一种用于水面垃圾回收的机械臂

1.本发明属于水面垃圾回收技术领域，具体涉及一种用于水面垃圾回收的机械臂。


背景技术：

2.为方便清理水面垃圾，改善水面环境，现在各式各样的水面垃圾打捞船出现，其均是为了提高打捞效率和降低安全隐患。现有技术中，打捞船上均设置有不同用于实现打捞工作的机械臂，但是机械臂的结构多种多样且能实现不同功能，但是机械臂在实现多种功能时，每个功能均需要单独的动力实现动作。


技术实现要素：

3.本发明拟提供了一种用于水面垃圾回收的机械臂，不仅结构简单，还能通过同一个驱动机构实现机械臂的不同动作，减少电机的数量。
4.为此，本发明所采用的技术方案为：一种用于水面垃圾回收的机械臂，包括左右相对设置的机械爪，每个机械爪均铰接在对应的动臂上，动臂的另一端铰接在转动座上，每个所述动臂均通过对应地开合机构实现动臂的打开和收拢，且两个开合机构均通过同一驱动机构实现动作，所述开合机构上设置用于实现机械爪包揽动作的包揽机构，所述转动座上设置有用于实现转动座翻转的翻转机构上，所述包揽机构和翻转机构均通过对应地开合机构实现动作；所述开合结构包括通过驱动机构带动转动的丝杆，所述丝杆上设置有与丝杆构成丝杆滑块副的滑块，所述滑块上铰接有第一连杆，所述第一连杆的另一端铰接在动臂的中部，所述转动座上设置有用于容纳滑块左右移动的滑动槽，所述丝杆的一端穿过滑动槽后设置在转动座上，所述第一连杆、滑块、动臂和转动座形成曲柄滑块机构。
5.作为上述方案中的优选，所述包揽机构包括一端铰接在转动座上的第二连杆，所述第二连杆的另一端铰接有第三连杆，所述第三连杆的另一端铰接在动臂上，其中转动座、第二连杆、第三连杆和动臂构成曲柄连杆机构，所述机械爪铰接在动臂上的一端设置有从动齿轮，所述第三连杆的另一端设置有与从动齿轮啮合的主动齿轮。
6.进一步优选，所述翻转机构包括能固定在打捞装置上的固定座，所述固定座上设置有用于容纳转动座的转动槽，所述滑块的左右两侧均设置有固定销，所述固定座的左右两端设置有可伸缩弹簧销，当滑块移动到右极限时，位于右侧的固定销穿过转动座将右侧的可伸缩弹簧销的伸缩段顶出转动座内，此时丝杆、转动座和滑块抱死，丝杆继续转动会带动转动座在转动槽内转动，转动到一定角度后，丝杆反向转动带动滑块反向移动后，左侧的可伸缩弹簧销的伸缩段在弹力的作用下回到转动座内。当滑块移动到左极限时，位于左侧的固定销穿过转动座将左侧的可伸缩弹簧销的伸缩段顶出转动座内，此时丝杆、转动座和滑块抱死，丝杆继续转动会带动转动座在转动槽内转动，转动到一定角度后，丝杆反向转动带动滑块反向移动后，右侧的可伸缩弹簧销的伸缩段在弹力的作用下回到转动座内。
7.进一步优选，所述驱动机构包括驱动电机，所述驱动电机的输出端通过变速机构带动丝杆转动。
8.进一步优选，所述固定座包括前后相对设置的两个固定块，其中一个固定块的下方设置有定位柱，另一个固定块的下方对应定位柱的位置处设置有定位孔。
9.进一步优选，所述转动座包括转动防脱段段、滑动段、转动限位段和铰接段，所述滑动槽设置在滑动段上，所述转动防脱段段、滑动段和转动限位段的外侧均设置为圆柱形，且转动防脱段段和转动限位段的外径均大于滑动段的外径，所述转动槽也设置为对应的两端大中间小的结构。
10.进一步优选，两个开合机构上的丝杆采用两根丝杆，或者是两个开合机构上的丝杆为同一根丝杆的左右两端，当采用两个开合机构采用同一个丝杆时，丝杆两端的旋向相反。
11.进一步优选，所述机械爪的另一端前后间隔设置有多个夹爪。
12.本发明的有益效果：机械爪铰接在动臂上，且能通过开合结构和包揽机构实现机械爪的大幅度打开和包揽，从而实现水面垃圾的打捞；设置有翻转机构，通过翻转机构实现机械爪的翻转，使得机械爪在打开时不会将水面上漂浮的垃圾向外推出，从而便于水面垃圾的打捞；机械爪的打开和包揽、翻转和回位，均通过同一驱动机构实现，不仅使得整个机械臂结构简单同时也紧凑，便于将其安装到任意的打捞装置上。
附图说明
13.图1为本发明的示意图。
14.图2为本发明中机械臂右侧的示意图。
15.图3为本发明中固定座的示意图。
16.图4为本发明中转动座的示意图。
17.图5为本发明中可伸缩弹簧销的示意图。
18.图6为本发明中机械臂左侧的机构简图一(带动力机构)。
19.图7为本发明中机械臂左侧的机构简图二(不带动力机构)。
20.图8为本发明中倾倒装置的示意图一。
21.图9为本发明中倾倒装置的示意图二(取消其中一侧支撑板后)。
22.图10为本发明中其中一侧连杆组件和箱体的机构简图。
23.图11为对图10机构进行帧迭代得出代表箱体的连杆的运动仿真轨迹。
24.图12为本发明中其中一侧连杆组件、驱动组件和箱体的机构简图。
25.图13为对图10机构在手动模拟时凸轮点位提取的运动轨迹的函数图像。
26.图14为对图12机构进行帧迭代得出代表箱体的连杆的运动仿真轨迹。
27.图15为对图5机构进行帧迭代得出代表滚轮轴的点的运动仿真轨迹。图16为本实施例的拟合结果。
具体实施方式
28.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
29.如图1-7所示，一种用于水面垃圾回收的机械臂，主要由机械爪1、动臂2、转动座3、开合机构、驱动机构、包揽机构和翻转机构组成，其中机械爪1动臂2、转动座3、开合机构、包揽机构和翻转机构均左右相对设置有两个，且每个机械爪1均铰接在对应的动臂2上，同时
动臂2的另一端铰接在转动座3上，动臂的设置也使得每次机械爪包揽的范围增大。每个动臂2均通过对应地开合机构实现动臂2的打开和收拢，其中两个开合机构均通过同一驱动机构实现动作，在开合机构上设置用于实现机械爪1包揽动作的包揽机构，在转动座3上设置有用于实现转动座3翻转的翻转机构上，且包揽机构、翻转机构均通过开合机构实现动作。
30.开合结构的具体结构包括通过驱动机构带动转动的丝杆4，在丝杆4上设置有滑块5，使得滑块与丝杆构成常规的丝杆螺母机构，此时动力为丝杆。在滑块5上铰接有第一连杆6，且第一连杆6的另一端铰接在动臂2的中部，使得滑块、转动座、动臂和第一连杆构成曲柄滑动机构，此时动力为滑块。为方便转动座制成丝杆和便于滑块的滑动，在转动座3上设置有用于容纳滑块5左右移动的滑动槽3a，同时丝杆4的一端穿过滑动槽3a后设置在转动座3上。当丝杆转动时，滑块在滑动槽内左右移动，然后通过第一连杆实现动臂绕着转动座转动。
31.包揽机构的具体结构包括一端铰接在转动座3上的第二连杆7，在第二连杆7的另一端铰接有第三连杆8，同时将第三连杆8的另一端铰接在动臂2上，使得动臂、第二连杆、第三连杆和转动座构成连杆机构，此时动力为动臂。为实现机械爪的包揽，在机械爪1铰接在动臂2上的一端设置有从动齿轮1a，在第三连杆8的另一端设置有与从动齿轮1a啮合的主动齿轮8a。当动臂转动时，由于动臂、第二连杆、第三连杆和转动座构成连杆机构，使得第三连杆也转动，然后在主动齿轮与从动齿轮的啮合下，使得机械爪也绕着动臂转动，从而实现机械爪的包揽和放松动作。
32.翻转机构的具体结构包括能固定在打捞装置上的固定座9，在固定座9上设置有用于容纳转动座的转动槽9a，在滑块5的左右两侧均设置有固定销5a，在固定座9的左右两端设置有可伸缩弹簧销10。当滑块移动到右极限时，位于右侧的固定销穿过转动座将右侧的可伸缩弹簧销的伸缩段顶出转动座内，此时丝杆、转动座和滑块抱死，丝杆继续转动会带动转动座在转动槽内转动，转动到一定角度后，丝杆反向转动带动滑块反向移动后，左侧的可伸缩弹簧销的伸缩段在弹力的作用下回到转动座内。当滑块移动到左极限时，位于左侧的固定销穿过转动座将左侧的可伸缩弹簧销的伸缩段顶出转动座内，此时丝杆、转动座和滑块抱死，丝杆继续转动会带动转动座在转动槽内转动，转动到一定角度后，丝杆反向转动带动滑块反向移动后，右侧的可伸缩弹簧销的伸缩段在弹力的作用下回到转动座内。
33.驱动机构的具体结构包括驱动电机，且驱动电机的输出端通过变速机构带动丝杆4转动，变速机构通过啮合的齿轮实现变速。其中两个开合机构上的丝杆4可采用两根丝杆，此时，变速机构可设置为在驱动电机的输出端设置有主动锥齿轮，在两个丝杆靠近的一端设置有从动锥齿轮，通过主动锥齿轮与从动锥齿轮的啮合实现两个丝杆的驱动。还可以是两个开合机构上的丝杆4为同一根丝杆4的左右两端，此时，丝杆4两端的旋向相反，变速机构可设置为两个圆柱齿轮的啮合，其中丝杆设置在从动圆柱齿轮上。
34.转动座的具体结构包括转动防脱段段3b、滑动段3c、转动限位段3d和铰接段3e，其中滑动槽3a设置在滑动段3c上，动臂和第二连杆均铰接在铰接段上，最好时铰接段位于转动槽的外侧。为方便转到座的转动，将转动防脱段段3b、滑动段3c和转动限位段3d的外侧均设置为圆柱形，且为防止转动座离开转动槽，使转动防脱段段3b和转动限位段3d的外径均大于滑动段3c的外径，同时转动槽9a也设置为对应的两端大中间小的结构。
35.为方便安装，固定座9包括前后相对设置的两个固定块9b，其中一个固定块9b的下
方设置有定位柱9c，另一个固定块9b的下方对应定位柱的位置处设置有定位孔9d。
36.为扩大机械爪的包揽范围，在机械爪1的另一端前后间隔设置有多个夹爪。
37.整个机械臂的工作过程如下：初始状态，机械爪和动臂均处于收拢状态，且此时机械爪和动臂离开水面，当驱动电机工作时，丝杆转动，带动两个滑块相向运动，此次机械爪和动臂不断地向外打开，当滑块移动到内侧的极限位置时，固定销刚好将内侧可伸缩弹簧定位销顶开，解除转动座的限制，当驱动电机继续工作使丝杆转动一定角度后，使转动座带着动臂和机械爪转动朝向水面，同时位于左右外侧的两个可伸缩弹簧定位销回到转动座内，实现转动座的限制，然后驱动电机反向工作，使两个滑块背向移动，过程中动臂和机械爪不断收拢，当滑块移动到外侧极限位置时，固定销刚好将外侧可伸缩弹簧定位销顶开，解除转动座的限制，当驱动电机继续反向动作使丝杆转动一定角度后，使转动座带着动臂和机械爪转动离开水面，同时位于左右内侧的两个可伸缩弹簧定位销回到转动座内，实现转动座的限制。
38.同时还提供一种全自动水面垃圾打捞船，主要由船体、机械臂和上述的倾倒装置组成，其中机械臂用于实现水面垃圾的包揽，倾倒装置固定在设置船体上，机械臂也设置在船体上，且最好是倾倒装置位于船体的床尾，机械臂设置在船体的船头，在船体上还设置有用于垃圾传送的传送带，传送带的一端靠近机械臂，另一端靠近箱体的上端。为方便箱体在倾倒装置的作用下实现上升倾倒后自动回位，在传送带与箱体上端之间留有间隙，由于传送带的运动方向是机械臂到箱体，因此垃圾会在传动带的惯性下落入箱体内，不会出现垃圾不能被运送到箱体内的情况。
39.最好是，在传送带上间隔设置有多个供水漏出的第一漏水孔，所述传送带下方设置有上大下小且用于收集从第一漏水孔中漏出水的集水器，所述集水器的下端设置有能将水排到水面的排出管，也可将集水器通过支架设置在船体外侧，此时直接在集水器下端开孔就能实现水的排出。
40.如图8和9所示，倾倒装置主要由连杆组件和驱动组件组成，在箱体的左右两侧均设置有连杆组件，且连杆组件能实现箱体11倾倒，驱动组件用于带动连杆组件动作，从而实现箱体倾倒。
41.连杆组件的具体结构包括主动杆13和从动杆14，其中主动杆13的上端铰接在箱体11的上端中部，从动杆14的上端铰接在箱体11的上端靠近前侧的位置处，主动杆13和从动杆14的下端均铰接在驱动组件上，且主动杆13的下端位于从动杆14的前端，即主动杆和从动杆呈交叉状态。为实现箱体的倾倒，在每个连杆组件远离箱体11的一侧均设置有支撑板12，同时在主动杆13上设置有朝向对应侧支撑板12的滚轮轴13a，在滚轮轴13a上套装有能在凸轮槽12a内滚动的滚轮15。
42.驱动组件的具体结构包括平移板16，平移板16通过推动组件20实现上下移动，对应地主动杆13的下端铰接在平移板16的前端，从动杆14的下端铰接在平移板16的后端。在本实施例中，推动组件是能带动平移板上下移动的任意直线机构，如伸缩缸、丝杠螺母机构或者是电动推杆。
43.平移板16通过第一铰接轴18与从动杆14铰接，平移板16通过第二铰接轴19与主动杆13铰接。为保证平移板的上下移动，在支撑板12上前后间隔设置有上下延伸的导向槽12b，同时在第一铰接轴18和第二铰接轴19上远离箱体11的一端均套装有能在导向槽12b内
上下滚动的导向轮17。
44.当平移板在推动组件的作用下向上移动时，导向轮在导向槽内向上移动，使得箱体和连杆向上移动，同时由于滚轮只能在凸轮槽内移动，使得箱体在连杆组件的作用下实现倾倒，当平移板在推动组件的作用下向下移动时，箱体回位。
45.为了使得箱体在上下工作过程中不与前方船体上的漂浮物回收皮带发生空间上的位置干涉，箱体11设置为上大下小的锥台结构。
46.为保证箱体倾倒角度超过90
°
，因此需要对凸轮槽进行特殊的设计，凸轮槽的设计方法如下：
47.第一步：装置简化；将上述的连杆组件简化为如图10所示的机构简图。
48.第二步：机构位置标记；将箱体分别与主动杆和从动杆铰接的铰接点的位置通过函数方程进行标记，具体的函数方程如下：
[0049][0050]
其中cx为c点的横坐标；cy为c点的纵坐标；ex为e点的横坐标；ey为e点的纵坐标，fx为f点的横坐标；fy为f点的纵坐标，v为bd杆推动的推程速度；t为推杆运行时间。
[0051]
第三步：仿真模拟；通过matab软件对上述的函数方程进行帧迭代得出如图11所示的仿真结果，在从仿真结果中能得到用连杆模拟的箱体ef翻转角度大于90
°
，即该结构能实现将位于箱体内所有物体全部倒出。
[0052]
由于倾倒装置在全自动水面垃圾打捞船中使用，因此箱体不能原地倾倒，需要先上升使其高于船身后再倾倒。为实现该目的的同时减少电机的数量，本实施例在倾倒装置的驱动组件内设置有平移板，同时平移板能通过推动组件带动其上下移动，因此倾倒装置能简化为如图12所示的机构简图。
[0053]
第四步：预计轨迹提取；由于箱体既要上升又要倾倒，因此箱体的运动轨迹为较为复杂的曲线运动。为简化问题，同时能对箱体的轨迹进行更好地拟合，将第一步中得到的机构简图制作为实体的剪叉五杆机构，并手动驱动剪叉五杆机构动作，使代表箱体的连杆能按照预想的轨迹运动，然后通过对实体的剪叉五杆结构运动过程录像，然后在通过tracker软件对主动杆上点的运动轨迹进行提取。
[0054]
第五步：轨迹拟合；将第四步中提取的运动轨迹导入到matab软件中，同时通过函数方程对图5中代表箱体的连杆和代表滚轮轴的点进行位置标记，然后在matab软件中该函数方程进行帧迭代得出如图13和图14的仿真结果，然后将代表滚轮轴的点的仿真结果与第四步中提取的该点的运动轨迹进行多项式拟合，从而能得到凸轮的拟合曲线，具体的拟合结构如图15所示，拟合的五次多项式如下：
[0055]
y＝3.38
×
10-5
x
5-0.004455x4+0.2275x
3-5.648x2+69.5x-301.4
[0056]
根据得到的拟合曲线对滚轮轴的运动轨迹，即凸轮槽，进行设计，在实际操作时，
将该拟合曲线输入到对应的solidworks或者nx等三维软件中，能得到如图9所示的凸轮槽，从而使得本倾倒装置在平移板上移时，能实现箱体上升和倾倒的动作。

技术特征：
1.一种用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：包括左右相对设置的机械爪(1)，每个机械爪(1)均铰接在对应的动臂(2)上，动臂(2)的另一端铰接在转动座(3)上，每个所述动臂(2)均通过对应地开合机构实现动臂(2)的打开和收拢，且两个开合机构均通过同一驱动机构实现动作，所述开合机构上设置用于实现机械爪(1)包揽动作的包揽机构，所述转动座(3)上设置有用于实现转动座(3)翻转的翻转机构上，所述包揽机构和翻转机构均通过对应地开合机构实现动作；所述开合结构包括通过驱动机构带动转动的丝杆(4)，所述丝杆(4)上设置有滑块(5)，所述滑块(5)上铰接有第一连杆(6)，所述第一连杆(6)的另一端铰接在动臂(2)的中部，所述转动座(3)上设置有用于容纳滑块(5)左右移动的滑动槽(3a)，所述丝杆(4)的一端穿过滑动槽(3a)后设置在转动座(3)上。2.根据权利要求1中所述的用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：所述包揽机构包括一端铰接在转动座(3)上的第二连杆(7)，所述第二连杆(7)的另一端铰接有第三连杆(8)，所述第三连杆(8)的另一端铰接在动臂(2)上，所述机械爪(1)铰接在动臂(2)上的一端设置有从动齿轮(1a)，所述第三连杆(8)的另一端设置有与从动齿轮(1a)啮合的主动齿轮(8a)。3.根据权利要求1中所述的用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：所述翻转机构包括能固定在打捞装置上的固定座(9)，所述固定座(9)上设置有用于容纳转动座的转动槽(9a)，所述滑块(5)的左右两侧均设置有固定销(5a)，所述固定座(9)的左右两端设置有可伸缩弹簧销(10)，当滑块移动到右极限时，位于右侧的固定销穿过转动座将右侧的可伸缩弹簧销的伸缩段顶出转动座内，此时丝杆、转动座和滑块抱死，丝杆继续转动会带动转动座在转动槽内转动，转动到一定角度后，丝杆反向转动带动滑块反向移动后，左侧的可伸缩弹簧销的伸缩段在弹力的作用下回到转动座内。当滑块移动到左极限时，位于左侧的固定销穿过转动座将左侧的可伸缩弹簧销的伸缩段顶出转动座内，此时丝杆、转动座和滑块抱死，丝杆继续转动会带动转动座在转动槽内转动，转动到一定角度后，丝杆反向转动带动滑块反向移动后，右侧的可伸缩弹簧销的伸缩段在弹力的作用下回到转动座内。4.根据权利要求1中所述的叠用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：所述驱动机构包括驱动电机，所述驱动电机的输出端通过变速机构带动丝杆(4)转动。5.根据权利要求3中所述的叠用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：所述固定座(9)包括前后相对设置的两个固定块(9b)，其中一个固定块(9b)的下方设置有定位柱(9c)，另一个固定块(9b)的下方对应定位柱的位置处设置有定位孔(9d)。6.根据权利要求3中所述的叠用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：所述转动座(3)包括转动防脱段段(3b)、滑动段(3c)、转动限位段(3d)和铰接段(3e)，所述滑动槽(3a)设置在滑动段(3c)上，所述转动防脱段段(3b)、滑动段(3c)和转动限位段(3d)的外侧均设置为圆柱形，且转动防脱段段(3b)和转动限位段(3d)的外径均大于滑动段(3c)的外径，所述转动槽(9a)也设置为对应的两端大中间小的结构。7.根据权利要求1中所述的叠用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：两个开合机构上的丝杆(4)采用两根丝杆，或者是两个开合机构上的丝杆(4)为同一根丝杆(4)的左右两端，当采用两个开合机构采用同一个丝杆(4)时，丝杆(4)两端的旋向相反。8.根据权利要求1中所述的叠用于水面垃圾回收的机械臂，其特征在于：所述机械爪
(1)的另一端前后间隔设置有多个夹爪。

技术总结
本发明公开了一种用于水面垃圾回收的机械臂，包括左右相对设置的机械爪，每个机械爪均铰接在对应的动臂上，动臂的另一端铰接在转动座上，每个所述动臂均通过对应地开合机构实现动臂的打开和收拢，且两个开合机构均通过同一驱动机构实现动作，所述开合机构上设置用于实现机械爪包揽动作的包揽机构，所述转动座上设置有用于实现转动座翻转的翻转机构上，所述包揽机构和翻转机构均通过对应地开合机构实现动作。机械爪铰接在动臂上，且能通过开合结构和包揽机构实现机械爪的大幅度打开和包揽，从而实现水面垃圾的打捞；设置有翻转机构，通过翻转机构实现机械爪的翻转，使得机械爪在打开时不会将水面上漂浮的垃圾向外推出，从而便于水面垃圾的打捞。于水面垃圾的打捞。于水面垃圾的打捞。


技术研发人员：马钦仕 汪亚琦 尹岩 朱波田
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/1