快遞便攜式抓取器設(shè)計與仿真研究

曹思琦 董景峰 舒欣 盧羲 梁家鵬

摘 要：以終端消費者為對象，個性化、多樣化的物流體驗將成為電子商務(wù)條件下消費者的核心訴求，這其中最重要的就是快遞服務(wù)。為了改善快遞業(yè)務(wù)的分揀質(zhì)量和分揀效率，提升快遞分揀人員的操作安全、有效和舒適性，針對這些問題，設(shè)計開發(fā)了便攜式快遞抓取器，系統(tǒng)地闡述了抓取器的基本原理和結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了力學(xué)分析，通過Solidworks建立三維模型，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行仿真，驗證了其有效載荷。此項設(shè)計可應(yīng)用于快遞行業(yè)的分揀業(yè)務(wù)，并同樣可適用于消費者方便的提取快遞貨物。

關(guān)鍵詞：便攜式；抓取器；結(jié)構(gòu)設(shè)計；力學(xué)仿真

中圖分類號：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0059-03

Abstract： With terminal consumers as the object， personalized and diversified logistics experience will become the core demand of consumers under the conditions of electronic commerce， the most important of which is express service. In order to improve the sorting quality and efficiency of express delivery service and enhance the safety， effectiveness and comfort of the operation of express sorting personnel， a portable express crawler is designed and developed to solve these problems. The basic principle and structure of the crawler are expatiated systematically， and its mechanics analysis is carried out. The 3D model is established by Solidworks， and its payload is verified by ANSYS simulation. This design can be applied to the sorting business of express delivery industry， and can also be applied to the convenience of consumers to pick up express goods.

Keywords： portable； crawler； structural design； mechanical simulation

暴力分揀一直是快遞行業(yè)的一個問題，究其原因，是快遞員徒手分揀快遞包裹體力勞動強(qiáng)度大，致使不認(rèn)真工作。對于快遞業(yè)務(wù)的客戶而言，包裹的提取同樣存在不宜抓取的問題?？爝f分揀員的暴力分揀和消費者取快遞的不便，降低了物流快遞行業(yè)的服務(wù)水平，所以便攜式抓取器的設(shè)計十分必要。

而關(guān)于快遞抓取器的研究，現(xiàn)在多以機(jī)械手的研究為主，王玲等提出一種三自由度物流搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計與仿真分析，實現(xiàn)虛擬裝配和干涉檢查[1]。楊恩霞等介紹了物流機(jī)械手的設(shè)計，此機(jī)械手通過PLC控制各個運(yùn)動部件[2]。李世蓉等提出裝置是一套能自動搬運(yùn)貨物的裝置，主要用于自動生產(chǎn)線[3]。熊強(qiáng)等提出一種繩牽引驅(qū)動結(jié)構(gòu)的單鉸鏈柔性機(jī)械手，實現(xiàn)機(jī)械手能夠貼合包裝盒抓取，減少包裝盒的受壓變形[4]。

現(xiàn)有的抓取器主要是通過機(jī)械手的方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于攜帶和在分散地點使用。本文以大多數(shù)快遞外包裝為長方體等規(guī)則形狀來設(shè)計抓取部分，并為消費者可隨身攜帶考慮，所設(shè)計的抓取器具有輕便小巧等特性。

1 抓取器結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計

抓取器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和其工作原理是抓取器正常使用的關(guān)鍵，本節(jié)具體介紹抓取器的結(jié)構(gòu)和工作原理及內(nèi)部鏈接的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計。

1.1 抓取器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

抓取器的主視圖、側(cè)視圖如圖1所示。

抓取器在工作時，使連接把手處在最高位置處，使兩側(cè)的抓取架分離到最大距離，手握住內(nèi)把手上的緩沖墊用力作用時，內(nèi)把手會向上提起，內(nèi)把手帶動升降連接桿上移，升降連接桿帶動連接桿3上移，使連接桿2以固定在連接桿1上轉(zhuǎn)軸為中心轉(zhuǎn)動，從而帶動連接桿4以固定在升降連接桿上的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，連接桿4的另一端通過轉(zhuǎn)軸帶動連接桿6和連接桿5，連接桿6帶動抓取架水平移動，在移動過程中將快遞包裹夾緊，將手提架提起即可將快遞包裹提起。

1.2 抓取器的尺寸確定

由于抓取器用于抓取快遞包裹，所以抓取器的尺寸確定依賴于快遞包裹的一般尺寸；以順豐快遞加固紙箱包裝的尺寸為依據(jù)，確定抓取器的尺寸大小。

由于抓取架張開距離越大，整體尺寸就越大，所以必須選取各整體尺寸最大的類別中長寬高中最小的尺寸作為依據(jù)，最終選定尺寸為320MM，考慮包裹尺寸誤差等問題，將最大張開距離定為350MM。根據(jù)最大張開距離和各個連接桿機(jī)構(gòu)之間的連接關(guān)系與尺寸，最終確定抓取器的整體尺寸為：寬260MM、長440MM，厚度忽略不計，抓取架的寬為50MM。

1.3 抓取器三維建模

平面圖對于抓取器各結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)十分簡單，不能充分地展現(xiàn)出抓取器的整體構(gòu)造，為了使抓取器各結(jié)構(gòu)部件更加具體的呈現(xiàn)出來，本文利用Solidworks建立了抓取器的三維實體模型，更加全面地呈現(xiàn)出抓取器的結(jié)構(gòu)。通過建立各零部件的三維實體模型，然后進(jìn)行裝配并最終完成整機(jī)建模，如圖2所示。

2 抓取器的材料選擇

抓取器既要便于抓取貨物包裹，又要便于攜帶，所以在強(qiáng)度、密度上有一定要求。選用合金材料更為合適。合金材料中以鎂合金和鋁合金最為常見，成本也最低。鎂合金和鋁合金主要參數(shù)見表1[5]。

（1）比重密度方面，同等體積的條件下鎂合金比鋁合金質(zhì)量輕，這是鎂合金的優(yōu)勢；（2）抗拉強(qiáng)度方面，同等體積的鎂合金材料做成的抓取器強(qiáng)度不如鋁合金，所以從重量角度與鋁合金來比較鋁合金有優(yōu)勢；（3）抗疲勞強(qiáng)度方面，同等體積的鎂合金材料做成抓取器的耐久性能比鋁合金抓取器差。這也是鎂合金致命的缺點；（4）彈性模量方面，鎂合金材料做成的抓取器剛性比鋁合金抓取器差，同等厚度和管徑做成的抓取器在實際使用時會吸收較多的力度影響抓取效率。所以綜上所述，便攜式快遞抓取器的材料選用鋁合金更為合適。

3 抓取器的力學(xué)分析

抓取器是由多個金屬桿連接而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過程中容易由于受力不均，發(fā)生形變失去平衡，所以本節(jié)對抓取裝置進(jìn)行力學(xué)分析，判斷抓取器在受力的作用下，能否正常抓取包裹。

3.1 摩擦系數(shù)分析

首先，對包裹進(jìn)行受力分析，若包裹要處于靜止?fàn)顟B(tài)，由平衡力的定義可知，包裹所受力的合力為零。包裹共受到三個力的作用，一是自身重力、二是左右兩抓取架3所給的摩擦力，如受力分析圖3（a），由三力平衡匯交定理可知，三力作用線必匯交一點，受力分析如圖3（b）所示。

由公式（3）可知，mg一定，要想使N（使用者用的力）減小，那么摩擦系數(shù)？滋必須選擇大一些。

抓取架為鋁合金所鑄成，表面較為光滑，鋁合金的靜摩擦系數(shù)為？滋=0.15，滑動摩擦系數(shù)甚至達(dá)到0.1-0.12，所以不能用鋁合金表面直接接觸包裹。要在兩夾取架內(nèi)側(cè)表面粘上一層橡膠墊，橡膠的摩擦系數(shù)？滋=0.8，比鋼材的摩擦系數(shù)大得多，橡膠防滑墊在與快遞包裹接觸時，由于重力而使包裹掉落的情況大大減少，提高抓取的牢固性。

3.2 升降連接桿受力分析

從圖1中可以看出，升降連接桿上部與內(nèi)把手通過連接軸相連，下部與連接桿3通過轉(zhuǎn)軸相連，升降連接桿既間接承受來自于手部的握力又間接承受包裹的重力，從整體結(jié)構(gòu)上看，升降連接桿起到承上啟下的作用，是抓取機(jī)構(gòu)的核心。所以它的受力平衡對于整個抓取器十分重要。

由于升降連接桿與三部分機(jī)構(gòu)連接，所以其受力可以簡化為三個力的相互作用，兩個連接桿3的向下拉力F1、F2，內(nèi)把手向上的拉力F3。根據(jù)力的平衡和分解理論、三力平衡匯交定理，如圖4所示，將升降連接桿簡化為長方形，連接桿3所給的兩力F1、F2大小相等，且與x軸的夾角θ也相同。

包裹的重量不同，F(xiàn)3（快遞包裹M和其它零部件m的重量和）不同，θ、F1、F2也隨之變化，但是三力平衡是不變的，升降連接桿受力平衡，處于靜止?fàn)顟B(tài)，從而上下各連接桿不會受到影響，所以抓取器可以正常使用。

4 抓取器靜力學(xué)仿真

機(jī)構(gòu)設(shè)計時，必須滿足受力平衡，常規(guī)分析法是圖解法和分析法，但設(shè)計精度低且計算量大，必須借助計算機(jī)編程來進(jìn)行處理。借助simulation插件對抓取器進(jìn)行（ANSYS的內(nèi)核）力學(xué)分析，通過仿真可以確定構(gòu)件的受力情況和受力范圍，檢驗構(gòu)件的受力情況是否與期望的相符。

4.1 靜力學(xué)仿真結(jié)果

通過軟件添加力載荷和劃分網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行仿真分析。分別將載荷設(shè)為100N和200N，進(jìn)行了兩組靜力學(xué)仿真。

（1）載荷為100N時，仿真結(jié)果如圖5所示。

最大位移出現(xiàn)在夾持末端，與實際情況相符。由圖5可知，機(jī)構(gòu)的應(yīng)力要與機(jī)構(gòu)材質(zhì)的屈服強(qiáng)度做比較，機(jī)構(gòu)中軸的屈服強(qiáng)度是2.7574e8，連接桿屈服強(qiáng)度1.376e8（e8代表10^8），最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉸接軸處，與屈服強(qiáng)度還有一段距離。

（2）載荷為200N時，仿真結(jié)果如圖6所示。

位移結(jié)果與載荷100N時相似，最大位移（1.94mm）出現(xiàn)在夾持末端。由圖6可知，機(jī)構(gòu)中軸的屈服強(qiáng)度是2.7574e8，連接桿屈服強(qiáng)度2.2059e8（e8代表10^8）。從圖中可以看出最大應(yīng)力（2.753e8）出現(xiàn)在鉸接軸處，與軸的屈服強(qiáng)度已經(jīng)很接近，此時，若再加大載荷，會使機(jī)構(gòu)發(fā)生形變。

4.2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)載荷為200N時，抓取器已經(jīng)形變約2mm，且最大應(yīng)力已達(dá)極限，所以抓取器最大可受200N的力，由摩擦系數(shù)分析可知，橡膠墊的摩擦系數(shù)為0.8，N為載荷200N，那么F=0.8*200=160N，M=F/g=160/10=16kg。所以，抓取器最大承受載荷為200N，最大抓取重量為16kg。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計一種便攜式抓取器來對快遞包裹進(jìn)行搬運(yùn)及攜帶，以實現(xiàn)簡化快遞分揀員的工作及方便消費者的快遞取送，并應(yīng)用材料力學(xué)對便攜式抓取器抓取搬運(yùn)快遞包裹的過程進(jìn)行了分析，并應(yīng)用Solidworks建立三維模型進(jìn)而應(yīng)用ANSYS進(jìn)行了力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這種便攜式抓起器能夠?qū)崿F(xiàn)對快遞包裹的抓取和搬運(yùn)的功能，本文的設(shè)計為實現(xiàn)簡化物流快遞包裹搬運(yùn)提供了可行方法，具有切實的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玲，朱祥森，梁博宇，等.物流搬運(yùn)機(jī)械手建模仿真與快速成型[J].物流科技，2017，40（2）：71-73.

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[3]李世蓉.物流自動化機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].通用機(jī)械，2005（5）：57-58.

[4]熊強(qiáng)，章軍，陳春華，等.柔性快遞包裝盒的分揀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2014（10）：69-72.

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