具有伸缩及自锁功能的取物器研制 (1).pdf

装备制造技术 2023 年第 7 期0引 言取物器是一种辅助用具，可以帮助老年人、残疾人等特殊人群拾取地面或高处的物品，减少弯腰或伸手的困难，提高生活质量。目前市场主流的取物器为固定长度结构，固定长度的取物器不适应特定的用户或场景，导致使用不便或不舒适。例如，对于身高较高或较矮的用户，固定长度的取物器可能无法达到合适的高度，使得用户需要弯腰或伸长手臂来使用取物器。对于不同的场景，如室内、室外、平地、楼梯等，固定长度的取物器也可能无法适应不同的距离和角度，使得用户无法灵活地取物物品。固定长度的取物器携带或存放也不方便，例如，对于需要经常出门或旅行的用户，固定长度的取物器可能占用较多的空间，难以放入包内或车内。对于需要在家中使用的用户，固定长度的取物器也可能难以收纳，占用较多的存储空间。此外，目前的取物器不具备自锁功能，需要一直按压手柄，松手后物品会掉落，增加使用者的负担1-4。为了解决这些问题，设计了一种兼具拐杖功能的新型取物器，在取物器的杆体内部创新设计了一种夹爪驱动机构，具有以下特征：（1）利用偏心驱动力产生的摩擦力带动夹爪闭合，实现物品的抓取；（2）长度可以自由调节，适应不同的使用需求和环境；（3）反向锁止机构使夹爪不能自动松开，使拾取的物品不会掉落，方便使用者取走物品。1设计方案取物器的机械结构主要由手柄、杆体、夹头等部分组成，其中，杆体的长度决定了取物器的使用范围，夹头的开合受手柄的控制。设计的取物器如图 1 所示，杆体由外伸缩杆和内伸缩杆嵌套而成，可实现取物器长度自由调节。为了使杆体具备伸缩功能的同时还能可靠地驱动夹头动作，需要在杆体内部安装特殊的夹爪驱动机构，该机构将夹爪的驱动杆、手柄的驱动拉线以及解锁拨片的释放拉线进行巧妙的连接，使手柄和夹头能协调工作，当手柄与夹头的间距改变时也能可靠的传递驱动力，保证取物功能的稳定性和可靠性。夹爪驱动机构由机架、驱动钢片、锁止钢片、复位弹簧、锁止弹簧等零件组成，如图 2 和图 3 所示。下文结合图 1 来说明夹爪驱动机构的整体结构。驱动杆从机架的中心孔贯穿整个机架，驱动杆与中心孔为间隙配合关系，驱动杆的下端连接取物器夹头的夹爪，驱动杆的上下移动能带动夹爪做开合运动。机架分为上下两个腔室，上腔室内安装驱动钢片和复位弹簧，驱动杆穿过弹簧和驱动钢片中间的大具有伸缩及自锁功能的取物器研制韩雪松，李俭文（广西水利电力职业技术学院 机电工程学院，广西 南宁 530023）摘要：针对长度固定的取物器在不同使用场景下存在的不适应性和不便利性问题，设计一种可变长度取物器。为了实现可变长度取物器在杆体伸缩范围内的任意位置都能可靠实现夹爪的驱动和锁止功能，提出一种利用夹爪驱动力与手柄驱动力之间的偏转力矩来实现夹爪驱动和锁止的机构。该机构由夹爪驱动杆、驱动钢片、手柄驱动拉线、反向锁止钢片等部件组成，驱动杆与驱动拉线相互平行但不在同一直线上。产品研制过程首先建立了可变长度取物器的三维模型，并通过运动仿真实验，分析了机构的工作原理，如夹爪驱动力、锁止力、接触压力之间的关系等，然后应用 3D 打印等手段制作了可变长度取物器的样机，并进行了实物实验，验证了样机在不同长度位置下的夹爪驱动和锁止功能，以及对不同形状和重量的物品的夹持能力，最后对可变长度取物器的设计优点和下一步的研究方向进行了总结和展望。关键词：取物器；伸缩；自锁中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0289-04收稿日期：2023-03-17第一作者：韩雪松（1978-），男，河北衡水人，副教授，硕士，主要从事机械设计制造技术、数控技术的研究及教学工作援289Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023孔，驱动拉线的下端连接驱动钢片边缘的小孔，驱动拉线的上端连接取物器的手柄，驱动拉线与驱动杆相互平行但不在同一直线上，提拉手柄能带动驱动钢片向上移动。机架的下腔室内安装锁止钢片和锁止弹簧，驱动杆穿过弹簧和锁止钢片中间的大孔；锁止钢片的右端靠在机架上，锁止钢片左端的小孔与释放拉线的下端连接，释放拉线的上端连接解锁拨片，释放拉线与驱动杆相互平行但不在同一直线上，提拉解锁拨片能带动锁止钢片的左端上移一小段距离。2夹爪驱动机构工作原理2.1 夹爪的闭合驱动在提拉手柄驱动夹爪闭合的过程中，驱动钢片的受力分析如图 4 所示，图中省略了驱动杆、驱动拉线和弹簧等部件与驱动钢片的连接关系见图 2。通过提拉手柄，驱动拉线给驱动钢片施加向上的作用力 F1，复位弹簧给驱动钢片施加向下的作用力F3，由于 F1与 F3不在同一直线上，因此驱动钢片承受一个逆时针方向的力矩 M1=F1伊 L1，使其产生逆时针偏转。由于驱动钢片受到夹爪驱动杆的约束，因此驱动杆给驱动钢片施加横向作用力 F4和 F5，两者产生顺时针方向的力矩 M2=F4伊 L2/2+F5伊 L2/2，M2与 M1大小相等但方向相反。在 F4和 F5的作用下，夹爪驱动杆与驱动钢片之间产生摩擦力 F2，当 F1跃 F2+F3时，驱动拉线就能带动驱动钢片向上移动，只要摩擦力 F2小于驱动杆和驱动钢片之间的最大静摩擦力，驱动杆就能随驱动钢片一起向上移动，从而带动夹爪闭合。由于受到复位弹簧压缩行程限制，每次提拉手柄只能让夹爪驱动杆向上移动一小段距离，当松开手柄时，复位弹簧会推动驱动钢片返回初始位置，为下一次的提拉做好准备。2.2 夹爪的自锁在松开手柄使驱动钢片复位的过程中，需要阻止夹爪驱动杆随之向下移动，这样才能使夹爪始终朝着闭合方向运动，因此在机架的下腔室中设置了夹爪自锁装置。图 5 为自锁装置中驱动杆锁止钢片的受力分析图，图中省略了驱动杆、释放拉线和弹簧等部件与锁止钢片的连接关系，可参考图 2。弹簧给锁止钢片施加向下的作用力 F8，锁止钢片的右端受到机架的反作用力 F6，由于 F6与 F8不在同一直线上，因此锁止钢片承受一个逆时针方向的力矩M3=F6伊 L3，使其产生逆时针偏转。由于锁止钢片受到夹爪驱动杆的约束，因此驱动杆给钢片施加横向作用力 F9和 F10，两者产生顺时针方向的力矩 M4=F9伊图 1取物器整体结构手柄驱动拉线夹爪驱动机构外伸缩杆解锁拨片释放拉线驱动杆内伸缩杆夹爪夹头图 2夹爪驱动机构机架驱动位线复位弹簧驱动钢片驱动杆释放拉线锁止弹簧锁止钢片图 3夹爪驱动机构三维模型上腔室下腔室图 4驱动钢片受力分析F1L1F4F3F2F5L2290装备制造技术 2023 年第 7 期L2/2+F10伊 L2/2，M4与 M3大小相等。在 F9和 F10的作用下，夹爪驱动杆与锁止钢片之间产生摩擦力 F7，只要 F7小于驱动杆和锁止钢片之间的最大静摩擦力，驱动杆就不能向下移动，产生夹爪自锁的效果。2.3 夹爪的复位与杆体的伸缩通过提拉解锁拨片，释放拉线给锁止钢片的左端施加向上的作用力 F11，F11产生顺时针转矩 M5，M5与F6产生的逆时针转矩 M3平衡，因此使锁止钢片与驱动杆之间的压力 F9和 F10消失，导致两者之间的摩擦力 F7降为零，驱动杆可以向下移动使夹爪松开复位，受力分析图如图 6 所示。当需要调节杆体长度时，首先通过提拉解锁钢片使驱动杆能够在夹爪驱动机构中自由移动，然后再拉动嵌套在外伸缩杆中的内伸缩杆就能改变杆体长度。3取物器样机制作与验证为了验证取物器的设计方案，采用以下方法：（1）利用 UG 软件对取物器的各个零件进行三维建模，包括手柄、杆体、夹爪、驱动机构机架等。来自SiemensPLM 的 UG 软件具有强大的产品设计应用模块，具有高性能的机械设计和制图功能，为机械产品的设计提供了高效率的设计工具，满足设计复杂产品的需要5。（2）将这些零件进行三维装配，形成取物器的整体模型。（3）对取物器的运动进行仿真分析，检查机构是否有干涉或碰撞现象，以及是否能实现预期的功能。通过 UG 软件的三维建模、装配和运动仿真，可以有效地验证取物器的设计合理性和可行性。（4）利用 3D 打印技术对取物器的零件进行制造，包括机架、手柄、夹爪等。3D 打印技术可以快速地将三维模型转化为实体零件，节省了时间和成本，并且可以实现复杂的结构和形状6。将这些零件按照设计方案进行装配，得到取物器的样机，如图 7 所示。（5）对取物器的样机进行功能验证，主要包括夹持可靠性、杆体伸缩性和夹爪自锁性等方面。通过实际操作取物器，观察其在不同场景下的表现，如夹持不同大小、形状和重量的物品，以及在不同长度位置的杆体上进行夹持等。验证结果表明，取物器的样机能够自如地伸缩杆体，夹爪驱动机构工作可靠，在杆体不同的长度位置夹爪都能正常夹持物品并保持自锁状态，提拉解锁拨片后夹爪能自动张开复位。这些功能符合设计要求，证明了取物器的样机制作成功。样机中的夹爪驱动杆选用 Q235 钢线，驱动钢片及锁止钢片使用不锈钢制作，两者之间的摩擦系数能产生足够的静摩擦力来实现夹爪的驱动和锁止。由于Q235 钢线容易发生锈蚀，为此笔者还尝试使用不锈钢线制作驱动杆，但不锈钢线表面光滑摩擦系数低，不能可靠的驱动夹爪，因此在下一阶段需要验证使用铜或者铝合金等材质制作驱动拉线的使用效果。4结 语设计一种可以调节长度的取物器，解决了固定长度取物器对特定使用场景适应性不足的问题。取物器增加了夹爪自锁功能，使拾取的物品不会掉落，方便使用者取走物品。本文采用 UG 软件对取物器的零件进行三维建模、装配和运动仿真，验证了取物器的设计合理性和可行性，还利用 3D 打印技术制造了取物器的样机，并对其进行了功能验证，证明了取物器的杆体能自如伸缩，夹爪驱动机构工作可靠，在杆体不同的长度位置夹爪都能正常夹持物品并保持自锁状态，提拉解锁拨片后夹爪自动张开复位。为取物器设计提供了一种新颖、简便、可靠的方案，具有一定的理论价值和实用价值，为生活中需要拾取高处或远处物品的人群提供了便利。图 7取物器样机图 5锁止钢片受力分析L2F10F8F7F9L3F6图 6锁止钢片的解锁状态F11F6F8291Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023参考文献：1 施雨含，杨玉洁，熊梦娇，等.基于 SolidWorks 的懒人取物器改进设计及仿真分析J.机械研究与应用，2021，34（4）：17-18，23.2 谢青洋，张国连，刘新元，等.一种自动伸缩垃圾取物器：CN209722844U P.2019-12-03.3 宋树建，宋春辑援一种缝隙拾物器：CN101774161AP.2010-07-14.4 徐忠兰，褚磊，石皋莲，等.一种取物器：CN109623766AP.2019-04-16.5 韩雪松，李锡庆，陆美文.路面自适应扫地机盘刷触地压力调整装置的研制J.装备制造技术，2021（12）：35-38.6 司艳芳，郭文典，田文强，等.3D 打印助力残疾人发展的应用研究J.河南牧业经济学院学报，2023，36（2）：64-67.2.2 保持新鲜活力需持续创新智能刮板输送装备涉及了感知、控制、数据分析处理等方面，要保持新鲜活力，不仅就深挖、拓宽核心技术，还要以问题为导向，坚持创新，吸收其他领域的理念、技术、成果以及人才为智能刮板输送装备添姿增彩。通过协同合作，跨界整合相关学科先进理论、方法、技术等优势资源，运用到智能刮板输送装备相关技术研究中来。以多元化视角，长焦距、短镜头混搭，交叉不同领域，探索解决问题的方法，助推智能刮板输送装备发展。采用“新技术”“新理念”解决刮板输送装备实际问题，可以接纳并吸收进智能刮板输送装备中，不受领域限制、不受学科束缚，打破惯性思维，利用信息共享时代的便捷，创新发展并解决智能刮板输送装备在新形势下面临的新问题。此外还应坚持创新需要吸收其他领域的知识、成果，更需引进人才、培养人才。人才是创新发展的第一资源，要从新形势下刮板输送装备发展需要出发，培养高端人才，注重感知技术、数据挖掘等核心内容的人员引进工作，切实保障人员配置，让智能刮板输送输送机借人才力量快车道发展。2.3 保持新鲜活力需变被动为主动，以新技术引领智能刮板输送装备发展智能化发展的核心目标是“无人化”，技术要引领发展，要用先进技术引导客户。一是鼓励开展探索性研究，主动探索新理论、新技术、新思路，让知识和技术武装设备，使其再新形势的漩涡中披荆斩棘；二是营造创新发展氛围，形成技术竞争态势，让技术人员获得更多的价值感、存在感，化被动为主动，化任务安排为自愿接受，让智能刮板输送装备的研究“动”起来。把握主动权是保持智能刮板输送装备新鲜活力最高效的途径。把握主动权即是把握智能刮板输送装备发展目标、发展过程和规划。把现有的新挑战、新需求、新场景与智能刮板输送装备发展方向结合起来，与智能刮板输送装备的阶段目标结合起来，在解决实际问题中深化，把“变化”看成是一种常态，并主动催生“变化”，让智能刮板输送装备早日完成真正“智变”。3结 语新形势下要保持智能刮板输送装备的新鲜活力困难多、机会更多。只要把握技术发展是核心内容，创新是主要动力，学科可以交叉、领域可以跨越，知识共享，在新形势下保持智能刮板输送装备新鲜活力和适应性。参考文献：1 冯景浦，王盼，张学刚.刮板输送设备智能控制系统发展趋势J.陕西煤炭，2021（5）：65-67.2 翟文.智能刮板输送机控制系统在梅花井煤矿的应用研究J.中国煤炭，2015，41（7）：71-74.3 祁国平，马雪静.世界首套智能控制刮板输送机成功研制J.机械制造，2015（5）：8.4 王国法，杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向J.煤炭科学技术，2019（1）：1-10.5 王国法，范京道，徐亚军，等.煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望J.工矿自动化，2018（2）：5-12.（上接第 261 页）292