用于抓取倾倒垃圾桶的多自由度机械臂

□ 王青锋 □ 郭广顺 □ 马德彬 □ 焦佳宝

1.华北理工大学 机械工程学院 河北唐山 0632102.华北理工大学 电气工程学院 河北唐山 063210

1 设计背景

在人口密集的场所,垃圾桶的抓取与倾倒对于保洁人员而言难度较大[1-2]。大型小区的楼层多,垃圾桶数量多,依靠人工手动抓取垃圾桶,步行收集垃圾，不仅清洁效率低下,而且不卫生[3-6]。针对这一问题,笔者设计了一款专门用于在小区楼层间抓取并倾倒垃圾桶的多自由度机械臂[7-8]。

图1所示为安装在履带车体上的多自由度机械臂。这一多自由度机械臂可以通过履带车体在楼层中上下移动,有效提高清洁人员的工作效率,节约工作时间,还可以避免在抓取垃圾桶过程中发生意外脱落事故,安全可靠[9-10]。

▲图1 安装在履带车体上的多自由度机械臂

2 整体结构设计

应用SoildWorks软件构建用于抓取并倾倒垃圾桶的多自由度机械臂三维模型,如图2所示。

▲图2 多自由度机械臂三维模型

由图2可知,多自由度机械臂由直角机构、弧形抓取手、滑轨式连杆机构、转动圆盘、机械支撑架、圆形底座及电机组成。弧形抓取手前端的弧线设计,可增大与垃圾桶的接触面积,使垃圾桶的抓取更容易。直角机构的设计可有效将电机的扭矩传递至下一机构,同时在抓取手处于闭合状态时相互锁死,防止垃圾桶在抓取过程中意外脱落。电机启动时,通过嵌入式配合带动滑轨式连杆机构运动,将电机的扭矩传递至弧形抓取手,并根据垃圾桶的大小调节滑轨式连杆机构的行进长度,调整弧形抓取手的开合角度,实现弧形抓取手的张开与闭合,完成对垃圾桶的有效抓取。转动机械臂圆形底座上的电机5,可实现多自由度机械臂的360°旋转。在抓取垃圾桶后，由机械臂上的电机2、电机3和电机4共同完成垃圾桶的上升与下降动作,保证垃圾桶抓取过程的平稳性与快速性。转动圆盘主要起支撑作用,保证前端弧形抓取手抓取动作的稳定。

3 倾倒垃圾动作

多自由度机械臂倾倒垃圾的动作可通过电机、转动圆盘、弧形抓取手等实现。电机1旋转，带动直角机构闭合,从而带动滑轨式连杆机构前后滑动,由弧形抓取手抓取垃圾桶。抓取垃圾桶后,启动电机3、电机4，将桶调整到适当高度；启动电机5，将垃圾桶移动到垃圾回收位置；启动电机2，将嵌入转动圆盘的弧形抓取手旋转180°,使垃圾桶呈倒立状态,实现倾倒垃圾的动作。完成倾倒垃圾动作后,启动电机2，使机械臂前端弧形抓取手反转180°,垃圾桶由倒立状态变为竖直状态,再经由电机3、电机4、电机5动作，将垃圾桶放回原位。

4 结束语

用于抓取倾倒垃圾桶的多自由度机械臂具有六个自由度,灵活性和实用性都大大提高。设计可调整长度的滑轨式连杆机构，可有效调节弧形抓取手的开合角度。设计直角机构，可以在弧形抓取手闭合状态达到最小位置时,依靠机械外形结构相互锁死,防止垃圾桶在抓取过程中意外脱落，既保证了安全性,又实现了可靠抓取、倾倒垃圾桶。这一多自由度机械臂具有较高的效率,值得推广。