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基于生態(tài)保護(hù)糞便收集處理裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文檔作者：張玉潔蔣東霖文檔來源：長春師范大學(xué)工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月03日
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結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2023年第2期 Mechanical Management and Development No.2,2023
總第238期 機(jī)械管理開發(fā) Tota2l 38
D0I:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2023.02.044
基于生態(tài)保護(hù)糞便收集處理裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)★
張玉潔， 蔣東霖
（長春師范大學(xué)工程學(xué)院， 吉林木長春 130000)
摘要：基于保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境的最初愿景，為了有效地解決由于糞便堆積產(chǎn)生的環(huán)境污染，設(shè)計(jì)出一款自動收集
處理糞便的裝置。該裝置采用小車作為模型基底，設(shè)計(jì)安裝可實(shí)現(xiàn)高效自動抓取的機(jī)械手，再通過電機(jī)帶動絲杠運(yùn)
動將機(jī)械手所抓取的糞便傳送至后方粉碎裝置。儲存?zhèn)}設(shè)置壓力傳感器，當(dāng)壓力到達(dá)一定值時，分區(qū)域集中放置發(fā)
酵。最終達(dá)到有效收集處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境的最終目標(biāo)。設(shè)計(jì)的處理裝置，通過惠魚編程和多方面?zhèn)鞲衅?
的設(shè)置，使整體結(jié)構(gòu)緊湊，裝置靈活度高、反應(yīng)敏捷，可以完全滿足需求。
關(guān)鍵詞：環(huán)境保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真分析OpenMV效率
中圖分類號：TM403.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-773X(2023)02-0115-03
引言
由調(diào)查結(jié)果顯示，幾乎每年草原牧場都會產(chǎn)生糞
便堆積無人問津的問題。這些無人處理的堆積糞便會
對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)造成不可挽回的危害，但是由于當(dāng)?shù)厝藢?
這個問題的認(rèn)識意識不足以及沒有專門處理此類問
題先進(jìn)設(shè)備的原因[1-3]，該危害一直持續(xù)。基于生態(tài)保
護(hù)糞便收集處理裝置的設(shè)計(jì)本質(zhì)就是解決草原生態(tài)
環(huán)境由于糞便堆積造成的土壤污染和有害氣體等的危
害[4-7]。在此基礎(chǔ)上，還可以有效利用處理后的可用于
施肥的糞便，在一定程度上緩解當(dāng)?shù)厝说牟糠纸?jīng)濟(jì)壓力。
1整體功能概述
首先在采用OpenMV采集圖像識別的同時氣體
傳感器也發(fā)揮作用，將信號傳達(dá)至Arduino信息處
理，判斷信息可行性后，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取。抓取后通過
齒輪配合帶動絲杠上下移動傳送糞便，至后方暫時儲
存裝置時，機(jī)械手順利投下糞便。此時，機(jī)械手回到初
始位置，再次等待信號。而糞便通過氣動裝置調(diào)節(jié)儲
存小板角度傳遞到車廂儲存室上方的滾子破碎機(jī)。此
過程經(jīng)過多次重復(fù)，可收集到一定量的糞便。放置壓
力傳感器，當(dāng)達(dá)到設(shè)定閾值時，傳達(dá)給Arduino滿載
信號，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將實(shí)時信息傳導(dǎo)至計(jì)算機(jī)端，
迫使驅(qū)動電機(jī)到集中處理中心卸載，隨即再次返回目
標(biāo)區(qū)域重復(fù)操作。整體功能概述流程，如圖1所示。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案
經(jīng)過多方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)，最終選用小車模型作為基
本參照模型。在這一基礎(chǔ)上，加以設(shè)計(jì)改進(jìn)。以盡量輕
便的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底座，減少驅(qū)動負(fù)載。之后針對該裝置
所需要的功能，合理地設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)方案。經(jīng)過多次
重復(fù)試驗(yàn)和對比選擇之后，確定了選用合適的機(jī)械手
去實(shí)現(xiàn)抓取任務(wù)，方便達(dá)到高效、靈活度高的完成目
Ready OpenMV采 Arduino 機(jī)械手 傳送 集識別 處理信號 抓取 粉碎
重復(fù)以上 指定地點(diǎn) 壓力傳 收集進(jìn)入
操作 投放發(fā)酵 感器 儲存?zhèn)}
圖1 整體功能概述流程
的。為保證后續(xù)對于糞便的環(huán)保性、高效性處理，加以
傳送裝置傳輸所收集的糞便并利用升降儲存小板和
引流板之間的配合將機(jī)械手所抓取的糞便順利送人
粉碎裝置，最終將粉碎處理后的糞便集中再處理進(jìn)行
二次粉粹。這樣，就會在大大提高整體效率的同時對
草原生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到實(shí)際、有效的作用。總體結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)，如圖2所示。
破碎裝置
OpenMV(2) 中部升隆小板
主軸
M2直線電機(jī)（2級升降）
機(jī)械手（固定在MC直線電機(jī)上）
MI直線電機(jī)（伸縮控制）
后車廂引流板
氣缸
OpenMV(1) 超聲波模塊
圖2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在總體設(shè)計(jì)的同時，需要考慮電機(jī)的選取使用也
十分重要。所以在動力系統(tǒng)電機(jī)選型方面，選擇了兩
款電機(jī)，分別介紹如下：
1)Encodermotor步進(jìn)電機(jī)(135484)：尺寸為60
mm×30mm×30mm，內(nèi)置獨(dú)立計(jì)數(shù)器（增量式編碼
器），最大工作電壓9V，最大工作電流0.5A，最大轉(zhuǎn)
速1800r/min。與ROBO接口板配合使用，可以有
收稿日期：2022-06-15
★基金項(xiàng)目：2021級國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“基于生態(tài)治理草場牧區(qū)糞便收集運(yùn)輸智能一體化裝置（項(xiàng)目編號：202110205030）
第一作者簡介：張玉潔（2000一），女，甘肅金昌人，長春師范大學(xué)工程學(xué)院在讀本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。
通訊作者：蔣東霖（1979—），男，吉林長春人，副教授，高級工程師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法及理論。
.116· 第38卷
機(jī)械管理開發(fā)
jxglkfbjb@126.com
0~8速度等級，每級空載狀態(tài)下參數(shù)見表1。
表1參數(shù)狀態(tài)
速度等級 工作電壓 工作電流/A 工作功率/W 轉(zhuǎn)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 視覺識別
通過類比花椒采摘器視覺識別，學(xué)習(xí)將一定的卷
積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與注意力機(jī)制這兩種模型運(yùn)用到糞
便收集圖像采集識別8]，提高整體識別準(zhǔn)確率，并與
氣味傳感器相配合，以更加高效、準(zhǔn)確地完成定位，方
便信號傳輸后機(jī)械手抓取，減少失誤率。
4機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)抓取具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手運(yùn)動是通過一個電機(jī)驅(qū)動一根短的蝸桿，
這樣蝸桿上的滑塊就會隨之運(yùn)動，同時一端已經(jīng)與軸
固定和另一端與滑塊固定的抓手就會隨之運(yùn)動，通過
對約束參數(shù)的設(shè)置，使得滑塊可以做往復(fù)的簡諧運(yùn)
動，從而使機(jī)械抓手有張合的動作。
在針對如何設(shè)計(jì)此產(chǎn)品機(jī)械手的時候，考慮到機(jī)
械結(jié)構(gòu)是機(jī)械手的基本骨架，機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞可以直
接影響到機(jī)械手功能的正常運(yùn)作以及工作的流暢性[9]。
所以在前期設(shè)計(jì)階段，選擇多款不同類型的機(jī)械手作
抓取對比。在一般情況下，機(jī)械手是由底座、上臂、肘、
下臂和末端操作器共同構(gòu)成的，基于設(shè)計(jì)本身的目的
以及多款機(jī)械手實(shí)際試驗(yàn)對比得出，末端操作器選用
夾持型機(jī)械手更加適合草原牧場等工作環(huán)境。所被抓
取的已風(fēng)干糞便通過OpenMV采集圖像識別后，經(jīng)過
Arduino信號傳達(dá)，夾持型機(jī)械手可以順利抓取所被
識別的物體對象，做到敏捷、迅速、精準(zhǔn)的抓取。機(jī)械
手模型，如圖3所示。
5 傳送裝置基本設(shè)計(jì)原理
電機(jī)帶動絲杠使機(jī)械手平穩(wěn)上升，到達(dá)指定位置
時停止，使機(jī)械手轉(zhuǎn)向，再進(jìn)給一段距離，利用引流板
和升降小板之間的高效、完美配合，避免糞便在傳遞、
投擲的過程中意外漏出以及投擲定位有差異的問題。
圖3 機(jī)械手模型
順利投擲糞便至帶有粉碎裝置的后方儲存箱內(nèi)，再進(jìn)
行粉碎即可。
6 粉碎裝置設(shè)計(jì)及滾子模態(tài)分析
6.1 粉碎裝置設(shè)計(jì)
由于氣動裝置調(diào)節(jié)儲存小板的角度，將所收集傳
遞上來的糞便投放人所設(shè)計(jì)的滾子粉碎裝置中。該裝
置是由四個滾子組成，其中左右兩側(cè)滾子在鏈的作用
下兩兩分別向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動擠壓嚙合。在糞便落入粉碎裝
置的過程中，并不排除所收集糞便會落入兩側(cè)的可
能，但是通過這樣的設(shè)計(jì)，首先落人兩側(cè)的較少一部
分糞便會被兩側(cè)滾子擠壓嚙合碾碎至一定大小后掉
人儲存?zhèn)}，若未能被粉碎至合適大小，在滾子轉(zhuǎn)動的
同時，會被傳送至中間滾子繼續(xù)進(jìn)行二次粉碎，以保
證粉碎的完全性。所以這樣的裝置就導(dǎo)致大多數(shù)被
粉碎的糞便最終都再次從中間滾子間隙二次被擠壓
嚙合粉碎，從而進(jìn)入小車儲存箱內(nèi)。粉碎流程，如圖
4所示。
糞便掉落至粉 滾子向內(nèi)側(cè)碾 未能碾碎的部 分糞便經(jīng)滾子中間滾子進(jìn)行
碎滾字上碎擠壓轉(zhuǎn)動滾串間二次粉碎
圖4 粉碎流程
6.2 粉碎裝置滾子模態(tài)分析
應(yīng)用模態(tài)瞬態(tài)基本理論，該結(jié)構(gòu)在初始外力作用
下的動力學(xué)平衡方程為：
Mi+I-P-0
式中：M為機(jī)構(gòu)的質(zhì)量；ü為結(jié)構(gòu)的加速度；I為結(jié)構(gòu)
的內(nèi)力;P為結(jié)構(gòu)的外力。
應(yīng)用Abaqus軟件進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖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
時間／
圖5 模態(tài)分析
分析結(jié)果可以清晰地看出，基于Abaqus軟件進(jìn)
行的模態(tài)分析，符合粉碎裝置滾子結(jié)構(gòu)所需。
71傳感器的基本設(shè)計(jì)思路
由于在設(shè)計(jì)整個裝置時需要考慮到很多問題，都
需要功能不同的傳感器去實(shí)現(xiàn)該功能，所以特地對傳
感器的設(shè)計(jì)作一個總結(jié)。首先是在機(jī)器剛開始運(yùn)作
（編輯：娟）
（編輯：李俊慧）
2023年第2期 張玉潔，等：基于生態(tài)保護(hù)糞便收集處理裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 117。
時，氣體傳感器就開始發(fā)揮作用。當(dāng)小車裝置經(jīng)過目
標(biāo)區(qū)域草原時，若氣體傳感器發(fā)出信號傳達(dá)至Arduino
處理，證明此地糞便堆積過多，已產(chǎn)生污染，需
要及時進(jìn)行作業(yè)處理。若無信號傳達(dá)，則小車裝置可
向下一個目標(biāo)地區(qū)域重復(fù)操作，進(jìn)行一系列的出發(fā)、
檢測、收集、處理。
其次是當(dāng)糞便被粉碎后進(jìn)人小車后部儲存室時，
車板下方放置壓力傳感器，實(shí)時監(jiān)測所收集的糞便是
否超載。當(dāng)所載糞便量超出測試設(shè)置的值時，經(jīng)過
Arduino信號處理，發(fā)出警報(bào)。小車即自動行駛至指定
地點(diǎn)卸下所載糞便，讓其統(tǒng)一經(jīng)過專業(yè)化處理，小車
則繼續(xù)返回工作即可。
以上就是傳感器在該機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到的關(guān)
鍵性作用。
8結(jié)語
草原生態(tài)保護(hù)糞便收集處理裝置，是基于Open-
MV圖像識別，經(jīng)過Arduino信號識別處理，采用基本
小車模型框架上完成的一款便捷、環(huán)保的糞便收集處
理一體化裝置。它充分地滿足了解決糞便堆積所產(chǎn)生
的草原環(huán)境問題，尤其是經(jīng)后續(xù)集中發(fā)酵處理過的糞
便，可以再次利用，充做良好的肥料。這款機(jī)器的設(shè)
計(jì)，不僅為生態(tài)環(huán)境作出貢獻(xiàn)同時也在一定程度上為
當(dāng)?shù)啬撩窬徑饬艘欢ǖ慕?jīng)濟(jì)壓力。在未來的發(fā)展中，
隨著環(huán)保意識的日益提高，草原生態(tài)保護(hù)糞便收集處
理裝置將是草原、牧場甚至是一些農(nóng)場主所需要的不
可或缺的東西。它會在完全解放人們的雙手的同時，
有效地解決實(shí)際需求問題。
參考文獻(xiàn)
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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頁）
[5］王公忠，王巨祥.錨帶網(wǎng)巷道配套工藝研究[J].采礦與安全工程
學(xué)報(bào),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

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