一種自動(dòng)撿垃圾機(jī)器人的虛擬設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析?

祁 振，劉萍萍，徐國(guó)耕

（1.南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)系，江蘇 南京 210048；2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司建設(shè)機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221001）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，排放的垃圾越來(lái)越多，很多城市都實(shí)行了垃圾分類投放，政府為此耗費(fèi)的資金也頗為可觀，但施行多年，垃圾分類投放效果并不顯著，究其原因，很大程度上是因?yàn)槿藗儾恢廊绾畏诸惱１疚幕赟olidWorks進(jìn)行了自動(dòng)撿垃圾機(jī)器人的虛擬設(shè)計(jì)，旨在解決生活中垃圾分類和處理問(wèn)題。

1 機(jī)器人主要零件的設(shè)計(jì)與裝配

機(jī)器人外形機(jī)械結(jié)構(gòu)以科幻電影《機(jī)器人瓦力》中的機(jī)器人為基礎(chǔ)，共91個(gè)零部件，包括頭部、身體架構(gòu)、垃圾撿拾機(jī)構(gòu)、垃圾壓縮機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。主要采用SolidWorks軟件中特征建模和參數(shù)化建模方法進(jìn)行各零部件的設(shè)計(jì)建模，采用自下而上和自上而下混合裝配方式裝配。機(jī)器人總裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人總裝圖

2 機(jī)器人工作原理與運(yùn)動(dòng)分析

2.1 行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

考慮到工作環(huán)境，機(jī)器人需要適應(yīng)多種路況。將機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成履帶式，可以在家庭平地上走動(dòng)，也可以在山路、工地上走動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)由連桿、誘導(dǎo)輪、履刺、主動(dòng)輪和從動(dòng)輪組成，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪各兩對(duì)，安裝寬度等于履刺寬度，其動(dòng)力經(jīng)連桿傳到誘導(dǎo)輪，由誘導(dǎo)輪帶動(dòng)與之配合的主動(dòng)輪，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履刺將運(yùn)動(dòng)傳給從動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)履帶行走，如圖2所示。

圖2 行走機(jī)構(gòu)

2.2 垃圾撿拾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

垃圾撿拾機(jī)構(gòu)主要是機(jī)器人手臂，包括伸縮手臂和夾持手指，如圖3所示。伸縮手臂采用套桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)短伸縮，手臂與身體通過(guò)中間接頭連接，如圖4所示。手臂與中間接頭的配合為球鉸鏈，可實(shí)現(xiàn)手臂360°旋轉(zhuǎn)，中間接頭與身體的配合為滑塊，接頭在身體上開(kāi)設(shè)的水平和垂直滑道內(nèi)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂前后、上下運(yùn)動(dòng)。手指與手臂的連接如圖5所示，3個(gè)手指由銷釘與連接塊連接，實(shí)現(xiàn)手指張合夾持，手臂通過(guò)另一個(gè)銷釘與連接塊連接，實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)180°內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

2.3 垃圾壓縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

垃圾壓縮機(jī)構(gòu)，即機(jī)器人身體部分，內(nèi)部放置兩個(gè)箱體，分別收集可回收和不可回收垃圾，通過(guò)手指和手臂的配合傳動(dòng)將垃圾送進(jìn)指定的箱子，不可回收部分將進(jìn)行壓縮處理，如圖6所示。壓縮過(guò)程如下：動(dòng)力通過(guò)液壓桿將壓板下壓，壓板壓縮垃圾和裝在底板下的渦卷彈簧，彈簧受力被壓縮，當(dāng)動(dòng)力撤銷后壓板上升，底板受彈簧彈力作用將壓縮后的垃圾頂出箱子，完成一次工作過(guò)程。

2.4 仿真驗(yàn)證

SolidWorks中的COSMOSmotion插件可進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，來(lái)測(cè)量構(gòu)件的位移、速度、加速度。本文選擇復(fù)雜的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)詳細(xì)闡述運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，垃圾撿拾機(jī)構(gòu)和壓縮機(jī)構(gòu)類同處理。

圖3 垃圾撿拾機(jī)構(gòu)

圖4 手臂與身體的連接

圖5 手指與手臂的連接

圖6 垃圾壓縮機(jī)構(gòu)

2.4.1 約束映射

約束映射是指SolidWorks中兩個(gè)零件之間的裝配關(guān)系能自動(dòng)地智能地轉(zhuǎn)化為COSMOSmotion中最小的機(jī)構(gòu)連接形式，用戶可以不做另外更多的工作就能讓機(jī)器運(yùn)動(dòng)起來(lái)。本文機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)中的裝配關(guān)系除履刺外均為重合和同軸心配合關(guān)系，直接映射為連接，轉(zhuǎn)化成移動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)副。履刺在SolidWorks中的裝配關(guān)系為高級(jí)配合里的“路徑配合”，即在設(shè)計(jì)裝配階段采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，用路徑草圖約束履刺裝配，因?yàn)槁拇虨槿嵝泽w，所以在COSMOSmotion中不添加運(yùn)動(dòng)副，只保留配合關(guān)系。

2.4.2 驅(qū)動(dòng)添加

將行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力添加在誘導(dǎo)輪上，右擊誘導(dǎo)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，選擇【屬性】，在出現(xiàn)的對(duì)話框中點(diǎn)擊【運(yùn)動(dòng)】標(biāo)簽，設(shè)置【運(yùn)動(dòng)作用在】為【繞Z軸旋轉(zhuǎn)】，選擇“位移”運(yùn)動(dòng)類型，將運(yùn)動(dòng)函數(shù)設(shè)置成恒定值，角位移設(shè)置為90°，這樣就在誘導(dǎo)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副上創(chuàng)建了一個(gè)角位移為90°的驅(qū)動(dòng)，誘導(dǎo)輪成為原動(dòng)件。

2.4.3 仿真結(jié)果

點(diǎn)擊COSMOSmotion工具欄的仿真設(shè)置，點(diǎn)擊【仿真】進(jìn)行仿真，選擇裝配樹(shù)中從動(dòng)輪零件，右擊繪制從動(dòng)輪位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的曲線，如圖7所示。由圖7（a）可以看出，在設(shè)定的仿真時(shí)間內(nèi)從動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的。

圖7 行走機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)撿拾垃圾，將垃圾按可回收和不可回收進(jìn)行分類，對(duì)不可回收垃圾進(jìn)行壓縮處理的機(jī)器人。設(shè)計(jì)了其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，對(duì)機(jī)器人行走、撿拾垃圾和壓縮垃圾過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度保證了垃圾撿拾機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

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