施雨含，楊玉潔，熊夢(mèng)嬌，王典凡，景晨雨，張煥萍

(1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

取物器已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及日常的垃圾拾取工作中，但醫(yī)用取物器設(shè)計(jì)獨(dú)特精密、造價(jià)較高，僅適用于特定的醫(yī)療工作中[1]；垃圾拾取采用的取物器構(gòu)造較為簡單，且一般用于拾取輕便型物體。因此，適用于普通用品的懶人取物器應(yīng)運(yùn)而生，它可以滿足人們的日常取物需求，尤其是面向上床下桌的高校宿舍學(xué)生和行動(dòng)不便的老年人，很多研究者已從夾取、收納、使用方式等各方面對(duì)其進(jìn)行了研究改進(jìn)。

目前市場上用于日常物品的懶人取物器大都存在以下不便之處：一是取物器使用角度十分有限，若物品被體積較大的物體如桌子、櫥柜等擋住，或者物品所處角度不當(dāng)，通常需要多次調(diào)試才能成功取到物品；二是可拾取物品的種類較少，取物器通常采用金屬絕緣或者橡膠夾頭拾取如紙片、果皮等輕小物品，較重較大的物體無法拾起；三是市面上的取物器牢靠性一般，拾取物品后容易滑落，在穩(wěn)定性和安全性上還需改進(jìn)。

筆者提出了一種改進(jìn)的懶人取物器，對(duì)原有取物器進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，并基于SolidWorks軟件對(duì)取物器工作受力時(shí)的夾頭進(jìn)行了靜應(yīng)力仿真分析。

1 懶人取物器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

改進(jìn)的懶人取物器主要由防滑手柄、扳機(jī)、可折疊桿和夾頭構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)模型

對(duì)原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有如下幾處。

1.1 取物器夾頭三爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用三角形的穩(wěn)定性原理，受三角支架以及機(jī)器人三爪夾具的啟發(fā)[2]，改進(jìn)的取物器將普通的兩爪式夾頭改成三爪式夾頭，使抓物更加穩(wěn)定，效率更高，如圖2所示。取物器利用整個(gè)裝置內(nèi)部的串并聯(lián)電路，實(shí)現(xiàn)手柄對(duì)取物器夾頭開合的控制，并通過調(diào)整三個(gè)夾頭的開合弧度，保證取物器在工作時(shí)能夾緊物品。與兩爪式夾頭取物器相比，三爪式取物器取物更加牢固，能夠拾取更重的物品，適用范圍廣同時(shí)保證了安全性。

圖2 取物器三爪式夾頭與兩爪式夾頭

1.2 可折疊桿內(nèi)可轉(zhuǎn)角視物鏡

為了使取物更加方便，在改進(jìn)設(shè)計(jì)中增加了便于觀察判定所取物位置的反光鏡，并在取物器下折疊桿的桿身處設(shè)計(jì)出一個(gè)用于收置反光鏡的小凹槽，如圖3所示。反光鏡底部通過彈簧裝置與下折疊桿相連，通過控制手柄處電路開關(guān)實(shí)現(xiàn)彈簧伸縮，進(jìn)而控制反光鏡的升降[3-4]。反光鏡處設(shè)計(jì)了磁性開合機(jī)制，當(dāng)需要使用反光鏡時(shí)，彈簧彈力增大，蓋子自動(dòng)打開，當(dāng)彈簧彈力減小時(shí)，蓋子自動(dòng)關(guān)閉。這種改進(jìn)的可折疊桿內(nèi)可轉(zhuǎn)角視物鏡，其優(yōu)點(diǎn)是不使用時(shí)可以免去視線的干擾，更便于收納與攜帶。與加入攝像頭和顯示屏相比較，利用反光鏡進(jìn)行視野調(diào)整更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，設(shè)計(jì)制造更為方便，更適用于普通人群的購買與使用[5-6]。

圖3 可折疊桿內(nèi)可轉(zhuǎn)角視物鏡

1.3 防滑手柄和取物器整體設(shè)計(jì)

取物器手柄符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，并采用了防滑涂層。除此之外，裝置內(nèi)設(shè)置了簡單的串并聯(lián)電路，利用電路可實(shí)現(xiàn)手柄對(duì)下折疊桿內(nèi)彈簧裝置以及夾頭的控制。為了優(yōu)化可折疊這一特點(diǎn)，懶人取物器上、下折疊桿處采用螺栓連接，上桿和下桿可實(shí)現(xiàn)超過300°的旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)大了取物角度，減少了收納空間[7]。

2 仿真分析與結(jié)果

為更好地了解取物器在使用過程中夾頭受力情況，基于SolidWorks平臺(tái)對(duì)夾頭進(jìn)行了靜應(yīng)力仿真分析。有限元分析作為一種先進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法，用有限單元將連續(xù)體離散化，通過對(duì)有限化個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)工程問題。文中采用的仿真分析工具SolidWorks Simulation功能強(qiáng)大，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多項(xiàng)功能分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)[8-9]。

2.1 仿真分析參數(shù)設(shè)置

模擬兩爪式夾頭和三爪式夾頭在使用時(shí)的受力情況并進(jìn)行比對(duì)，從仿真分析結(jié)果來驗(yàn)證三爪夾頭比兩爪夾頭更穩(wěn)定高效。取物器在使用時(shí)夾緊過程比較緩慢，算例類型選擇靜應(yīng)力分析；材料選取1060鋁合金。夾頭通過螺釘與下折疊桿連接固定，對(duì)螺釘孔采用固定幾何體夾具，如圖4所示；夾緊力作用于每個(gè)夾頭的端面上，為對(duì)比三爪夾頭和兩爪夾頭的受力情況，對(duì)兩種夾頭使用過程中夾緊力大小都按100N進(jìn)行分析，如圖5所示。網(wǎng)格劃分增加網(wǎng)格控制，使夾頭薄壁結(jié)構(gòu)至少有兩層網(wǎng)格。完成上述有限元參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行該算例，得到三爪夾頭和兩爪夾頭的應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖解。

圖4 靜應(yīng)力仿真分析夾具設(shè)置

圖5 靜應(yīng)力仿真分析負(fù)載設(shè)置

2.2 靜應(yīng)力仿真分析結(jié)果

根據(jù)夾頭實(shí)際受力情況，此研究依據(jù)第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能理論)，用結(jié)構(gòu)范式等效應(yīng)力(Von Mises Stress, MPa)描述模型內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)。在負(fù)載均為100 N的情況下，兩爪式夾頭和三爪式夾頭上產(chǎn)生的應(yīng)力大小不同。兩爪式夾頭最大應(yīng)力處對(duì)應(yīng)的Von Mises應(yīng)力約為18 MPa，小于材料屈服極限(27.6 MPa)，如圖6所示，相應(yīng)表面上的平均應(yīng)力約為14.047 MPa；而三爪式夾頭相應(yīng)表面上的平均應(yīng)力約為9.367 MPa，與兩爪式夾頭相比，三爪式夾頭表面的平均應(yīng)力和最大應(yīng)力都小，因此，在相同負(fù)載下，三爪式夾頭比兩爪式夾頭有更長的使用壽命。同時(shí)，三爪式夾頭的夾緊力約為兩爪式夾頭夾緊力的1.5倍，可以用于夾取更重的物品。

圖6 靜應(yīng)力仿真分析應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié) 語

對(duì)現(xiàn)有的取物器進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，改進(jìn)后的懶人取物器結(jié)構(gòu)新穎、使用便捷、夾緊力強(qiáng)，安全可靠，符合人手握力的自然狀態(tài)。三爪式夾頭相比于傳統(tǒng)的二爪式，更高效穩(wěn)定，具有更好的夾緊力與更長的使用壽命?？墒占{視物鏡擴(kuò)大了取物時(shí)的可視范圍，尤其對(duì)于上床下桌的情形，使用者只需在床上調(diào)整好取物器上下折疊桿的開合角度，利用彈簧裝置彈出的反光鏡，便能輕松取到床下桌面上的物品。戶外活動(dòng)時(shí)，人們可以使用本產(chǎn)品進(jìn)行垃圾拾取以及參與一些義工活動(dòng)等，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)將本產(chǎn)品的功能發(fā)揮到最大化。懶人取物器的改進(jìn)與創(chuàng)新便利了人們的生活，利用改裝和升級(jí)使科技和傳統(tǒng)物品結(jié)合，打造出更貼近生活且更加實(shí)用的產(chǎn)品。