快遞便攜式抓取器設計與仿真研究

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條件下消費者的核心訴求，這其中最重要的就是快遞服務。為了改善快遞業務的分揀質量和分揀效率，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，設計開發了便攜式快遞抓取器，系統地闡述了抓取器的基本原理和結構，并對其進行了力學分析，通過Solidworks建立三維模型，應用ANSYS進行仿真，驗證了其有效載荷。此項設計可應用于快遞行業的分揀業務，并同樣可適用于消費者方便的提取快遞貨物。

關鍵詞：便攜式；抓取器；結構設計；力學仿真

中圖分類號：TU318 文獻標志碼：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度大，致使不認真工作。對于快遞業務的客戶而言，包裹的提取同樣存在不宜抓取的問題。快遞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的服務水平，所以便攜式抓取器的設計十分必要。

而關于快遞抓取器的研究，現在多以機械手的研究為主，王玲等提出一種三自由度物流搬運機械手進行機構設計與仿真分析，實現虛擬裝配和干涉檢查[1]。楊恩霞等介紹了物流機械手的設計，此機械手通過PLC控制各個運動部件[2]。李世蓉等提出裝置是一套能自動搬運貨物的裝置，主要用于自動生產線[3]。熊強等提出一種繩牽引驅動結構的單鉸鏈柔性機械手，實現機械手能夠貼合包裝盒抓取，減少包裝盒的受壓變形[4]。

現有的抓取器主要是通過機械手的方式，結構復雜，不易于攜帶和在分散地點使用。本文以大多數快遞外包裝為長方體等規則形狀來設計抓取部分，并為消費者可隨身攜帶考慮，所設計的抓取器具有輕便小巧等特性。

1 抓取器結構原理及設計

抓取器的結構設計和其工作原理是抓取器正常使用的關鍵，本節具體介紹抓取器的結構和工作原理及內部鏈接的結構和尺寸設計。

1.1 抓取器的基本結構及工作原理

抓取器的主視圖、側視圖如圖1所示。

抓取器在工作時，使連接把手處在最高位置處，使兩側的抓取架分離到最大距離，手握住內把手上的緩沖墊用力作用時，內把手會向上提起，內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上轉軸為中心轉動，從而帶動連接桿4以固定在升降連接桿上的轉軸轉動，連接桿4的另一端通過轉軸帶動連接桿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，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，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。根據最大張開距離和各個連接桿機構之間的連接關系與尺寸，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構的呈現十分簡單，不能充分地展現出抓取器的整體構造，為了使抓取器各結構部件更加具體的呈現出來，本文利用Solidworks建立了抓取器的三維實體模型，更加全面地呈現出抓取器的結構。通過建立各零部件的三維實體模型，然后進行裝配并最終完成整機建模，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量輕，這是鎂合金的優勢；（2）抗拉強度方面，同等體積的鎂合金材料做成的抓取器強度不如鋁合金，所以從重量角度與鋁合金來比較鋁合金有優勢；（3）抗疲勞強度方面，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 抓取器的力學分析

抓取器是由多個金屬桿連接而成，結構復雜，在使用過程中容易由于受力不均，發生形變失去平衡，所以本節對抓取裝置進行力學分析，判斷抓取器在受力的作用下，能否正常抓取包裹。

3.1 摩擦系數分析

首先，對包裹進行受力分析，若包裹要處于靜止狀態，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？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為？滋=0.15，滑動摩擦系數甚至達到0.1-0.12，所以不能用鋁合金表面直接接觸包裹。要在兩夾取架內側表面粘上一層橡膠墊，橡膠的摩擦系數？滋=0.8，比鋼材的摩擦系數大得多，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把手通過連接軸相連，下部與連接桿3通過轉軸相連，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，從整體結構上看，升降連接桿起到承上啟下的作用，是抓取機構的核心。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構連接，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，內把手向上的拉力F3。根據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，F3（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，處于靜止狀態，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 抓取器靜力學仿真

機構設計時，必須滿足受力平衡，常規分析法是圖解法和分析法，但設計精度低且計算量大，必須借助計算機編程來進行處理。借助simulation插件對抓取器進行（ANSYS的內核）力學分析，通過仿真可以確定構件的受力情況和受力范圍，檢驗構件的受力情況是否與期望的相符。

4.1 靜力學仿真結果

通過軟件添加力載荷和劃分網絡，進行仿真分析。分別將載荷設為100N和200N，進行了兩組靜力學仿真。

（1）載荷為100N時，仿真結果如圖5所示。

最大位移出現在夾持末端，與實際情況相符。由圖5可知，機構的應力要與機構材質的屈服強度做比較，機構中軸的屈服強度是2.7574e8，連接桿屈服強度1.376e8（e8代表10^8），最大應力出現在鉸接軸處，與屈服強度還有一段距離。

（2）載荷為200N時，仿真結果如圖6所示。

位移結果與載荷100N時相似，最大位移（1.94mm）出現在夾持末端。由圖6可知，機構中軸的屈服強度是2.7574e8，連接桿屈服強度2.2059e8（e8代表10^8）。從圖中可以看出最大應力（2.753e8）出現在鉸接軸處，與軸的屈服強度已經很接近，此時，若再加大載荷，會使機構發生形變。

4.2 仿真結果分析

當載荷為200N時，抓取器已經形變約2mm，且最大應力已達極限，所以抓取器最大可受200N的力，由摩擦系數分析可知，橡膠墊的摩擦系數為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 結束語

通過設計一種便攜式抓取器來對快遞包裹進行搬運及攜帶，以實現簡化快遞分揀員的工作及方便消費者的快遞取送，并應用材料力學對便攜式抓取器抓取搬運快遞包裹的過程進行了分析，并應用Solidworks建立三維模型進而應用ANSYS進行了力學分析，發現這種便攜式抓起器能夠實現對快遞包裹的抓取和搬運的功能，本文的設計為實現簡化物流快遞包裹搬運提供了可行方法，具有切實的意義。

參考文獻：

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

[2]楊恩霞，侯茗楓，孟祥亮.小型物流機械手的設計[J].機械工程師，2006（12）：98-100.

[3]李世蓉.物流自動化機械手液壓系統設計[J].通用機械，2005（5）：57-58.

[4]熊強，章軍，陳春華，等.柔性快遞包裝盒的分揀機械手結構設[J].機械設計與制造，2014（10）：69-72.

[5]周熙.鎂合金與鋁合金熱軋復合的基礎研究[D].南京：南京理工大學，2008.