快递便携式抓取器设计与仿真研究

曹思琦 董景峰 舒欣 卢羲 梁家鹏

摘 要：以终端消费者为对象，个性化、多样化的物流體验将成为电子商务条件下消费者的核心诉求，这其中最重要的就是快递服务。为了改善快递业务的分拣质量和分拣效率，提升快递分拣人员的操作安全、有效和舒适性，针对这些问题，设计开发了便携式快递抓取器，系统地阐述了抓取器的基本原理和结构，并对其进行了力学分析，通过Solidworks建立三维模型，应用ANSYS进行仿真，验证了其有效载荷。此项设计可应用于快递行业的分拣业务，并同样可适用于消费者方便的提取快递货物。

关键词：便携式；抓取器；结构设计；力学仿真

中图分类号：TU318 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0059-03

Abstract： With terminal consumers as the object， personalized and diversified logistics experience will become the core demand of consumers under the conditions of electronic commerce， the most important of which is express service. In order to improve the sorting quality and efficiency of express delivery service and enhance the safety， effectiveness and comfort of the operation of express sorting personnel， a portable express crawler is designed and developed to solve these problems. The basic principle and structure of the crawler are expatiated systematically， and its mechanics analysis is carried out. The 3D model is established by Solidworks， and its payload is verified by ANSYS simulation. This design can be applied to the sorting business of express delivery industry， and can also be applied to the convenience of consumers to pick up express goods.

Keywords： portable； crawler； structural design； mechanical simulation

暴力分拣一直是快递行业的一个问题，究其原因，是快递员徒手分拣快递包裹体力劳动强度大，致使不认真工作。对于快递业务的客户而言，包裹的提取同样存在不宜抓取的问题。快递分拣员的暴力分拣和消费者取快递的不便，降低了物流快递行业的服务水平，所以便携式抓取器的设计十分必要。

而关于快递抓取器的研究，现在多以机械手的研究为主，王玲等提出一种三自由度物流搬运机械手进行机构设计与仿真分析，实现虚拟装配和干涉检查[1]。杨恩霞等介绍了物流机械手的设计，此机械手通过PLC控制各个运动部件[2]。李世蓉等提出装置是一套能自动搬运货物的装置，主要用于自动生产线[3]。熊强等提出一种绳牵引驱动结构的单铰链柔性机械手，实现机械手能够贴合包装盒抓取，减少包装盒的受压变形[4]。

现有的抓取器主要是通过机械手的方式，结构复杂，不易于携带和在分散地点使用。本文以大多数快递外包装为长方体等规则形状来设计抓取部分，并为消费者可随身携带考虑，所设计的抓取器具有轻便小巧等特性。

1 抓取器结构原理及设计

抓取器的结构设计和其工作原理是抓取器正常使用的关键，本节具体介绍抓取器的结构和工作原理及内部链接的结构和尺寸设计。

1.1 抓取器的基本结构及工作原理

抓取器的主视图、侧视图如图1所示。

抓取器在工作时，使连接把手处在最高位置处，使两侧的抓取架分离到最大距离，手握住内把手上的缓冲垫用力作用时，内把手会向上提起，内把手带动升降连接杆上移，升降连接杆带动连接杆3上移，使连接杆2以固定在连接杆1上转轴为中心转动，从而带动连接杆4以固定在升降连接杆上的转轴转动，连接杆4的另一端通过转轴带动连接杆6和连接杆5，连接杆6带动抓取架水平移动，在移动过程中将快递包裹夹紧，将手提架提起即可将快递包裹提起。

1.2 抓取器的尺寸确定

由于抓取器用于抓取快递包裹，所以抓取器的尺寸确定依赖于快递包裹的一般尺寸；以顺丰快递加固纸箱包装的尺寸为依据，确定抓取器的尺寸大小。

由于抓取架张开距离越大，整体尺寸就越大，所以必须选取各整体尺寸最大的类别中长宽高中最小的尺寸作为依据，最终选定尺寸为320MM，考虑包裹尺寸误差等问题，将最大张开距离定为350MM。根据最大张开距离和各个连接杆机构之间的连接关系与尺寸，最终确定抓取器的整体尺寸为：宽260MM、长440MM，厚度忽略不计，抓取架的宽为50MM。

1.3 抓取器三维建模

平面图对于抓取器各结构的呈现十分简单，不能充分地展现出抓取器的整体构造，为了使抓取器各结构部件更加具体的呈现出来，本文利用Solidworks建立了抓取器的三维实体模型，更加全面地呈现出抓取器的结构。通过建立各零部件的三维实体模型，然后进行装配并最终完成整机建模，如图2所示。

2 抓取器的材料选择

抓取器既要便于抓取货物包裹，又要便于携带，所以在强度、密度上有一定要求。选用合金材料更为合适。合金材料中以镁合金和铝合金最为常见，成本也最低。镁合金和铝合金主要参数见表1[5]。

（1）比重密度方面，同等体积的条件下镁合金比铝合金质量轻，这是镁合金的优势；（2）抗拉强度方面，同等体积的镁合金材料做成的抓取器强度不如铝合金，所以从重量角度与铝合金来比较铝合金有优势；（3）抗疲劳强度方面，同等体积的镁合金材料做成抓取器的耐久性能比铝合金抓取器差。这也是镁合金致命的缺点；（4）弹性模量方面，镁合金材料做成的抓取器刚性比铝合金抓取器差，同等厚度和管径做成的抓取器在实际使用时会吸收较多的力度影响抓取效率。所以综上所述，便携式快递抓取器的材料选用铝合金更为合适。

3 抓取器的力学分析

抓取器是由多个金属杆连接而成，结构复杂，在使用过程中容易由于受力不均，发生形变失去平衡，所以本节对抓取装置进行力学分析，判断抓取器在受力的作用下，能否正常抓取包裹。

3.1 摩擦系数分析

首先，对包裹进行受力分析，若包裹要处于静止状态，由平衡力的定义可知，包裹所受力的合力为零。包裹共受到三个力的作用，一是自身重力、二是左右两抓取架3所给的摩擦力，如受力分析图3（a），由三力平衡汇交定理可知，三力作用线必汇交一点，受力分析如图3（b）所示。

由公式（3）可知，mg一定，要想使N（使用者用的力）减小，那么摩擦系数？滋必须选择大一些。

抓取架为铝合金所铸成，表面较为光滑，铝合金的静摩擦系数为？滋=0.15，滑动摩擦系数甚至达到0.1-0.12，所以不能用铝合金表面直接接触包裹。要在两夹取架内侧表面粘上一层橡胶垫，橡胶的摩擦系数？滋=0.8，比钢材的摩擦系数大得多，橡胶防滑垫在与快递包裹接触时，由于重力而使包裹掉落的情况大大减少，提高抓取的牢固性。

3.2 升降连接杆受力分析

从图1中可以看出，升降连接杆上部与内把手通过连接轴相连，下部与连接杆3通过转轴相连，升降连接杆既间接承受来自于手部的握力又间接承受包裹的重力，从整体结构上看，升降连接杆起到承上启下的作用，是抓取机构的核心。所以它的受力平衡对于整个抓取器十分重要。

由于升降连接杆与三部分机构连接，所以其受力可以简化为三个力的相互作用，两个连接杆3的向下拉力F1、F2，内把手向上的拉力F3。根据力的平衡和分解理论、三力平衡汇交定理，如图4所示，将升降连接杆简化为长方形，连接杆3所给的两力F1、F2大小相等，且与x轴的夹角θ也相同。

包裹的重量不同，F3（快递包裹M和其它零部件m的重量和）不同，θ、F1、F2也随之变化，但是三力平衡是不变的，升降连接杆受力平衡，处于静止状态，从而上下各连接杆不会受到影响，所以抓取器可以正常使用。

4 抓取器静力学仿真

机构设计时，必须满足受力平衡，常规分析法是图解法和分析法，但设计精度低且计算量大，必须借助计算机编程来进行处理。借助simulation插件对抓取器进行（ANSYS的内核）力学分析，通过仿真可以确定构件的受力情况和受力范围，检验构件的受力情况是否与期望的相符。

4.1 静力学仿真结果

通过软件添加力载荷和划分网络，进行仿真分析。分别将载荷设为100N和200N，进行了两组静力学仿真。

（1）载荷为100N时，仿真结果如图5所示。

最大位移出现在夹持末端，与实际情况相符。由图5可知，机构的应力要与机构材质的屈服强度做比较，机构中轴的屈服强度是2.7574e8，连接杆屈服强度1.376e8（e8代表10^8），最大应力出现在铰接轴处，与屈服强度还有一段距离。

（2）载荷为200N时，仿真结果如图6所示。

位移结果与载荷100N时相似，最大位移（1.94mm）出现在夹持末端。由图6可知，机构中轴的屈服强度是2.7574e8，连接杆屈服强度2.2059e8（e8代表10^8）。从图中可以看出最大应力（2.753e8）出现在铰接轴处，与轴的屈服强度已经很接近，此时，若再加大载荷，会使机构发生形变。

4.2 仿真结果分析

当载荷为200N时，抓取器已经形变约2mm，且最大应力已达极限，所以抓取器最大可受200N的力，由摩擦系数分析可知，橡胶垫的摩擦系数为0.8，N为载荷200N，那么F=0.8*200=160N，M=F/g=160/10=16kg。所以，抓取器最大承受载荷为200N，最大抓取重量为16kg。

5 结束语

通过设计一种便携式抓取器来对快递包裹进行搬运及携带，以实现简化快递分拣员的工作及方便消费者的快递取送，并应用材料力学对便携式抓取器抓取搬运快递包裹的过程进行了分析，并应用Solidworks建立三维模型进而应用ANSYS进行了力學分析，发现这种便携式抓起器能够实现对快递包裹的抓取和搬运的功能，本文的设计为实现简化物流快递包裹搬运提供了可行方法，具有切实的意义。

参考文献：

[1]王玲，朱祥森，梁博宇，等.物流搬运机械手建模仿真与快速成型[J].物流科技，2017，40（2）：71-73.

[2]杨恩霞，侯茗枫，孟祥亮.小型物流机械手的设计[J].机械工程师，2006（12）：98-100.

[3]李世蓉.物流自动化机械手液压系统设计[J].通用机械，2005（5）：57-58.

[4]熊强，章军，陈春华，等.柔性快递包装盒的分拣机械手结构设[J].机械设计与制造，2014（10）：69-72.

[5]周熙.镁合金与铝合金热轧复合的基础研究[D].南京：南京理工大学，2008.