基于生态保护粪便收集处理装置机械结构设计_张玉洁.pdf

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入粉碎装置，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。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）Encoder motor 步进电机（135484）：尺寸为 60mm30 mm30 mm，内置独立计数器（增量式编码器），最大工作电压 9 V，最大工作电流 0.5 A，最大转速 1 800 r/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），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。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.044图 1整体功能概述流程图 2总体结构设计ReadyOpenMV采集识别Arduino处理信号机械手抓取传送粉碎重复以上操作指定地点投放发酵收集进入储存仓压力传感器破碎装置中部升降小板OpenMV（2）主轴M2 直线电机（2 级升降）机械手（固定在 MG直线电机上）M1 直线电机（伸缩控制）超声波模块OpenMV（1）气缸后车厢引流板结构设计机械管理开发第 38 卷08 速度等级，每级空载状态下参数见表 1。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。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入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，首先落入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入储存仓，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。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：M+I-P=0式中：M 为机构的质量；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。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。7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速度等级工作电压/V 工作电流/A 工作功率/W转速/（r min-1）00.000.0000.00010.730.0520.0383821.920.0560.1085032.840.0600.1708343.930.0620.24412454.970.0660.38216565.860.0680.39819976.740.0700.47223287.600.0720.547265表 1参数状态图 3机械手模型图 4粉碎流程图 5模态分析粪便掉落至粉碎滚子上滚子向内侧碾碎挤压未能碾碎的部分粪便经滚子转动滚至中间中间滚子进行二次粉碎0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020.00位移/mm0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0时间/s0.170.1780.1330.1350.1580.160.1230.1630.1320.1450.1510.1510.1150.1280.1350.1430.1420.1090.1010.1250.1270.1360.061162023 年第 2 期时，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 Ar-duino 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入小车后部储存室时，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阈值时，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J.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J.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J.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J.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.（编辑：李俊慧）Mechanical Structure Design Based on Ecological Protection Excrement Collection andTreatment DeviceZhang Yujie,Jiang Donglin（College of 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 environmentalpollution caused by the accumulation of feces,a device for automatic collection and treatment of feces was designed.The device uses a car asa model base,design and installation ca