自行車輪胎夾持機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)

李亞男，李東，王沖，芮鵬，陳磊

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

0 引言

自行車出行既環(huán)保又便捷，但自行車的亂停亂放也為城市交通帶來(lái)極大不便，自行車庫(kù)成為研究的熱點(diǎn)[1]。其中，自動(dòng)化立體自行車庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)存車時(shí)，人工把車放在車庫(kù)入口，車庫(kù)自動(dòng)夾取自行車放到指定車位；取車時(shí)，車庫(kù)自動(dòng)將自行車從車位取出，放到車庫(kù)入口，人工騎走。因此，自行車的自動(dòng)存取，成為自動(dòng)化車庫(kù)的關(guān)鍵點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了輪胎夾持機(jī)械手爪，為自行車的自動(dòng)存取提供了技術(shù)保障，是自動(dòng)化立體車庫(kù)的重要組成部分[2-3]。

1 機(jī)械手爪的整體設(shè)計(jì)

機(jī)械手爪的工作流程為：自行車放在車庫(kù)入口，機(jī)械手爪監(jiān)測(cè)到有輪胎后夾緊輪胎，再將輪胎提升一定高度，使自行車前輪離地，后輪著地，夾緊過(guò)程中可以監(jiān)控輪胎的狀態(tài)；將自行車放入車位后放下輪胎，再松開輪胎，自行車得到釋放。

機(jī)械手爪需要完成不同直徑、不同寬度輪胎的夾持工作。通過(guò)對(duì)市面上應(yīng)用較多的自行車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定本機(jī)械手爪夾持輪胎直徑為558.8 mm（22 in）～711.2 mm（28 in），輪胎寬度為20～80 mm[4]。

基于以上分析，機(jī)械手爪主要是由對(duì)輪胎進(jìn)行夾持的夾持機(jī)構(gòu)、將輪胎提升的提升機(jī)構(gòu)、輸出夾緊提升力的驅(qū)動(dòng)組件和監(jiān)測(cè)輪胎狀態(tài)的監(jiān)測(cè)組件等組成。整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械手爪

2 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎的夾緊，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 夾持機(jī)構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)原理

夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其工作原理是將機(jī)械手臂作為四連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄，它直接與機(jī)械手指相連；連接滑塊作為四連桿機(jī)構(gòu)中的滑塊；手臂連桿作為四連桿機(jī)構(gòu)中的連桿[5]。通過(guò)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曲柄（機(jī)械手臂）的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手臂帶動(dòng)機(jī)械手指運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)輪胎的夾持工作。

2.2 夾持力分析

對(duì)本夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，如圖3所示。通過(guò)計(jì)算，夾緊力與滑塊運(yùn)行力的關(guān)系為

圖3 夾持機(jī)構(gòu)受力分析圖

式中：P為帶動(dòng)滑塊運(yùn)行所需的力；N0為機(jī)械手爪產(chǎn)生的夾緊力；b為夾持點(diǎn)與機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)軸距離；c為機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)軸與手臂連桿鉸接點(diǎn)距離；h為手臂連桿的長(zhǎng)度。

通過(guò)試驗(yàn)確定手爪夾緊力，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定其它尺寸，通過(guò)上述數(shù)據(jù)即可確定帶動(dòng)滑塊運(yùn)行的力P，本手爪可實(shí)現(xiàn)的額定推力為820 N。

2.3 夾持行程分析

夾持輪胎寬度最小為20 mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以得到手指運(yùn)行最大行程為l，進(jìn)行行程分析，如圖4所示[6]。實(shí)線為手爪初始位置，雙點(diǎn)劃線為手爪夾緊位置，則有

圖4 夾持機(jī)構(gòu)行程分析圖

式中：c為機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)軸與手臂連桿鉸接點(diǎn)距離；h為手臂連桿的長(zhǎng)度；θ為初始機(jī)械臂與旋轉(zhuǎn)軸水平夾角；s1為初始位置時(shí)滑塊與機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)軸距離；e為機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)軸與滑塊鉸接點(diǎn)垂向距離。

初始位置時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)，上述參數(shù)全部已知，可以計(jì)算得出s1；待運(yùn)行到夾緊位置后，角度由θ變成夾緊時(shí)機(jī)械臂與旋轉(zhuǎn)軸水平夾角η，則

通過(guò)計(jì)算，可以得出連接滑塊運(yùn)動(dòng)行程s。本手爪滑塊的運(yùn)動(dòng)行程為120 mm。

3 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

提升機(jī)構(gòu)的作用是將夾緊后的輪胎進(jìn)行提升，使自行車在軌道上運(yùn)行時(shí)，只有后輪在軌道上滾動(dòng)，減小運(yùn)行的阻力。主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 提升機(jī)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)原理

提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)同樣是通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其工作原理是將機(jī)械手指和提升連桿作為四連桿機(jī)構(gòu)中的連桿，提升上、下擺桿作為四連桿機(jī)構(gòu)中的擺桿。機(jī)械手指接觸輪胎，水平方向運(yùn)動(dòng)受到限制；提升連桿安裝在夾持機(jī)構(gòu)上，豎直方向運(yùn)動(dòng)受到限制；提升連桿繼續(xù)隨夾持機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)提升上、下擺桿同時(shí)擺動(dòng)；提升上、下擺桿帶動(dòng)機(jī)械手指做豎直方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎的提升。其中彈簧與限位桿是為了保證機(jī)械手指具有固定的初始位置。

3.2 提升行程分析

提升機(jī)構(gòu)中，對(duì)輪胎的提升行程是通過(guò)上、下擺桿的長(zhǎng)度及擺動(dòng)角度來(lái)確定的。假設(shè)擺桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，初始角度為φ，提升到位后，角度為λ，提升行程為f，如圖6所示。

圖6 提升機(jī)構(gòu)行程分析圖

f的計(jì)算公式為

提升高度確定后，即可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)機(jī)械限位，保證手爪夾持時(shí)不受損害，本手爪可提升輪胎50 mm。

4 驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)組件的作用是為機(jī)械手爪的夾持與提升提供動(dòng)力，如圖7所示。驅(qū)動(dòng)組件主要是由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、柔性連接組件和直線單元組成[7]。其中，電動(dòng)機(jī)通過(guò)直線單元帶動(dòng)柔性連接組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)；柔性連接組件含有關(guān)節(jié)軸承，帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)的連接滑塊運(yùn)動(dòng)，完成夾持機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。電動(dòng)機(jī)的輸出力是通過(guò)前述夾持機(jī)構(gòu)中連接滑塊所需輸出力得出的；直線單元行程是通過(guò)前述夾持機(jī)構(gòu)中連接滑塊行程得出的。本手爪中，電動(dòng)機(jī)選擇施耐德電動(dòng)機(jī)bsh0552p31a2a，額定功率為400 W，額定轉(zhuǎn)矩為0.65 N·m；直線單元型號(hào)為KK60 -200A1 -F0C。

圖7 驅(qū)動(dòng)組件

5 監(jiān)測(cè)組件的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)組件主要包括各種傳感器，如圖8所示。輪胎到位傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)輪胎是否到位，只有輪胎到位時(shí)機(jī)械手爪才可以啟動(dòng)進(jìn)行夾持工作；機(jī)械手爪松開輪胎后，只有輪胎到位傳感器沒有信號(hào)時(shí)行走機(jī)構(gòu)才可以帶動(dòng)機(jī)械手爪離開。提升到位傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)輪胎是否提升到位，只有輪胎提升到位時(shí)，手爪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)才可以停止運(yùn)行。

圖8 監(jiān)測(cè)組件

6 結(jié)語(yǔ)

本文論述了一種自行車輪胎機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)，并對(duì)手爪的各組成部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該機(jī)械手爪可以對(duì)市面上大部分自行車輪胎進(jìn)行夾持，在某自行車立體庫(kù)已應(yīng)用2 a有余。本機(jī)械手爪僅通過(guò)一個(gè)電動(dòng)機(jī)完成對(duì)輪胎的夾持與提升，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定；通過(guò)完備的監(jiān)測(cè)組件設(shè)置保證了機(jī)械手爪的可靠運(yùn)行。