垃圾車機械手運動學特性分析

伍麗娜，陳 韜，張 凱，鄭華康

(中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司， 湖北 武漢 430056)

0 引言

側裝式垃圾車在智慧環衛系統中發揮著重要的作用，機械手是垃圾車裝載作業中的關鍵部件，其可以在一定范圍內對垃圾桶進行自動精準的抓取、上料、傾倒，實現裝載垃圾的自動化操作，減少環衛作業人工成本，提高作業效率。上料機械手運動學特性直接影響整個作業過程的可靠性，其中提升工況尤為重要，垃圾桶重心、關鍵部件運動軌跡變化以及運動速度變化規律等均為結構設計中的關注點。本文以上料機械手3D設計模型為基礎，運用ADAMS仿真軟件對提升工況進行仿真分析，得到上料機械手提升過程中齒輪中心運動速度變化規律及垃圾桶重心運動軌跡，并將結果與理論計算進行對比，以驗證結構設計的合理性。

1 機械手的機構運動學分析

1.1 垃圾車機械手工作原理

圖1為機械手3D模型，圖2為機械手結構組成。機械手進行垃圾傾倒作業時，主要分為以下三個階段：①機械手側向滑動伸出；②機械抓手定位垃圾桶并抓緊；③機械抓手及垃圾桶在提升馬達作用下沿導軌向上滑動，完成垃圾傾倒作業。

1.2 提升齒輪中心運動速度計算

上料機械手提升階段是利用齒輪齒條嚙合結構完成，在分析提升齒輪中心運動速度規律時，依據齒輪嚙合原理進行簡化，并對整個嚙合過程進行分析。齒輪嚙合簡圖如圖3所示，齒輪中心運動簡圖如圖4所示。

由齒輪嚙合原理可知，在節圓處兩齒輪線速度相等，即：

r1ω1=r2ω2.

(1)

其中：r1為從動齒輪節圓半徑;ω1為從動齒輪角速度；r2為驅動齒輪節圓半徑；ω2為驅動齒輪角速度。

圖1 機械手3D模型

1-固定伸縮導軌；2-縮進裝置；3-伸縮臂；4-導向機構；5-抓手安裝座；6-提升馬達；7-機械抓手

為了計算驅動齒輪中心的速度，即O2點的線速度v2，可將圖3簡化為圖4，即將O1點固定鉸接，桿O1O2可以繞O1以ω1轉動。因此：

v2=(r1+r2)ω1.

(2)

將式(1)代入式(2)得：

(3)

(1) 齒輪中心線速度狀態一：上料機構在豎直階段運動時，即r1趨向于∞。將數值代入式(3)得：

v2=r2ω2.

(4)

設r2=80 mm，提升馬達設計轉速n1=2.2 r/s，ω2=2πn1=13.86 rad/s。將數值代入式(4)得：

v2=r2ω2=1.1 m/s.

(2) 齒輪中心線速度狀態二：上料機構在弧形階段運動時，即r1=308 mm。將數值代入式(3)得：

圖3 齒輪嚙合簡圖

圖4 齒輪中心運動簡圖

1.3 機械手運動桿件模型建立

為了更好地簡化模型算法，采用簡單的建模方法，即基于運動學分析中的D-H方法完成機械正運動學問題，研究末端執行器即垃圾桶重心位置的運動軌跡。如圖5所示，將機械手的每個桿件定義為Li，其中桿件Li在整個系統中坐標為{Xi，Yi，Zi}。整個機械手機構提升過程可以簡化為兩個關節運動，其中一個移動關節、一個旋轉關節，設置于圖2中件4與件5之間，垃圾桶重心位置的坐標系為{X3，Y3，Z3}。

圖5 機械手提升過程桿件坐標系

2 運動學仿真分析

2.1 虛擬樣機模型建立

虛擬樣機技術是一種基于虛擬樣機的數字化設計方法，在工程中的應用是通過界面友好、功能強大、性能穩定的商業化虛擬樣機軟件實現的。目前，在國際上比較有影響力的虛擬樣機分析軟件有美國MSC公司的ADAMS、比利時LMS公司的DADS等[1]。本文采用ADAMS軟件進行虛擬樣機的建立，其分析流程如圖6所示[2]。

2.1.1 樣機模型導入

三維幾何實體為了無限接近真實的產品，會添加許多配合關系。而機械系統動力學的研究注重約束和驅動，所以對模型施加前處理很重要，以簡化三維實體模型[3-5]。本文所研究內容為上料機構的動態特性，即研究機械手成功抓取垃圾桶后的上料傾倒過程的動態特性。因此，在模型導入時，將垃圾桶與抓手、掛架部件作為整體部件導入到ADAMS中；將伸縮臂簡化，與導軌作為整體導入；驅動齒輪作為一個單獨部件導入；掛架上的四個滑動滾輪也分別以一個單獨部件導入虛擬樣機中，最終完成了樣機模型的導入。

圖6 ADAMS軟件虛擬樣機分析流程

為了更快捷地進行運動學和動力學特性分析，定義標準坐標系，本分析中定義X軸為與機械手伸縮方向平行，Y軸為與垃圾桶提升方向平行，Z軸為與車輛行駛方向平行(車輛模型未導入樣機中)，所建立的虛擬樣機模型如圖7所示。

2.1.2 運動約束及驅動添加

以本文主要研究內容為依據對虛擬樣機模型施加運動副約束、接觸以及添加驅動，以此將不同構件連接起來構成一個機構系統。添加約束后的虛擬模型如圖8所示，具體的運動副約束及接觸如表1所示。

2.1.3 施加驅動及載荷

為了使機構系統完成運動學和動力學模擬仿真，需要對樣機模型施加驅動及載荷。分析這個垃圾傾倒過程，其驅動力源自驅動齒輪的旋轉，進而帶動垃圾桶沿導軌滑動。本文在驅動齒輪的運動副處添加驅動，已知驅動齒輪旋轉的馬達設計轉速為2.2 r/s，換算成角度為792°/s，因此，定義驅動函數為792 d，添加在齒輪與掛架之間的旋轉副上。

本文研究內容為垃圾車機械手抓取垃圾桶后的垃圾傾倒過程的動態特性，所受載荷主要來源于垃圾桶內的垃圾，模型中模擬的垃圾桶為240 L，垃圾裝滿后重量為120 kg，即滿載垃圾桶所受重力為1 200 N。分析動作過程如下：在提升階段，垃圾桶整體重量是不變的；當進入弧形階段后，垃圾桶開始傾斜，垃圾桶內垃圾會倒出，直至機械手沿弧形階段運動完成時，垃圾傾倒完畢，此刻載荷為0 kg。假設機械手在弧形階段運行開始于第2.1 s，結束于2.2 s，因此，在垃圾桶質心位置施加一個STEP函數：

STEP(time，2.1，1 200，2.2，0)

表1 上料機械手運動副及接觸

2.2 運動學仿真分析

運動學分析的目的是僅從幾何學的角度，研究各構件上特定位置的運動參數——位移、速度、加速度等。為了直觀地表示機械手上料過程中的運動特性，仿真結束后測量得到了驅動齒輪中心的速度變化曲線和驅動齒輪中心及垃圾桶質心運動軌跡，如圖9、圖10所示。

由圖9可以看出：在整個提升過程中，機構處于豎直軌道時，驅動齒輪中心的速度維持恒定值1.1 m/s

(注：本文設定的驅動馬達保持恒定轉速運動)；進入弧形階段后，由于相對坐標系的變化，造成驅動齒輪中心處的速度發生變化，其值為維持在1.4 m/s左右波動。仿真結果與本文1.2小節理論計算相吻合。由圖10可以看出：驅動齒輪中心及垃圾桶質心的運動軌跡基本都沿著軌道的形狀運動，在直線段與弧形段相銜接部分會有輕微的沖擊變化，這是因為機構受力情況發生改變，軌跡出現輕微變化。

圖9 驅動齒輪中心速度變化曲線

圖10 驅動齒輪中心及垃圾桶質心運動軌跡

3 結論

本文以上料機械手的上料過程為研究對象，以理論計算的方式得到運動部件的運動特性，結合仿真分析手段，進一步驗證了理論計算的合理性，并且較為直觀地展示了垃圾桶質心及齒輪中心的運動軌跡。本文一方面采用理論計算與仿真分析相結合的方式驗證了結構設計的合理性，另一方面研究了結構部件的運動特性，為后期零件選型提供了理論依據。