便攜式搶險救援機械手的設計
——人機工程學的拓展應用

長安大學工程機械學院 王 佳

便攜式搶險救援機械手的設計
——人機工程學的拓展應用

長安大學工程機械學院 王 佳

圖1 機械手實物內(nèi)部結構圖

本文設計了一種新型便攜式手持救援裝置。應用人機工程學原理，使機械與人手相配合，從使用者的角度出發(fā)，操縱起來方便、快捷、不易產(chǎn)生疲勞，從而達到快速救援的目的。通過結構設計、模擬運行及制造加工，證明該設計的有效性。

機械手 搶險救援 人機工程學 模擬運行

一、引言

近年來，由于人為以及自然因素的影響，地質(zhì)災害的發(fā)生日趨頻繁。在地震、泥石流、礦難等災害中，由于地理環(huán)境復雜，大多數(shù)情況下僅能采用人工救援方式。考慮到人手在高強度作業(yè)下易疲勞，接觸鋼件、砂石等堅硬物體容易造成施救人員手指磨傷，并且工作效率較低，遠達不到救援要求，本文設計了代替人手的簡易挖掘裝置——便攜式搶險救援機械手，實現(xiàn)代替人手小范圍的挖掘、搬運、夾持等功能。

二、結構設計

針對人工救援的現(xiàn)狀，救援裝置應滿足下列要求：首先，不需要外部動力輸入以適應現(xiàn)場無電等情況，動力來源于人的整臂力量；其次，保護人手，防止造成損傷以及實現(xiàn)較長時間的工作，提高工作效率；最后要求裝置較為靈活，可實現(xiàn)多方位救援。

基于上述三點，本文提出了采用雙搖桿機構實現(xiàn)刨挖功能、杠桿原理實現(xiàn)夾持功能的設計思路[1-3]。其設計的具體結構如圖1所示。

工作原理：將連接桿部分固定于人的腕部，根據(jù)人機工程學[4]的設計尺寸，保證人手大致處于支撐架的上方(即設計的操作空間范圍內(nèi))，用四指的彎曲與彈簧的自動復位來實現(xiàn)對移動板下的控制桿的操縱，從而實現(xiàn)刨挖功能；夾持杠桿的支點固定于移動板上，尾部為夾持拉桿，通過手控制此桿實現(xiàn)前端夾持塊的張合。

詳細結構裝置和應用表述如下：

（1）結構介紹。該裝置主要由執(zhí)行機構，傳動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。其中執(zhí)行機構包括指型鋼制爪，利用仿生學[5]模擬手指的運動，實現(xiàn)簡易的挖掘動作；傳動機構，由連桿機構實現(xiàn)對力的放大，使執(zhí)行機構產(chǎn)生足夠的力來完成擺動、移動或復合運動來實現(xiàn)挖掘、搬運、夾持等動作。其控制是通過操縱桿，以簡單的拉伸，實現(xiàn)機械手的張合、夾持等動作。

（2）頭部刨挖裝置。頭部刨挖裝置在應用過程中桿件的動作過程是：當把工作爪插入沙土中時，用四指向后拉動控制桿，由此帶動桿逆時針旋轉(zhuǎn)，通過其帶動主桿沿套筒向后運動，通過連桿機構帶動桿向下順時針轉(zhuǎn)動，帶動執(zhí)行機構向下刨挖沙土。然后利用手臂及全身的力量將沙土刨出。當松開手拉桿，由于復位彈簧作用，使執(zhí)行機構實現(xiàn)自動回位。

（3）夾持裝置。當想夾持某種物體時，可用食指和中指夾住夾持拉桿向后拉，通過之間的類似于虎鉗的杠桿機構實現(xiàn)夾持物體的功能。同樣，利用下部的復位彈簧，當松開夾持拉桿時，即可松開物體。為了在夾持物體時不受刨挖裝置的影響[6]，使刨挖裝置可以前后移動，該動作通過一個可滑動的主板解決。在移動板的兩側(cè)支撐桿內(nèi)部銑有一定深度的槽，兩個支撐桿通過孔分別與前后兩絲桿相連，主板可以在支撐桿之間來回滑動。主板結構及連接如圖1所示。

（4）腕部連接。由于手腕部件設置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。

三、設計制造特點

便攜式搶險救援機械手是人手的延伸，是手持裝置，設計制造時應注意在以下幾個方面：

（1）由于是人手持作業(yè)，要求整體重量要輕，否則容易造成使用人員手部疲勞。因此，在保證強度的前提下，結構桿采用輕質(zhì)材料制作，除主要工作部件外，其他大部分桿件均采用高強度鋁合金材料；

（2）為了保證操作輕便、省力，各連接部位應減小摩擦阻力，采取潤滑措施。由于結構及空間制約，機械手連接部位采取滴油潤滑方式。

（3）為適應人手部和前臂的生理特征，手腕連接部分在設計上采取外剛內(nèi)柔，保證操作者腕部舒適性、可操控性且不易疲勞。

四、結論

本文設計的便攜式搶險救援機械手主要有以下幾個創(chuàng)新點：

（1）便攜式搶險救援機械手體積小，重量輕，外形就像一副手套，便于攜帶。救援人員能方便地將其帶入災難現(xiàn)場，實施救援。

（2）便攜式搶險救援機械手可代替人手實現(xiàn)小范圍的挖掘及夾持功能。對石塊，泥土，沙礫等散狀物體實現(xiàn)簡易的刨挖功能，而對于樓板，鋼筋，混凝土等物體的搬移可避免與手的直接接觸，起到了對手的保護作用，增強了手的工作強度，配合手實現(xiàn)靈活的抓取、刨挖功能。

（3）由于該設計無外部電源動力驅(qū)動，僅需人力，克服了電力設備由于沒電而使機械癱瘓的弊端，使救援人員可以快速實施救援，增加被困人員生存的信心。

（4）產(chǎn)品造價低廉，操作簡單，即戴即用，容易普及。由于近年來我國煤礦事業(yè)的迅猛發(fā)展，從事井下作業(yè)的工人急劇增多，煤礦安全隱患較為突出，故該機械手市場潛力很大。

（5）該機械手不僅可用于事故處理，也可以用于其它行業(yè)。如對于從事野外科考探險人員以及熱衷于深山游覽的“驢友”來說，此裝置也是不二的選擇。

[1] 張偉社. 機械原理與設計.西安：西北工業(yè)大學出版社，2001,P37

[2] 龔建新.《機械原理課程設計指導書》[M].北京：高等教育出版社,2005,P6

[3] 吳宗澤.機械結構設計準則與實例.北京:機械工業(yè)出版社,2006,P69-72

[4] 丁玉蘭. 人機工程學.北京：北京理工大學出版社，2005，P65-70

[5] 林良明.仿生機械學.上海：上海交通大學出版社，1994(4)：P5-12

[6] 何國偉.可靠性設計.北京:機械工業(yè)出版社, 1993, P135