自行車輪胎夾持機械手爪的設計

李亞男，李東，王沖，芮鵬，陳磊

（北京強度環境研究所，北京 100076）

0 引言

自行車出行既環保又便捷，但自行車的亂停亂放也為城市交通帶來極大不便，自行車庫成為研究的熱點[1]。其中，自動化立體自行車庫可以實現存車時，人工把車放在車庫入口，車庫自動夾取自行車放到指定車位；取車時，車庫自動將自行車從車位取出，放到車庫入口，人工騎走。因此，自行車的自動存取，成為自動化車庫的關鍵點。本文設計了輪胎夾持機械手爪，為自行車的自動存取提供了技術保障，是自動化立體車庫的重要組成部分[2-3]。

1 機械手爪的整體設計

機械手爪的工作流程為：自行車放在車庫入口，機械手爪監測到有輪胎后夾緊輪胎，再將輪胎提升一定高度，使自行車前輪離地，后輪著地，夾緊過程中可以監控輪胎的狀態；將自行車放入車位后放下輪胎，再松開輪胎，自行車得到釋放。

機械手爪需要完成不同直徑、不同寬度輪胎的夾持工作。通過對市面上應用較多的自行車進行統計，確定本機械手爪夾持輪胎直徑為558.8 mm（22 in）～711.2 mm（28 in），輪胎寬度為20～80 mm[4]。

基于以上分析，機械手爪主要是由對輪胎進行夾持的夾持機構、將輪胎提升的提升機構、輸出夾緊提升力的驅動組件和監測輪胎狀態的監測組件等組成。整體設計結構如圖1所示。

圖1 機械手爪

2 夾持機構的設計

夾持機構的作用是實現對輪胎的夾緊，主要結構如圖2所示。

圖2 夾持機構

2.1 設計原理

夾持機構的運動是通過四連桿機構實現的，其工作原理是將機械手臂作為四連桿機構中的曲柄，它直接與機械手指相連；連接滑塊作為四連桿機構中的滑塊；手臂連桿作為四連桿機構中的連桿[5]。通過滑塊的往復運動，實現曲柄（機械手臂）的旋轉，機械手臂帶動機械手指運動，完成對輪胎的夾持工作。

2.2 夾持力分析

對本夾持機構進行受力分析，如圖3所示。通過計算，夾緊力與滑塊運行力的關系為

圖3 夾持機構受力分析圖

式中：P為帶動滑塊運行所需的力；N0為機械手爪產生的夾緊力；b為夾持點與機械臂旋轉軸距離；c為機械臂旋轉軸與手臂連桿鉸接點距離；h為手臂連桿的長度。

通過試驗確定手爪夾緊力，通過結構設計確定其它尺寸，通過上述數據即可確定帶動滑塊運行的力P，本手爪可實現的額定推力為820 N。

2.3 夾持行程分析

夾持輪胎寬度最小為20 mm，根據結構設計，可以得到手指運行最大行程為l，進行行程分析，如圖4所示[6]。實線為手爪初始位置，雙點劃線為手爪夾緊位置，則有

圖4 夾持機構行程分析圖

式中：c為機械臂旋轉軸與手臂連桿鉸接點距離；h為手臂連桿的長度；θ為初始機械臂與旋轉軸水平夾角；s1為初始位置時滑塊與機械臂旋轉軸距離；e為機械臂旋轉軸與滑塊鉸接點垂向距離。

初始位置時，根據結構，上述參數全部已知，可以計算得出s1；待運行到夾緊位置后，角度由θ變成夾緊時機械臂與旋轉軸水平夾角η，則

通過計算，可以得出連接滑塊運動行程s。本手爪滑塊的運動行程為120 mm。

3 提升機構的設計

提升機構的作用是將夾緊后的輪胎進行提升，使自行車在軌道上運行時，只有后輪在軌道上滾動，減小運行的阻力。主要結構如圖5所示。

圖5 提升機構

3.1 設計原理

提升機構的運動同樣是通過四連桿機構實現的，其工作原理是將機械手指和提升連桿作為四連桿機構中的連桿，提升上、下擺桿作為四連桿機構中的擺桿。機械手指接觸輪胎，水平方向運動受到限制；提升連桿安裝在夾持機構上，豎直方向運動受到限制；提升連桿繼續隨夾持機構水平運動時，帶動提升上、下擺桿同時擺動；提升上、下擺桿帶動機械手指做豎直方向的運動，實現對輪胎的提升。其中彈簧與限位桿是為了保證機械手指具有固定的初始位置。

3.2 提升行程分析

提升機構中，對輪胎的提升行程是通過上、下擺桿的長度及擺動角度來確定的。假設擺桿長度為L，初始角度為φ，提升到位后，角度為λ，提升行程為f，如圖6所示。

圖6 提升機構行程分析圖

f的計算公式為

提升高度確定后，即可以根據需要設計機械限位，保證手爪夾持時不受損害，本手爪可提升輪胎50 mm。

4 驅動組件的設計

驅動組件的作用是為機械手爪的夾持與提升提供動力，如圖7所示。驅動組件主要是由電動機、聯軸器、柔性連接組件和直線單元組成[7]。其中，電動機通過直線單元帶動柔性連接組件往復運動；柔性連接組件含有關節軸承，帶動夾持機構的連接滑塊運動，完成夾持機構和提升機構的動作。電動機的輸出力是通過前述夾持機構中連接滑塊所需輸出力得出的；直線單元行程是通過前述夾持機構中連接滑塊行程得出的。本手爪中，電動機選擇施耐德電動機bsh0552p31a2a，額定功率為400 W，額定轉矩為0.65 N·m；直線單元型號為KK60 -200A1 -F0C。

圖7 驅動組件

5 監測組件的設計

監測組件主要包括各種傳感器，如圖8所示。輪胎到位傳感器用來監測輪胎是否到位，只有輪胎到位時機械手爪才可以啟動進行夾持工作；機械手爪松開輪胎后，只有輪胎到位傳感器沒有信號時行走機構才可以帶動機械手爪離開。提升到位傳感器用來監測輪胎是否提升到位，只有輪胎提升到位時，手爪驅動電動機才可以停止運行。

圖8 監測組件

6 結語

本文論述了一種自行車輪胎機械手爪的設計，并對手爪的各組成部分進行了詳細介紹。該機械手爪可以對市面上大部分自行車輪胎進行夾持，在某自行車立體庫已應用2 a有余。本機械手爪僅通過一個電動機完成對輪胎的夾持與提升，結構簡單，系統穩定；通過完備的監測組件設置保證了機械手爪的可靠運行。