用于抓取傾倒垃圾桶的多自由度機械臂

□ 王青鋒 □ 郭廣順 □ 馬德彬 □ 焦佳寶

1.華北理工大學 機械工程學院 河北唐山 0632102.華北理工大學 電氣工程學院 河北唐山 063210

1 設計背景

在人口密集的場所,垃圾桶的抓取與傾倒對于保潔人員而言難度較大[1-2]。大型小區的樓層多,垃圾桶數量多,依靠人工手動抓取垃圾桶,步行收集垃圾，不僅清潔效率低下,而且不衛生[3-6]。針對這一問題,筆者設計了一款專門用于在小區樓層間抓取并傾倒垃圾桶的多自由度機械臂[7-8]。

圖1所示為安裝在履帶車體上的多自由度機械臂。這一多自由度機械臂可以通過履帶車體在樓層中上下移動,有效提高清潔人員的工作效率,節約工作時間,還可以避免在抓取垃圾桶過程中發生意外脫落事故,安全可靠[9-10]。

▲圖1 安裝在履帶車體上的多自由度機械臂

2 整體結構設計

應用SoildWorks軟件構建用于抓取并傾倒垃圾桶的多自由度機械臂三維模型,如圖2所示。

▲圖2 多自由度機械臂三維模型

由圖2可知,多自由度機械臂由直角機構、弧形抓取手、滑軌式連桿機構、轉動圓盤、機械支撐架、圓形底座及電機組成。弧形抓取手前端的弧線設計,可增大與垃圾桶的接觸面積,使垃圾桶的抓取更容易。直角機構的設計可有效將電機的扭矩傳遞至下一機構,同時在抓取手處于閉合狀態時相互鎖死,防止垃圾桶在抓取過程中意外脫落。電機啟動時,通過嵌入式配合帶動滑軌式連桿機構運動,將電機的扭矩傳遞至弧形抓取手,并根據垃圾桶的大小調節滑軌式連桿機構的行進長度,調整弧形抓取手的開合角度,實現弧形抓取手的張開與閉合,完成對垃圾桶的有效抓取。轉動機械臂圓形底座上的電機5,可實現多自由度機械臂的360°旋轉。在抓取垃圾桶后，由機械臂上的電機2、電機3和電機4共同完成垃圾桶的上升與下降動作,保證垃圾桶抓取過程的平穩性與快速性。轉動圓盤主要起支撐作用,保證前端弧形抓取手抓取動作的穩定。

3 傾倒垃圾動作

多自由度機械臂傾倒垃圾的動作可通過電機、轉動圓盤、弧形抓取手等實現。電機1旋轉，帶動直角機構閉合,從而帶動滑軌式連桿機構前后滑動,由弧形抓取手抓取垃圾桶。抓取垃圾桶后,啟動電機3、電機4，將桶調整到適當高度；啟動電機5，將垃圾桶移動到垃圾回收位置；啟動電機2，將嵌入轉動圓盤的弧形抓取手旋轉180°,使垃圾桶呈倒立狀態,實現傾倒垃圾的動作。完成傾倒垃圾動作后,啟動電機2，使機械臂前端弧形抓取手反轉180°,垃圾桶由倒立狀態變為豎直狀態,再經由電機3、電機4、電機5動作，將垃圾桶放回原位。

4 結束語

用于抓取傾倒垃圾桶的多自由度機械臂具有六個自由度,靈活性和實用性都大大提高。設計可調整長度的滑軌式連桿機構，可有效調節弧形抓取手的開合角度。設計直角機構，可以在弧形抓取手閉合狀態達到最小位置時,依靠機械外形結構相互鎖死,防止垃圾桶在抓取過程中意外脫落，既保證了安全性,又實現了可靠抓取、傾倒垃圾桶。這一多自由度機械臂具有較高的效率,值得推廣。