基于自动分离式的垃圾桶改良设计研究

徐 权 唐诗宇 严亦桢 窦婉瑜 上海工程技术大学

近年,为保护环境,减少土地资源消耗,各大城市纷纷响应政府号召,实施垃圾分类。如今,垃圾分类已经成为生活中不可或缺的一部分。然而,现有的分类垃圾桶仅仅只针对垃圾的收集,并不能很好的满足现在人们投掷垃圾过程中的各类需求。《便于智能化管理的公共垃圾桶的设计与实现》一文中指出,目前所使用的传统垃圾桶露天放置,容易散发异味和滋生细菌,甚至污染环境,基于此现状论文中提出垃圾桶的智能化管理。刘鹏在其设计中指出:目前市场上的家居垃圾桶都是放置在特定位置。特别是对于老人、孕妇或者残疾人等特殊人群来说,存在着不便、费时、费劲等问题。作者从通过语言控制垃圾桶运动的办法提出了改进意见。从现有研究来看,家用垃圾桶及公共垃圾桶主要朝着智能方向进行改进,而对于垃圾分类操作过程的改良却相对薄弱。本项目针对目前干垃圾及湿垃圾的丢弃方式,设计一款具备高效率解决干湿分离、干垃圾体积压缩等功能的自动分离式垃圾桶。

随着经济的飞速增长,中国城市垃圾产生数量日益增多。截止2019年,全国200个中、大城市的生活垃圾产量高达23560.2万吨。大量的垃圾焚烧和填埋所带来的环境污染和资源浪费问题逐渐影响着人们的生活。为保护环境,减少土地资源消耗,2017年,中国国务院办公厅转发《生活垃圾分类制度实施方案》,2019年1月31日,上海率先推出国内首个垃圾分类地方性法律法规:《上海市生活垃圾管理条例》。

垃圾分类是指按一定规定或标准将垃圾分类储存、分类投放在四分类垃圾桶中,然后进行分类搬运,从而转变成公共资源的一系列活动的总称。然而,应对垃圾分类的实施,现有的垃圾桶设计仅仅通过多数量的摆放来对垃圾进行分类放置,在外观上难以轻松识别,在功能性方面也不能满足人们的需要。

从垃圾桶的使用地点及容量大小,可以将垃圾桶分为家用垃圾桶及公用/商用垃圾桶两类。家用垃圾桶为普通居室内使用的小型垃圾桶,如图1所示,相对体积小,容量小。公用/商用垃圾桶则定义为针对室外饮食店、商店或者公共聚集地所使用的中大型垃圾桶,如图2所示。从调研来看,家用垃圾桶大多只有开盖和收口的简单功能。商用垃圾桶仅有存储垃圾的基本功能。

图1 家用垃圾桶

图2 公用垃圾桶

从实际观察两类垃圾桶的使用情况和后期处理过程来看,垃圾桶主要具备以下问题:干垃圾相对体积庞大,在处理过程中需耗费大量的人力去处理减少垃圾的体积;而湿垃圾往往有很多水分,不仅在运输过程中易产生垃圾渗滤液的污染,同时水分容易导致快速变质,散发出恶臭;同时,还有最重要的饮食中的干湿垃圾分离问题等等。其中,在使用公用/商用垃圾桶时,由于干湿分类较为花费人工,导致在丢弃过程中,直接将装有湿垃圾的容器丢入干垃圾桶的案例非常多。

通过对上海松江大学城学生三期、四期宿舍以及周边的商用垃圾桶进行调研,针对垃圾分类的政策,垃圾桶本身并没有提高对应的功能性,反而导致垃圾后期处理的人工需求增大。特别是公共场所的垃圾桶,由于垃圾收集速度较比居家生活垃圾更快,导致较多垃圾根本无法正确分类。与此同时也降低了居民们对于垃圾分类的积极性。

分类垃圾桶是垃圾分类的衍生物,也是进行垃圾分类时的必要载体。目前中国城市主要采用了两种规格的分类垃圾桶,一种是三色标识的分类垃圾桶,分别为可回收(绿色)、不可回收(黄色)、有害(红色)垃圾;一种是四色标识,可回收(蓝色)、厨余(绿色)、有害(红色)、其他(黑色或灰色)垃圾。无论哪一种,垃圾桶的设计都是单纯的通过颜色或标示来进行划分,对于垃圾投掷的功能性上并没有进行区别。

基于使用场景的垃圾桶大致可分为5类(表1)。针对公司内部及家居等人流量较少的场合,由于使用目标相对较为明确,垃圾种类也较为单一,所以出现了各种家用的智能垃圾桶。目前,家用智能垃圾桶大多包括:自动感应开盖、垃圾桶的移动等较低层面上的智能。针对丢弃垃圾行为模式,或者垃圾分类上的智能功能则比较少见。

表1 基于使用场景的垃圾桶分类

在商场的室内以及各种需要一定视觉设计的场合,则多使用的是简约而又实用的垃圾桶。大多以金属色彩作为基调,加上一个侧面的投放口或是上方的翻盖投掷的方式。商场中不会出现小吃店,一般情况下也不会出现边走边吃的现象,所以商场中大多只设置有干垃圾桶。但是随着奶茶产业的发展,各大商场中的奶茶店也在不断增加,未饮用完的奶茶及奶茶容器则需被区分成干湿两种垃圾,商场内如果只有干垃圾桶,则后期垃圾分类处理的问题也会逐渐暴露出来。

另外,还有一种较为特殊的是医用垃圾桶。在医院和实验室中,不止需要普通的干湿垃圾桶,还有处理各种携带细菌病毒等特殊垃圾的医疗废弃物的垃圾桶。这种场合下使用的垃圾桶就更需要考虑垃圾分类的设计,应该在设计上能最大限度地保证清洁。然而,目前在医院等场所使用较多的医疗废弃物垃圾桶仅采用最简单的翻盖式或者桶式垃圾桶。

市面上被使用的最为普遍的是传统的深桶设计,仅靠颜色和图案来起到垃圾分类的作用。不仅成本极低,而且还不便于清理人员进行处理(图2)。当然这种垃圾桶并不会出现在中高端商场的室内,更多的是起到区域垃圾收集的作用。一般在小区、学校等一定区域内的垃圾点使用。除了使用场景的分类以外,还可以通过垃圾类型对垃圾桶进行分类。在垃圾分类的大要求中,有一项使用率较低的有害垃圾。在绝大多数情况下,有害垃圾桶只会在区域垃圾站点中出现,并且数量较少。有害垃圾的生产并非像其他垃圾那么频繁,大多都是在居民家中产生的各种损坏的电器之类,所以使用率较低,其垃圾桶的设计也与干湿垃圾桶保持一致。

从现有各种类的垃圾桶及其设计的优缺点来看,垃圾分类标准与分类垃圾桶及其附属功能的设计是在国内推行垃圾分类处理的两大瓶颈。结合国内外垃圾处理方式以及分类垃圾桶的研究与应用,国内现有的垃圾处理方式和分类垃圾桶的设计还存在一定的不足。垃圾分类政策和分类垃圾桶的设计是相辅相承的,目前国内重视政策,但是对垃圾分类设施的设计明显滞后。

现有智能垃圾桶大多用于家用或办公室内,针对不同的功能,可将智能垃圾桶大致分为以下几类:

首先,较多的智能垃圾桶是为了解决垃圾的异味的问题。市面上大多的智能垃圾桶都是开盖式,将垃圾桶完全密闭,以减少异味的传出。但如此一来,垃圾桶的开盖方式成为需要解决的问题之一。以下是市场上的智能垃圾桶的几种开盖方式。

感应式开盖,大多是利用红外线感应功能,感应人手部或膝部的靠近动作,从而打开盖子,减少人弯腰动作的时间。用于厨房、卫生间较多,能够有效减少细菌的传播。

触碰式开盖,脚踢动作等进行开关。可以在一定程度上减少对垃圾桶的直接接触,减少弯腰时间和细菌传播。

语音识别功能,声音识别开盖,部分产品搭载了智能AI技术,能够与用户产生简单的互动,产生趣味性。

其次,垃圾桶的智能功能针对垃圾袋的整理、替换、打包等功能。这需要弯腰动作,并增加接触垃圾和细菌的可能性。针对该问题,市面上的智能垃圾桶也具备不同的解决办法。

智能打包功能,用热塑封技术打包垃圾袋提起,垃圾袋被拿走后,利用风力系统吸附更换垃圾袋。减少人工更换垃圾袋的时间,减少弯腰动作,同时,在厕所中使用时,能让换袋动作更具备私密性。

利用抽绳式收口的垃圾袋进行半自动打包。设置好抽绳的位置,可自动将抽绳抽出,并将抽绳放在垃圾桶外部。扔垃圾时直接在垃圾桶外拉抽绳,即可拿起垃圾袋。

除了垃圾桶的开盖和垃圾袋的包装上的智能,还有对于容量的检测,例如超声波容量检测等。能够及时检测垃圾桶容量并及时更换垃圾袋。防止垃圾久放,产生异味。

从智能垃圾桶的分类和目前的技术来看,市面上的智能垃圾桶没有被普及。针对现在的垃圾分类问题,智能垃圾桶并没有实时地提出新的改良设计方案。针对用户垃圾分类的行为,智能垃圾桶并没有很好地解决该问题。

基于垃圾分类的社会背景及各类垃圾桶的发展现状,本设计以公用/商用垃圾桶为改良对象,针对干湿垃圾分离的问题设计一款自动分离式垃圾桶。用于加强干湿垃圾分离的效率。

4.1 设计目的

为积极响应国家对于垃圾分类及环保的号召,减少人们对垃圾进行分类时的时间损耗,提高后期垃圾处理的效率,降低后期处理的人工需求,将自动化、智能技术与垃圾桶结合,利用机械臂、电机等部件组装设计一个分离式垃圾桶。与常规垃圾桶相比,本设计能够自动分离包含了湿垃圾的不同大小的包装类垃圾,实现干湿垃圾的自动分离,为垃圾处理提供便利,同时也提高了居民垃圾分类的积极性。

4.2 分离式技术

圾桶整体结构包括固体垃圾桶、液体垃圾桶、转动台以及杯托架。分离式垃圾桶的核心技术为固液分离,主要实现部分为图3中展示的杯托架。

图3 分离式垃圾桶结构图

如图3所示,对垃圾进行分离步骤操作的部件主要是转动台和杯转动台上设置了一个转动座,可以进行水平平面360度旋转。在转动座中安装了一个转动杆,转动杆可以竖直平面内180度转动,在转动杆末端设置有转动块,转动块可以水平平面360度旋转,杯托架安装在转动块上。同样,杯托架也是可以于竖直平面内180度转动。杯托架设计为常规杯型结构,在杯托架的底部设置有压力感应板,压力感应板与压力传感器相连。当将盛有液体的杯子放入杯托架,压力感应板感受到一定的压力后控制转动杆,使其上端移动至液体垃圾桶的投放槽,待转动杆停止运动后,杯托架沿竖直方向向投放槽内倾斜。待液体全部倒入液体垃圾桶后,杯托架沿原路回到竖直状态,压力感应器复核是否还需要进行再次倾倒,如若压力感应器感应到的数值处于空杯区间内,则转动杆沿竖直平面移动,转动座进行小幅度旋转,使转动杆上端移动至固体垃圾桶的投放槽,杯托架大幅度倾斜,使空杯掉入固体垃圾桶中,自动化干湿分离技术完成。

4.3 垃圾桶的其他功能

在固体垃圾桶中设置有垃圾袋在液体垃圾桶侧面设置有排液口,转动台上设置转动座,在转动座中安装有转动杆,在转动杆末端设置有转动块,杯托架安装在转动块上,转动杆、转动块均由电机驱动,电机与控制器电性连接。固体垃圾桶侧面设置清理口,在清理口中设置有上下伸缩式的挡板,挡板通过弹簧安装在清理口上侧的收缩槽中。挡板能够手动上下抽拉,从而方便对垃圾桶内部的垃圾袋进行更换。两垃圾桶中间设置转动台等部件,实现对于便利店、咖啡厅等场合中使用的一次性杯子自动化处理,将杯子放入杯托架后人便可离开,由电机与控制器完成后续倾倒液体及干湿分离等操作。

图4 垃圾桶内部结构示意图

4.4 垃圾桶方案展示

如图5所示,为本次设计的整体垃圾桶方案。此方案适用于便利店、咖啡厅及轻量饮食的商店,主要功能为杯型物体的自动干湿分离。

图5 自动分离式垃圾桶效果图

当投入湿垃圾时,使用者将装有湿垃圾的杯子放入杯托架中,便可先行离开(杯托架高度按平均身高制定)。杯托架受到压力后开始水平移向湿垃圾投放槽口外侧,再通过竖直移动使其高度与投放槽位于同一水平面,随后向投放槽内倾倒。此步骤完成后,杯托架恢复成竖直状态,移动至干垃圾投放槽口,并向内大幅度倾斜,最终回到待投放的位置,实现了一次干湿分离的行为。通过自动化干湿分离技术实现了垃圾的干湿分离,在减少后期人工处理需求的同时为人们提供一定的便利。同时,干垃圾的压缩功能也能够提高垃圾桶的容积率,减少垃圾袋的使用,从而达到环保的目的。

2018年习近平总书记在上海考察时强调,垃圾分类工作就是新时尚。对城市生活垃圾进行源头分类,是实现垃圾减量化、资源化和无害化的重要手段和环节。设计中提出的固液分离式垃圾桶,主要针对饮食类商用店铺,可以减少使用者手动操作,直接对干湿垃圾进行分类回收。同时,干垃圾也能进行压缩操作,增加干垃圾桶的存储量。针对商用垃圾桶的需求,符合现代人的生活习惯,并有助于减少消耗,利于环境保护。本次设计存在一定的不足:干湿分离局限在饮品、小食容器类,针对不同类型的干湿垃圾物品,在分离技术上还需要进一步的进行改进。

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