的測試，發(fā)現(xiàn)在每次測距時，都需要有一個延時來給下一個超聲波的發(fā)出和接受提供時間，解決了出現(xiàn)0.00cm的問題。

如下圖所示。

? ? ? 同時在超聲波下面安裝了舵機，當距離到達預(yù)設(shè)值時，舵機會帶動超聲波左右轉(zhuǎn)動，通過比較兩邊的長度，選擇障礙物較遠的那一邊轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)避障。

二、技術(shù)說明

1. 移動避障

? ? ? 智能垃圾桶的運動是本作品的基礎(chǔ)內(nèi)容，整個垃圾桶的運動過程可分為：識別聲音、開始運動、自動避障。

1.1簡單運動

? ? ? 整個垃圾桶是依靠兩個驅(qū)動輪加兩個牛眼萬向輪實現(xiàn)運動和轉(zhuǎn)向的，兩個后輪是驅(qū)動輪，通過控制兩后輪的轉(zhuǎn)速形成轉(zhuǎn)速差從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能；兩個牛眼萬向輪是起支撐和傳遞運動的作用，使垃圾桶平穩(wěn)運動。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1.2 自動避障

? ? ? 采用超聲波技術(shù)，它的根據(jù)是接收器接到超聲波時的時間差，與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。將超聲波與電機結(jié)合，轉(zhuǎn)動檢測周圍障礙物進行判斷，通過接收到的超聲波反饋信號給兩個后輪，改變兩輪轉(zhuǎn)速，使目的方向一側(cè)的轉(zhuǎn)速減小從而實現(xiàn)避障的功能，使垃圾桶更加智能。

1.3 語音呼喚

? ? ? 采用了基于helios-adsp新一代中大詞匯語音識別協(xié)處理方案的語音識別專用芯片HBR740，非特定人語音識別技術(shù)可對用戶的語音進行識別，支持中文音素識別，可任意指定中文識別詞條（小于8個漢字），單次識別可支持1000條以上的語音命令，安靜環(huán)境下，標準普通話，識別率大于95%，可自動檢測環(huán)境噪聲，噪聲環(huán)境下也能保證較好的識別率。

2. 箱蓋開合

2.1 投物

（1）箱蓋開合可行性分析

① 小箱蓋零部件：一個M01標準舵機、主動和從動齒輪各一個、小蓋子。

② 齒面彎矩強度計算：

? ? ? 將蓋子看成懸臂梁，重約G=mg=0.05*10N=0.5N，力臂b=19cm，M01標準舵機最大扭矩Tmax=2.2kg·cm=22N·cm，主動齒輪齒數(shù)Z1=30，從動齒輪齒數(shù)Z2=16。

? ? ? 扭矩的校核：蓋子在最低端時，舵機臂受力是最大的，此時扭矩也最大，故取這一點進行計算即可：

? ? ? 由1個舵機臂支撐則：

? ? ? F=G=0.5N

? ? ? T=F*b=0.5*19N·cm=9.5N·cm

? ? ? T 出 max=T 入 max*Z2/Z1=22*16/30N·cm=11.7N·cm

? ? ? 則：T<T 出 max，故舵機能夠提供相應(yīng)扭矩，符合要求

? ? ? 自由度的校核：P=3N-2L-H，其中P為自由度、N為機構(gòu)數(shù)、L為低幅數(shù)、H為高幅數(shù)。則P=3*2-2*2-1=1，合理。

? ? ? 綜上所述，小箱蓋可以正常開合。

（2）箱蓋的工作流程

? ? ? 小箱蓋的設(shè)計是為了將垃圾桶封閉防止像家用傳統(tǒng)垃圾桶那樣造成異味擴散，具體的流程圖如下所示：

2.2 取袋

（1）箱蓋開合可行性分析

① 大箱蓋零部件：兩個M01標準舵機、兩個舵機臂、大蓋子。

② 機械手彎矩強度計算：

? ? ? 將蓋子看成懸臂梁，重約G=mg=0.4*10N=4N，力臂a=8.5cm，M01標準舵機最大扭矩Tmax=2.2kg·cm=22N·cm

? ? ? 扭矩校核：蓋子在最低端時，舵機臂受力是最大的，此時扭矩也最大，故取這一點進行計算即可：

? ? ? 由兩個舵機臂支撐則：

? ? ? F1=F2=1/2*G=2N

? ? ? T=F1*a=2*8.5N·cm=17N·cm

? ? ? 則：T<Tmax，故舵機能夠提供相應(yīng)扭矩，符合要求。

? ? ? 自由度的校核：P=3N-2L-H，其中P為自由度、N為機構(gòu)數(shù)、L為低幅數(shù)、H為高幅數(shù)。

? ? ? 則 P=3*3-2*（3+1）-0=1，合理。

? ? ? 綜上所述，大箱蓋可以正常開合。

（2）箱蓋的工作流程

? ? ? 大箱蓋的設(shè)計是為了方便用戶將打包好的垃圾袋取出，具體流程圖如下所示：

3. 打包p套袋

? ?? 自動套袋的執(zhí)行機構(gòu)采用負壓泵產(chǎn)生氣壓差實現(xiàn)運動過程，其傳動機構(gòu)就是一整套氣壓回路裝置，動力源是氣泵。自動打包的執(zhí)行機構(gòu)是夾持桿和電熱絲，其傳動機構(gòu)是環(huán)式的同步帶傳動，動力源是電機。

3.1自動套袋

? ? ?自動套袋功能：通過氣壓回路傳動裝置、垃圾袋收納盒以及負壓泵結(jié)合實現(xiàn)，具體流程為當人取走已打包好的垃圾并蓋上箱蓋后負壓泵自動啟動，抽走垃圾箱內(nèi)部的空氣，實現(xiàn)垃圾桶的自動套袋。流程圖如下所示：

氣壓傳動真值表

3.2 自動打包

? ? ?剪切熔斷裝置的功能是將打包好的垃圾袋封口，等待自動打包動作結(jié)束后，垃圾箱蓋自動開口，方便用戶提取垃圾。

? ? ?當垃圾裝滿后，通過電機驅(qū)動同步帶動X方向切斷桿（如下圖初始狀態(tài)）和Y方向切斷桿相對運動，最后垃圾袋被擠壓到箱體角落后被箱體角落安裝的電熱絲熔斷，形成新的封口端，裝滿垃圾的部分同時被封口，可以直接取出，具備很好的實用性。

4. 所用電子元件展示

4.1 距離測量傳感器

? ? ? GP2Y0A02YK0F是由PSD（位置靈敏探測器）、IRED（紅外發(fā)射二極管）和信號處理電路集成而成的測距傳感器單元。由于采用三角測量方法，物體反射率的變化、環(huán)境溫度和工作時間對距離檢測不易產(chǎn)生影響，該裝置輸出與探測距離相對應(yīng)的電壓，所以這個傳感器也可以用作接近傳感器。

? ? ? 在智能垃圾桶中該傳感器用于測量人手與垃圾桶口的距離，以便在人手接近桶口去丟垃圾時及時打開垃圾桶桶蓋。

4.2 人體紅外感應(yīng)電子模塊

? ? ? HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。

? ? ? 在智能垃圾桶中該模塊用于檢測人體位置，以便準確到達人體附近。

4.3 語音識別模塊

? ? ? LD3320芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，即可以實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。并且識別的關(guān)鍵詞語列表是可以動態(tài)編輯的?；贚D3320，可以在任何的電子產(chǎn)品中，甚至包括最簡單的51作為主控芯片的系統(tǒng)中，輕松實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。

? ? ? 在智能垃圾桶中該模塊用于進行人桶交互。

4.4 超聲波傳感器

? ? ? HC-SR04超聲波傳感器配有超聲波發(fā)射器和接收器模塊，使用聲納來確定物體的距離，就像蝙蝠一樣。它提供了非常好的非接觸范圍檢測，準確度高，讀數(shù)穩(wěn)定，易于使用，其操作不受陽光或黑色材料的影響。

? ? ? 在智能垃圾桶中該傳感器用于使垃圾桶避開各種障礙物。

4.5 升壓模塊

? ? ? DC-DC可調(diào)升降壓電源模塊可以改變輸出電壓的模塊，通過扭動模塊上的微調(diào)電位器，實現(xiàn)調(diào)整輸出電壓的大小。

? ? ? 在智能垃圾桶中該模塊用于調(diào)節(jié)電壓大小，使電源電壓滿足氣泵工作電壓的要求。

4.6 控制核心

? ? ? Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的主控開發(fā)板，Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計。處理器核心是ATmega2560，同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口，16路模擬輸入，4路UART 接口，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。板上有支持一個主控板的所有資源，Arduino Mega2560也能兼容為Arduino NUO設(shè)計的擴展板。可以自動選擇3種供電方式：外部直流電源通過電源插座供電；電池連接電源連接器的GND和VIN引腳；USB接口直流供電。

? ? ? 在智能垃圾桶中該控制核心用于控制各種元件以便滿足智能垃圾桶的設(shè)計要求。

三、程序代碼

1. 示例程序

2. 資料下載

資料內(nèi)容：

①程序源代碼

②樣機三維文件

資料下載地址：隨叫隨到的智能垃圾桶 https://www.robotway.com/h-col-261.html