手持式三爪夾取器的主要結構設計

◇蘇州工業職業技術學院 褚 磊 徐忠蘭

本文設計了一種手持式夾取器，便于夾取圓形或不規則物體，夾取力大，易鎖緊，夾持平穩防滑，主要從夾頭個數、夾頭結構、傳動機構等幾個方面進行了創新設計，滿足了市場上夾取圓形物件的專用夾具需求。

1 前言

制造業中涉及到的工序較多，通常需要將半成品工件從一個工位轉移到另一個工位繼續加工。工件所處環境有時溫度較高，有時可能處于腐蝕性液體中，需要用夾具協助轉移。環衛工人或公益志愿者撿取垃圾、果皮，廢紙、瓶子等，為防止危險物品劃傷手、細菌病毒污染手，需要使用夾子協助完成。行動不便者通過夾子可在一定距離內拿取物品。花圃里搬運仙人球花盆需要夾子協助，防止花刺扎傷手。尤其是近兩年新冠病毒的傳播讓我們時刻繃緊神經，勤洗手、少聚集，切斷病毒和細菌的傳播途徑，借助取物夾可以避免直接接觸污染的物品，減少病毒細菌的傳播。但是目前市面上的取物器或取物夾基本都是兩爪，夾取穩定性不高，強度不足，當夾取圓形物體時，由于兩爪用力不易平衡，很容易打滑，夾取不方便或滑脫損壞物品。設計一款夾取力大，易鎖緊，夾持平穩防滑的夾取器尤為迫切。

因此，本文設計了一種手持式夾取器，便于夾取圓形或不規則物體，夾取力大，易鎖緊，夾持平穩防滑，主要從夾頭個數、夾頭結構、傳動機構等幾個方面進行了創新設計。

2 夾頭個數的優化設計

目前市場上夾子通常是兩爪夾頭，兩爪夾頭夾取物品著力點是兩處，由于物品形狀多樣且可能不規則，根據受力分析，兩個力很難在同一直線上，很難達到平衡，尤其當夾取圓形物體時會從夾頭滑脫，見圖1。三爪夾頭由于有三個力作用在物體上且向內匯聚很容易達到平衡，夾取平穩，物品不易滑脫，見圖2。

圖1 兩爪夾頭受力圖

圖2 三爪夾頭受力圖

3 夾頭防滑設計

夾頭采用PC材料，PC材料是性能優良的熱塑性工程塑料，具有突出的抗沖擊能力，耐蠕變和尺寸穩定性好，熱穩定性好，吸水率低、無毒，有抑制細菌特性，PC材料相對金屬材料有比較高的摩擦系數，可以增大摩擦力。PC材料通過注塑模具能夠制造出合適的復雜的夾頭形狀。夾爪上與被夾物體接觸的地方整體采用弧形結構，與圓形物體相適應，增大包容面。另外接觸面上設計多根凸起的條棱狀，增大夾頭與物體的摩擦力，起到防滑作用。夾爪結構示意圖見圖3。

圖3 夾爪結構示意圖

4 夾頭的拉緊傳動機構設計

夾頭保持常開，夾緊是通過手部動作來實現，從手指的扣機動作到夾子頭部夾頭的收緊動作需要一套傳動機構。拉緊動作可以通過最簡單的構件彈簧來實現，手松開靠彈簧的回彈使夾頭張開，但是彈簧拉緊力不夠穩定，且時間長了容易失效，夾頭的夾緊力不足以夾取物品。連桿式拉緊機構結構簡單，見圖4，能實現運動的傳遞且夾緊力穩定，看似能實現夾子頭部的夾緊，但是在拉桿（構件2）與滑槽配合度要求較高的條件下，機構自由度計算公式如下：自由度個數F=3n-2PL- PH=3*2-2*3-0=0，其中n為連桿式拉緊機構中活動構件的數量，PL為 低副個數，PH為 高副個數，經計算，自由度為0，則機構因為自由度的缺失而無法傳遞運動，不能實現夾緊。

圖4 連桿式拉緊機構簡圖

為解決自由度的問題，對連桿式拉緊機構進行改進，在原先運動受限的結構處增加活動構件的數量，同時也改變了運動副的個數。在構件2和構件1之間增加一個構件3，即增加一個滑槽機構（構件3），見圖5，構件3上的槽與構件1上的桿組成一個移動副。機構自由度計算公式如下：自由度個數F=3n-2PL- PH=3*3-2*4-0=1，自由度為1，原動件個數也為1，滿足原動件個數=自由度個數≥1，機構具有確定的運動。工作原理如下：拉動拉桿（構件2），通過轉動副B帶動構件3運動，構件3通過移動副帶動構件1繞轉動副A點轉動，實現夾子頭部夾緊。構件均為剛性構件，傳動穩定，夾持力大。

5 采用輕型材料

在滿足夾取功能的基礎上盡可能減輕整個產品的重量，讓使用者輕松操作。起機架作用的方管采用塑料，圖5中構件2可以設計成鋼絲，其它零部件亦可采用塑料注塑成型，既可成復雜一體，又大大減輕重量，節約成本。

圖5 鉸鏈滑塊傳動機構拉緊示意圖

6 結束語

本文對生活中的手持式夾取器進行了創新設計和研究。將常見的兩爪改為三爪，增加了夾取的強度、力度和穩定性；夾頭材料采用PC材料，增大摩擦系數，夾頭結構采用弧形接觸面帶條棱，增大摩擦力和抓取的穩定性；傳動結構采用鉸鏈滑塊機構，使傳動順暢省力，效率高，滿足了市場的需求。