基于SolidWorks的懒人取物器改进设计及仿真分析*

施雨含，杨玉洁，熊梦娇，王典凡，景晨雨，张焕萍

(1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037； 2.南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

0 引 言

取物器已经较为广泛地应用于医学领域以及日常的垃圾拾取工作中，但医用取物器设计独特精密、造价较高，仅适用于特定的医疗工作中[1]；垃圾拾取采用的取物器构造较为简单，且一般用于拾取轻便型物体。因此，适用于普通用品的懒人取物器应运而生，它可以满足人们的日常取物需求，尤其是面向上床下桌的高校宿舍学生和行动不便的老年人，很多研究者已从夹取、收纳、使用方式等各方面对其进行了研究改进。

目前市场上用于日常物品的懒人取物器大都存在以下不便之处：一是取物器使用角度十分有限，若物品被体积较大的物体如桌子、橱柜等挡住，或者物品所处角度不当，通常需要多次调试才能成功取到物品；二是可拾取物品的种类较少，取物器通常采用金属绝缘或者橡胶夹头拾取如纸片、果皮等轻小物品，较重较大的物体无法拾起；三是市面上的取物器牢靠性一般，拾取物品后容易滑落，在稳定性和安全性上还需改进。

笔者提出了一种改进的懒人取物器，对原有取物器进行了优化和创新，并基于SolidWorks软件对取物器工作受力时的夹头进行了静应力仿真分析。

1 懒人取物器的结构设计及原理

改进的懒人取物器主要由防滑手柄、扳机、可折叠杆和夹头构成，整体结构模型如图1所示。

图1 整体结构模型

对原有结构的改进有如下几处。

1.1 取物器夹头三爪结构设计

利用三角形的稳定性原理，受三角支架以及机器人三爪夹具的启发[2]，改进的取物器将普通的两爪式夹头改成三爪式夹头，使抓物更加稳定，效率更高，如图2所示。取物器利用整个装置内部的串并联电路，实现手柄对取物器夹头开合的控制，并通过调整三个夹头的开合弧度，保证取物器在工作时能夹紧物品。与两爪式夹头取物器相比，三爪式取物器取物更加牢固，能够拾取更重的物品，适用范围广同时保证了安全性。

图2 取物器三爪式夹头与两爪式夹头

1.2 可折叠杆内可转角视物镜

为了使取物更加方便，在改进设计中增加了便于观察判定所取物位置的反光镜，并在取物器下折叠杆的杆身处设计出一个用于收置反光镜的小凹槽，如图3所示。反光镜底部通过弹簧装置与下折叠杆相连，通过控制手柄处电路开关实现弹簧伸缩，进而控制反光镜的升降[3-4]。反光镜处设计了磁性开合机制，当需要使用反光镜时，弹簧弹力增大，盖子自动打开，当弹簧弹力减小时，盖子自动关闭。这种改进的可折叠杆内可转角视物镜，其优点是不使用时可以免去视线的干扰，更便于收纳与携带。与加入摄像头和显示屏相比较，利用反光镜进行视野调整更加经济实惠，设计制造更为方便，更适用于普通人群的购买与使用[5-6]。

图3 可折叠杆内可转角视物镜

1.3 防滑手柄和取物器整体设计

取物器手柄符合人体工程学设计，并采用了防滑涂层。除此之外，装置内设置了简单的串并联电路，利用电路可实现手柄对下折叠杆内弹簧装置以及夹头的控制。为了优化可折叠这一特点，懒人取物器上、下折叠杆处采用螺栓连接，上杆和下杆可实现超过300°的旋转，扩大了取物角度，减少了收纳空间[7]。

2 仿真分析与结果

为更好地了解取物器在使用过程中夹头受力情况，基于SolidWorks平台对夹头进行了静应力仿真分析。有限元分析作为一种先进的现代数值计算方法，用有限单元将连续体离散化，通过对有限化个单元作分片插值求解各种力学工程问题。文中采用的仿真分析工具SolidWorks Simulation功能强大，可以对产品进行多项功能分析，优化产品设计[8-9]。

2.1 仿真分析参数设置

模拟两爪式夹头和三爪式夹头在使用时的受力情况并进行比对，从仿真分析结果来验证三爪夹头比两爪夹头更稳定高效。取物器在使用时夹紧过程比较缓慢，算例类型选择静应力分析；材料选取1060铝合金。夹头通过螺钉与下折叠杆连接固定，对螺钉孔采用固定几何体夹具，如图4所示；夹紧力作用于每个夹头的端面上，为对比三爪夹头和两爪夹头的受力情况，对两种夹头使用过程中夹紧力大小都按100N进行分析，如图5所示。网格划分增加网格控制，使夹头薄壁结构至少有两层网格。完成上述有限元参数设置，运行该算例，得到三爪夹头和两爪夹头的应力、位移和应变图解。

图4 静应力仿真分析夹具设置

图5 静应力仿真分析负载设置

2.2 静应力仿真分析结果

根据夹头实际受力情况，此研究依据第四强度理论(形状改变比能理论)，用结构范式等效应力(Von Mises Stress, MPa)描述模型内部的应力分布状态。在负载均为100 N的情况下，两爪式夹头和三爪式夹头上产生的应力大小不同。两爪式夹头最大应力处对应的Von Mises应力约为18 MPa，小于材料屈服极限(27.6 MPa)，如图6所示，相应表面上的平均应力约为14.047 MPa；而三爪式夹头相应表面上的平均应力约为9.367 MPa，与两爪式夹头相比，三爪式夹头表面的平均应力和最大应力都小，因此，在相同负载下，三爪式夹头比两爪式夹头有更长的使用寿命。同时，三爪式夹头的夹紧力约为两爪式夹头夹紧力的1.5倍，可以用于夹取更重的物品。

图6 静应力仿真分析应力对比

3 结 语

对现有的取物器进行了改进和优化，改进后的懒人取物器结构新颖、使用便捷、夹紧力强，安全可靠，符合人手握力的自然状态。三爪式夹头相比于传统的二爪式，更高效稳定，具有更好的夹紧力与更长的使用寿命。可收纳视物镜扩大了取物时的可视范围，尤其对于上床下桌的情形，使用者只需在床上调整好取物器上下折叠杆的开合角度，利用弹簧装置弹出的反光镜，便能轻松取到床下桌面上的物品。户外活动时，人们可以使用本产品进行垃圾拾取以及参与一些义工活动等，在保护环境的同时将本产品的功能发挥到最大化。懒人取物器的改进与创新便利了人们的生活，利用改装和升级使科技和传统物品结合，打造出更贴近生活且更加实用的产品。