國外三種典型垃圾轉運車機械臂上料機構技術分析

合加新能源汽車有限公司 謝 勇

神龍汽車有限公司 王亞蓮

通過對國外三種典型的垃圾轉運車機械臂上料機構進行結構、運動過程、參數特點等方面的分析，進一步總結出三種機械臂上料機構在性能上的優缺點，為適合國內垃圾收運特點的機械臂的研發提供了參考。

國內外越來越多的地區（包括農村地區）正采用垃圾桶裝載作為最為主流的垃圾裝載方式， 通常采用120L/240L 塑料垃圾桶裝載生活垃圾，此方式具有垃圾桶放置方便、方便移動、 質量輕、 成本低等幾大優點。當使用垃圾車對垃圾桶內垃圾轉運時，需要采用機械化的上料機構將垃圾桶內的垃圾倒入垃圾箱中。

目前國內的垃圾車具有各種各樣的后裝、側裝機構，但這些機構都需要先將垃圾桶掛到機構上，然后才能進行裝載， 環衛工人的勞動強度較大。國外很多廠家已經開發出多種專用機械臂上料機構，環衛工人無需下車即可完成垃圾桶上料工作。本文將對國外三種典型的機械臂上料機構進行論述。

Heil 公司 DURAPACK? PYTHON?型機械臂

1.組成結構分析

Heil 公司 DURAPACK? PYTHON?型機械臂由抱桶手爪、舉升臂、伸展臂、伸展油缸、舉升油缸、抱桶油缸、基座、液壓控制系統、電氣控制系統、軟件操作系統等幾大部分構成，如圖1所示。主要參數如表1所示。

2.運動過程分析

2.1 機械臂抓桶過程

伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，抱桶手爪遠離車箱的同時向下運動；舉升油缸輔助部分收回帶動舉升臂展開，抱桶手爪遠離車箱的同時向上運動；抱桶手爪到達垃圾桶位置，抱桶油缸伸出帶動抱桶手抓抓住垃圾桶。機械臂抓桶伸展如圖2所示。

圖1 DURAPACK? PYTHON?型機械臂

表1 DURAPACK? PYTHON?型機械臂主要參數

圖2 機械臂抓桶伸展

2.2 機械臂提桶卸料過程

伸展油缸縮回時帶動伸展臂折疊收回，抱桶手爪靠近車箱同時向上運動；舉升油缸完全收回，帶動舉升臂完全展開，抱桶手爪同時向上運動，同時帶動垃圾桶傾翻，垃圾桶垃圾倒入垃圾箱中。

2.3 機械臂放桶過程

舉升油缸部分伸出帶動垃圾桶翻轉回位，伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，抱桶手爪遠離車箱同時向下運動，抱桶手抓到達垃圾桶放置位置；抱桶油缸縮回帶動抱桶手爪松開垃圾桶。 機械臂提桶卸料示意圖如圖3所示。

圖3 機械臂提桶卸料

2.4 機械臂收回原點位置

伸展油缸縮回時帶動伸展臂折疊收回，同時舉升油缸完全伸出帶動舉升臂完全展開， 機械臂收回原點位置。機械臂原點位置如圖4所示。

圖4 機械臂原點位置

3.機械臂操控系統

DURAPACK? PYTHON?型機械臂操控起來僅僅通過一個操作手柄+兩個按鈕即可完成機械臂的舉升-放下、展開-收回、抓取-松開、機械臂回初始原位等各項操作。機械臂操控手柄如圖5所示。

圖5 機械臂操控手柄

4.性能分析

DURAPACK? PYTHON?型機械臂操控時僅通過一個操作手柄+兩個按鈕即可完成機械臂的舉升-放下、展開-收回、抓取-松開、機械臂回初始原位等各項操作。

4.1 性能優勢

DURAPACK? PYTHON?型機械臂在收縮回初始位置的時候，伸展臂和舉升臂是折疊起來的，所以占用空間比較小。同時機械臂完全展開時的整體長度包括了舉升臂和伸展臂兩段長度，機械臂展開長度比較長，同樣的道理其舉升的高度也更高。通過前面的運動分析看出機械臂的幾個油缸可以同時聯動，所以其運動循環時間僅需8s。

4.2 性能劣勢

通過對DURAPACK? PYTHON?型機械臂的運動分析可以看出，在機械臂抓桶過程中，不僅伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，舉升油缸同時需要輔助部分收回帶動舉升臂展開；放桶時，伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，舉升油缸同時需要輔助部分伸出，帶動垃圾桶翻轉回位以及舉升臂適當收回；抓桶和放桶的過程需要伸展油缸和舉升油缸緊密配合聯動，抱桶手爪的運動軌跡呈現為曲線運動，而且根據垃圾桶位置的不一致，抓桶和放桶過程機械臂的運動軌跡是不一致的，這就導致機械臂的運動控制變得復雜，人工操控機械臂難度增加， 如果機械臂控制系統設計不好，機械臂運動的過程會存在抖動、卡滯的問題隱患。

圖6 Ranger 型機械臂

Bridgeprot 公司 Ranger 型機械臂

1.組成結構分析

Bridgeprot 公司 Ranger 型機械臂由抱桶手爪、舉升臂、伸展臂、舉升油缸、 翻轉油缸、 伸展油缸、 抱桶油缸、基座、液壓控制系統、電氣控制系統、 軟件操作系統等幾大部分構成，如圖6所示。主要參數如表2所示。

2.運動過程分析

2.1 機械臂抓桶過程

伸展油缸伸出帶動伸展臂展開，抱桶手爪遠離車箱運動，抱桶手爪到達垃圾桶位置，抱桶油缸伸出帶動抱桶手爪抓住垃圾桶。

表2 Ranger 型機械臂主要參數

2.2 機械臂提桶卸料過程

伸展油缸縮回時帶動伸展臂收回，抱桶手爪靠近車箱；舉升油缸收回帶動抱桶手爪向上運動，翻轉油缸縮回帶動垃圾桶傾翻，垃圾桶垃圾倒入垃圾箱中。

2.3 機械臂放桶過程

翻轉油缸伸出帶動垃圾桶翻轉回位，舉升油缸伸出帶動抱桶手爪向下運動，伸展油缸伸出時帶動抱桶手爪遠離車箱，抱桶手爪到達垃圾桶放置位置，抱桶油缸縮回帶動抱桶手爪松開垃圾桶。

2.4 機械臂收回原點位置

伸展油缸縮回時帶動伸展臂收回，機械臂收回原點位置。

3.性能分析

3.1 性能優勢

DURAPACK? PYTHON?型機械臂伸展臂的伸展-縮回，舉升臂的上升-下降為簡單的直線運動，并可以通過單一油缸的運動得以實現。整個運動過程控制比較簡單，運動平穩性較好，駕駛員也更容易操作。

3.2 性能劣勢

DURAPACK? PYTHON?型機械臂安裝時占用空間較大，機械臂展開后臂長較短，同時機械臂上料高度較矮，需要在垃圾箱側面設計一個專門的進料口。

McNeilus 公司 Zero-Radius 型機械臂

1. 組成結構分析

McNeilus 公司 Zero-Radius 型機械臂由抱桶手爪、伸展臂、提升導軌、液壓馬達、伸展油缸、基座、液壓控制系統、電氣控制系統、軟件操作系統等幾大部分構成。如圖7所示。主要參數如表3所示。

表3 Zero-Radius 型機械臂主要參數

圖7 Zero-Radius 型機械臂

2. 運動過程分析

2.1 機械臂抓桶過程

伸展油缸伸出帶動伸展臂展開，抱桶手爪（包括導軌）遠離車體運動，抱桶手爪到達垃圾桶位置， 抱桶油缸伸出帶動抱桶手爪抓住垃圾桶。機械臂伸出抓桶如圖8所示。

圖8 機械臂伸出抓桶

2.2 機械臂提桶卸料過程

伸展油缸縮回時帶動伸展臂收回，抱桶手爪（包括導軌）靠近車體；液壓馬達帶動抱桶手爪沿著軌道運動，抱桶手爪帶著垃圾桶沿著導軌向上運動并傾翻，垃圾桶垃圾倒入垃圾箱中。機械臂提桶卸料如圖9所示。

圖9 機械臂提桶卸料

2.3 機械臂放桶過程

液壓馬達帶動抱桶手爪沿著導軌翻轉并向下運動，伸展油缸伸出時帶動抱桶手爪（包括軌道）遠離車箱， 抱桶手爪到達垃圾桶放置位置，抱桶油缸縮回帶動抱桶手爪松開垃圾桶。

2.4 機械臂收回原點位置

伸展油缸縮回時帶動伸展臂（包括軌道）收回，機械臂收回原點位置。

3.性能分析

3.1 性能優勢

McNeilus 公司Zero-Radius 型機械臂伸出-縮回為簡單的直線運動，上料時抱桶手爪在液壓馬達的推動下沿著導軌運動，整個運動過程控制比較簡單，運動平穩性較好，駕駛員也容易操作。同時由于采用了導軌式結構，機械臂上料高度更高。

3.2 性能劣勢

由于采用導軌的框架結構，整個機械臂占用空間比較大，直線運動的伸展臂的伸出距離較短。由于導軌隨著伸展臂一起運動，其結構強度要求更高。

結語

國外垃圾機械臂上料機構有很多種，不同的結構都有其設計特點，本文僅僅選取了三種比較有代表性的進行了技術分析。機械臂上料機構最大的特點就是無人化，大大減輕了環衛工人的勞動強度，大大降低了垃圾收運的成本，是未來垃圾收運的發展方向。國內的垃圾機械臂設計人員在參考國外機械臂上料機構設計時，一定要考慮到不同結構性能上的優缺點，并且一定要結合國內垃圾成分特點以及國內垃圾收運模式進行綜合考慮，才能設計出適合國內垃圾收運特點的機械臂。