导航：安全管理网>> 安全论文>> 环境保护论文>>正文

基于生态保护粪便收集处理装置机械结构设计

文档作者：张玉洁蒋东霖文档来源：长春师范大学工程学院		点击数：	更新时间： 2025年10月03日
下载地址：点击这里	文件大小： 2.06 MB 共3页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共3页]

本文件共3页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：2.06 MB 共3页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

上一篇：浓密机生产过程自动化控制在废水处理工艺…

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

结构设计
2023年第2期 Mechanical Management and Development No.2,2023
总第238期 机械管理开发 Tota2l 38
D0I:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2023.02.044
基于生态保护粪便收集处理装置机械结构设计★
张玉洁， 蒋东霖
（长春师范大学工程学院， 吉林木长春 130000)
摘要：基于保护草原生态环境的最初愿景，为了有效地解决由于粪便堆积产生的环境污染，设计出一款自动收集
处理粪便的装置。该装置采用小车作为模型基底，设计安装可实现高效自动抓取的机械手，再通过电机带动丝杠运
动将机械手所抓取的粪便传送至后方粉碎装置。储存仓设置压力传感器，当压力到达一定值时，分区域集中放置发
酵。最终达到有效收集处理，实现保护草原生态环境的最终目标。设计的处理装置，通过惠鱼编程和多方面传感器
的设置，使整体结构紧凑，装置灵活度高、反应敏捷，可以完全满足需求。
关键词：环境保护机械结构仿真分析OpenMV效率
中图分类号：TM403.1 文献标识码：A 文章编号：1003-773X(2023)02-0115-03
引言
由调查结果显示，几乎每年草原牧场都会产生粪
便堆积无人问津的问题。这些无人处理的堆积粪便会
对当地生态造成不可挽回的危害，但是由于当地人对
这个问题的认识意识不足以及没有专门处理此类问
题先进设备的原因[1-3]，该危害一直持续。基于生态保
护粪便收集处理装置的设计本质就是解决草原生态
环境由于粪便堆积造成的土壤污染和有害气体等的危
害[4-7]。在此基础上，还可以有效利用处理后的可用于
施肥的粪便，在一定程度上缓解当地人的部分经济压力。
1整体功能概述
首先在采用OpenMV采集图像识别的同时气体
传感器也发挥作用，将信号传达至Arduino信息处
理，判断信息可行性后，实现机械手抓取。抓取后通过
齿轮配合带动丝杠上下移动传送粪便，至后方暂时储
存装置时，机械手顺利投下粪便。此时，机械手回到初
始位置，再次等待信号。而粪便通过气动装置调节储
存小板角度传递到车厢储存室上方的滚子破碎机。此
过程经过多次重复，可收集到一定量的粪便。放置压
力传感器，当达到设定阈值时，传达给Arduino满载
信号，通过物联网模块将实时信息传导至计算机端，
迫使驱动电机到集中处理中心卸载，随即再次返回目
标区域重复操作。整体功能概述流程，如图1所示。
2 机械结构总体方案
经过多方案设计试验，最终选用小车模型作为基
本参照模型。在这一基础上，加以设计改进。以尽量轻
便的结构设计底座，减少驱动负载。之后针对该装置
所需要的功能，合理地设计机械结构方案。经过多次
重复试验和对比选择之后，确定了选用合适的机械手
去实现抓取任务，方便达到高效、灵活度高的完成目
Ready OpenMV采 Arduino 机械手 传送 集识别 处理信号 抓取 粉碎
重复以上 指定地点 压力传 收集进入
操作 投放发酵 感器 储存仓
图1 整体功能概述流程
的。为保证后续对于粪便的环保性、高效性处理，加以
传送装置传输所收集的粪便并利用升降储存小板和
引流板之间的配合将机械手所抓取的粪便顺利送人
粉碎装置，最终将粉碎处理后的粪便集中再处理进行
二次粉粹。这样，就会在大大提高整体效率的同时对
草原生态环境保护起到实际、有效的作用。总体结构
设计，如图2所示。
破碎装置
OpenMV(2) 中部升隆小板
主轴
M2直线电机（2级升降）
机械手（固定在MC直线电机上）
MI直线电机（伸缩控制）
后车厢引流板
气缸
OpenMV(1) 超声波模块
图2 总体结构设计
在总体设计的同时，需要考虑电机的选取使用也
十分重要。所以在动力系统电机选型方面，选择了两
款电机，分别介绍如下：
1)Encodermotor步进电机(135484)：尺寸为60
mm×30mm×30mm，内置独立计数器（增量式编码
器），最大工作电压9V，最大工作电流0.5A，最大转
速1800r/min。与ROBO接口板配合使用，可以有
收稿日期：2022-06-15
★基金项目：2021级国家级大学生创新创业项目“基于生态治理草场牧区粪便收集运输智能一体化装置（项目编号：202110205030）
第一作者简介：张玉洁（2000一），女，甘肃金昌人，长春师范大学工程学院在读本科，研究方向为机械设计。
通讯作者：蒋东霖（1979—），男，吉林长春人，副教授，高级工程师，研究方向为现代机械设计方法及理论。
.116· 第38卷
机械管理开发
jxglkfbjb@126.com
0~8速度等级，每级空载状态下参数见表1。
表1参数状态
速度等级 工作电压 工作电流/A 工作功率/W 转速 min
0.00 0.000 0.00 0
一 0.73 0.052 0.038 38
2 1.92 0.056 0.108 50
3 2.84 0.060 0.170 83
4 3.93 0.062 0.244 124
5 4.97 0.066 0.382 165
6 5.86 0.068 0.398 199
7 6.74 0.070 0.472 232
8 7.60 0.072 0.547 265
3 视觉识别
通过类比花椒采摘器视觉识别，学习将一定的卷
积神经网络模型与注意力机制这两种模型运用到粪
便收集图像采集识别8]，提高整体识别准确率，并与
气味传感器相配合，以更加高效、准确地完成定位，方
便信号传输后机械手抓取，减少失误率。
4机械手可实现抓取具体机构设计
机械手运动是通过一个电机驱动一根短的蜗杆，
这样蜗杆上的滑块就会随之运动，同时一端已经与轴
固定和另一端与滑块固定的抓手就会随之运动，通过
对约束参数的设置，使得滑块可以做往复的简谐运
动，从而使机械抓手有张合的动作。
在针对如何设计此产品机械手的时候，考虑到机
械结构是机械手的基本骨架，机械结构的好坏可以直
接影响到机械手功能的正常运作以及工作的流畅性[9]。
所以在前期设计阶段，选择多款不同类型的机械手作
抓取对比。在一般情况下，机械手是由底座、上臂、肘、
下臂和末端操作器共同构成的，基于设计本身的目的
以及多款机械手实际试验对比得出，末端操作器选用
夹持型机械手更加适合草原牧场等工作环境。所被抓
取的已风干粪便通过OpenMV采集图像识别后，经过
Arduino信号传达，夹持型机械手可以顺利抓取所被
识别的物体对象，做到敏捷、迅速、精准的抓取。机械
手模型，如图3所示。
5 传送装置基本设计原理
电机带动丝杠使机械手平稳上升，到达指定位置
时停止，使机械手转向，再进给一段距离，利用引流板
和升降小板之间的高效、完美配合，避免粪便在传递、
投掷的过程中意外漏出以及投掷定位有差异的问题。
图3 机械手模型
顺利投掷粪便至带有粉碎装置的后方储存箱内，再进
行粉碎即可。
6 粉碎装置设计及滚子模态分析
6.1 粉碎装置设计
由于气动装置调节储存小板的角度，将所收集传
递上来的粪便投放人所设计的滚子粉碎装置中。该装
置是由四个滚子组成，其中左右两侧滚子在链的作用
下两两分别向内侧转动挤压啮合。在粪便落入粉碎装
置的过程中，并不排除所收集粪便会落入两侧的可
能，但是通过这样的设计，首先落人两侧的较少一部
分粪便会被两侧滚子挤压啮合碾碎至一定大小后掉
人储存仓，若未能被粉碎至合适大小，在滚子转动的
同时，会被传送至中间滚子继续进行二次粉碎，以保
证粉碎的完全性。所以这样的装置就导致大多数被
粉碎的粪便最终都再次从中间滚子间隙二次被挤压
啮合粉碎，从而进入小车储存箱内。粉碎流程，如图
4所示。
粪便掉落至粉 滚子向内侧碾 未能碾碎的部 分粪便经滚子中间滚子进行
碎滚字上碎挤压转动滚串间二次粉碎
图4 粉碎流程
6.2 粉碎装置滚子模态分析
应用模态瞬态基本理论，该结构在初始外力作用
下的动力学平衡方程为：
Mi+I-P-0
式中：M为机构的质量；ü为结构的加速度；I为结构
的内力;P为结构的外力。
应用Abaqus软件进行模态分析，结果如图5
所示。
0.20F
0.18 0.178
0.17
0.163
0.16 Q1580.16
0.151 0.151
0.145 0.143 0.142 0.14 0.135 0.135 0.133 0.136
0.132
0128
0.125 0.127 0.123
0.12 0.115
0.109
0.10 10V
0.08 .
0.06 0.0d
0
0.04
.
0.02
0.000.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
时间／
图5 模态分析
分析结果可以清晰地看出，基于Abaqus软件进
行的模态分析，符合粉碎装置滚子结构所需。
71传感器的基本设计思路
由于在设计整个装置时需要考虑到很多问题，都
需要功能不同的传感器去实现该功能，所以特地对传
感器的设计作一个总结。首先是在机器刚开始运作
（编辑：娟）
（编辑：李俊慧）
2023年第2期 张玉洁，等：基于生态保护粪便收集处理装置机械结构设计 117。
时，气体传感器就开始发挥作用。当小车装置经过目
标区域草原时，若气体传感器发出信号传达至Arduino
处理，证明此地粪便堆积过多，已产生污染，需
要及时进行作业处理。若无信号传达，则小车装置可
向下一个目标地区域重复操作，进行一系列的出发、
检测、收集、处理。
其次是当粪便被粉碎后进人小车后部储存室时，
车板下方放置压力传感器，实时监测所收集的粪便是
否超载。当所载粪便量超出测试设置的值时，经过
Arduino信号处理，发出警报。小车即自动行驶至指定
地点卸下所载粪便，让其统一经过专业化处理，小车
则继续返回工作即可。
以上就是传感器在该机械机构设计中起到的关
键性作用。
8结语
草原生态保护粪便收集处理装置，是基于Open-
MV图像识别，经过Arduino信号识别处理，采用基本
小车模型框架上完成的一款便捷、环保的粪便收集处
理一体化装置。它充分地满足了解决粪便堆积所产生
的草原环境问题，尤其是经后续集中发酵处理过的粪
便，可以再次利用，充做良好的肥料。这款机器的设
计，不仅为生态环境作出贡献同时也在一定程度上为
当地牧民缓解了一定的经济压力。在未来的发展中，
随着环保意识的日益提高，草原生态保护粪便收集处
理装置将是草原、牧场甚至是一些农场主所需要的不
可或缺的东西。它会在完全解放人们的双手的同时，
有效地解决实际需求问题。
参考文献
[1] 曹祥辉，宋瑞瑞.机械自动化与绿色理念相融合的应用分析[].
科技风,2020(1)：145.
［2]】张丽红，郝俊珂.机械自动化设计与制造问题及改进方法探究
[J].科技风,2020(1):155.
［3]］ 柏洪武.机械工程自动化技术存在的问题及解决策略[].河北农
机,2020(1):31.
［4]］ 龙腾.一种六自由度机械臂的控制系统设计[J].信息技术与网络
安全,2020(6):65-68.
［5】李杰农业机械设计制造中自动化技术的应用[J].南方农机，2020，
50(18):41.
［6]］ 席猛.农业机械设计制造中自动化技术的应用探析[.山西农
经,2020(4):127.
［7] 张永宽.全面应用自动化技术提升农业机械制造水平探究[.南
方农机，2020,49(20):33.
［8] 张志会，张勇，刘雪垠，等.基于深度学习的花椒采摘器视觉识别
[J].机械,2021,48(11):17-24.
［9] 王文军，李福送，林伟健.基于ABAQUS的模块化机械手动静态
分析及结构优化[J.机械，2021,48（9）：67-73.
Mechanical Structure Design Based on Ecological Protection Excrement Collection and
Treatment Device
Zhang Yujie, Jiang Donglin
(Collegeof Engineering,Changchun Normal University, Changchun Jilin 130000)
Abstract: Based on the original vision of protecting the grassland ecological environment, in order to effectively solve the environmental
pollution caused by the accumulation of feces,a device for automatic collection and treatment of feces was designed.The device uses a car as
a model base,design and installation can achieve efficient automatic grasp of the manipulator,and then through the motor to drive the screw
movement of the manipulator grasping feces transferred to the rear crushing device.The storage chamber is equipped with a pressure sensor,
and when the pressure reaches a certain value, fermentation is placed in different areas.Finally,effective collection and processing can be
achieved to achieve the ultimate goal of protecting the grassland ecological environment.The processing device designed in this paper,
through huiyu programming and the setting of various sensors,makes the overall structure compact,the device flexible, quick response,can
fully meet the needs.
Key words: environmental; protection mechanical structure simulation; analysis; OpenMV; efficiency
（上接第114页）
[5］王公忠，王巨祥.锚带网巷道配套工艺研究[J].采矿与安全工程
学报,2001(4)：90-90;92.
Design of DispatchingWinch for Coal Processing Plant
Han Guoxiang
(ShanxiCokingC(oal Bailong Coal Washing Plant, Huozhou Shanxi 03140o)
Abstract: In order to further improve the transportation efficiency and safety of the dispatching winch and lay the foundation for the
production capacity of the ground coal processing plant, the index requirements of the dispatching winch are proposed in combination with
the production capacity of the ground coal processing plant, and the overall design scheme of the dispatching winch is determined. The
design of the braking system and the parameters of each key component are designed; the design ideas of the dispatching winch are
proposed to lay the foundation for the subsequent optimization of the dispatching winch.
Key words: coal processing plant dispatching winch; transmission system; braking system; heat treatment

网友评论 more

环境保护论文最新内容

10-03