第九届全国大学生 机械创新设计大赛
参赛作品设计说明书
项目名称 陶 瓷 助 力 搬 运 器 指导教师 项目负责人 所属单位 景 德 镇 陶 瓷 学 院
陶 瓷 搬 运 摆 放 机 设 计 说 明 书
目录
一丶作品内容简介 二丶产品研制背景与意义 三丶设计方案
1丶作品设计简介 2丶机械结构 3丶具体实施方式
四、机构受力分析与校核 1丶夹持装置
2丶车轮与地面的摩擦力 3丶伸缩机械臂受力分析 4丶伸缩起降杆材料强度校核 5丶夹持装置防滑材料材料选择 五丶成本预算及分析 六丶产品创新点与市场前景
1丶创新点 2、市场前景
一丶作品内容简介
该陶瓷助力搬运器需要人手操作，可以实现从限高3米的位置取出陶瓷，或者从人所在的位置将陶瓷提起，放到指定位置, 也可以实现人与人之间的传递。 二、产品研制背景与意义
目前，随着社会的进步与发展，各种助力装置正逐步在人类社会中大显身手。主要由各种助力机构以代替人的繁重劳动，从而实现生产过程中的机械化和自动化，使人们的生产过程更加简便。此外，随着社会发展节奏的加快，人们不断追求更高的工作效率，鉴于此，我们特设计出这款陶瓷助力搬运机，融合了机械臂和起降装置等技术，专门用于陶瓷搬运和陶瓷的举高放置。该机构以其廉价的造价和日常简便的维护，可运用在各种陶瓷制造作坊等各种需要陶瓷搬运的场所。
三、 设计方案 1、作品设计简介
该陶瓷助力搬运器产品，分为垂直升降部分和水平伸缩部分，以及物体抓取三大部分，主要靠人力机械控制，通过人力驱动转盘进而带动齿轮产生搬运机所需要的运转动力，其中采用省力齿轮组原理以达到省力的目的。
起降部分和水平伸缩部分：采用伸缩连杆机构，通过手动驱动齿轮，进而带动齿条，使与齿条相结合的连杆上下运动，从而实现伸缩杆的伸缩，其结构简单稳定，靠人力实现机构的起降与伸长运动，具有造价低廉，日常维护简便的优点。
物体抓取部分：采用拉紧收拢原理，通过人力拉紧使三脚夹持装置收拢，以达到夹持的目的。
2、机械结构 2.1、外部结构设计
该服务机器人工作环境为室内，地面较为平整，故采用四轮机构而不采取三轮机构，以增加车体的稳定性；鉴于空间的限制以及车体重量、强度、经济性的要求，考虑到该搬运器需要良好的平衡性，底部我们采用重量较大的钢铁框架，搭建好以后，我们通过受力和承重
实验，发现可以满足设计要求。外部支撑框架的设计是本着一切从实际应用出发的原则，按照物品通常的放置高度所确定；另外为了使得该搬运机构能够在一定的外部冲击下正常工作，且在承受上部升降机构和载物平台的全部重量和作用力下不至于被压垮，以及在扭转力的作用下不至于发生扭转变形；因此我们必须选择一种质轻且有足够强度的材料。通过在材料市场上了解，以及询问指导老师的意见，我们选择了ABS 型塑料作为该搬运机构的伸缩机构的成形材料。工作时通过伸缩杆的伸长缩短实现机构的升降，以达到对较高位置物品的取放目的。
2.2、行走机构
采用手推模式，具有操作简单，造价低廉，日常维护简便的优点。
2.3、升降机构的设计
该升降机构采用固定道轨伸缩杆的原理，极大地减小了该机构的高度，且能通过转动转盘带动齿轮实现伸缩杆的上下运动，从而实现升降机构的高度改变，可操作性较好，同时空心伸缩结构减少了材料的使用，减轻了车体重量。此外，我们还实地考察了重型升降架的结构，并在该陶瓷搬运摆放机的升降结构上得到了很好的运用。
它采用两侧道轨机构，以实现整体同步平稳地升降。伸缩杆采用ABS 型塑料进行车床设计加工，道轨相邻部分通过光滑圆杆镶嵌而成，减少道轨间的摩擦作用。伸缩杆中间部分镶有固定齿条，通过驱动转盘的转动，以大齿轮带动小齿轮的助力原理来达到省力的目的，同时实现伸缩杆在垂直方向的升降。
2.4、伸缩机械臂的设计
该机构采用与升降机构相同的原理，不同之处在于内伸缩杆采用单道轨，单齿条的结构，达到减少材料使用和减少重量的作用。传动部分以位于机械臂顶端的齿轮带动内伸缩杆上的齿条，实现内伸缩杆在水平方向上的运动。
2.5、转动平台的设计
转动平台的设计：通过脚踩方式使制动板松开，进而手动转动伸缩杆，从而实现转动平台的转动。当制动板回弹时，具有自锁功能，以防搬运机在放置物体时发生转动。
2.6、机械手的设计
考虑到夹持物品时的稳定性因素，我们放弃了原定的叉车的取物方式，特采用目前的多功能三脚夹持装置的设计。该机械手能进行包络抓取，控制精确稳定，并且负载能力较强，
能够应用于对较大尺寸、形状变化范围物品的抓取。此外，该三脚夹持装置采用直线驱动控制，具有简洁实用，日常维护方便等优点.
3、具体实施方式 3.1、工作原理
通过人手控制手推手柄，先让该陶瓷搬运机到达预定的位置，启动机械手抓取物体，其中包括伸缩杆在垂直方向和伸缩机械臂在水平方向的控制。抓取物体后，伸缩机械臂回收。当到达目的地后，首先转动转盘①使伸缩杆伸长到预定高度后，再转动转盘②使伸缩机械臂水平伸长，把物体放到预定货架上方。最后，控制机械手，把物体下落安放到预定位置。
3.2、材料及安装技术要求
附图说明
图1是伸缩升降杆机构图。图中：1. 内伸缩杆①丶2. 转盘①丶3. 转盘② 丶4. 外伸缩杆①丶5固定滑轮
图2是伸缩机械臂机构图。图中：1. 外伸缩杆②丶2. 传动滑轮丶3. 齿轮丶4. 内伸缩杆②
图3是底座机构图。图中:8.固定支座丶9.10. 移动轮子丶11.12.13为底座转动装置，其中12为弹簧。
图4是底座转动平台机构图。
图5为三脚夹持装置结构图。
图6是上升连接杆结构图。
图7是该搬运机外部结构三视图。
图8是该搬运机外部机构三维组装图。
（图1）
（图2）
（图3）
（图4）
（图5）
（图6）
（图7）
（图8）
四、机构受力分析与校核 1、夹持装置
2、车轮与地面的摩擦力
取车轮与地面的摩擦系数为=4，每个驱动车轮受到地面支持力N=m=7Kg，车轮与地面之间的摩擦力：f =μ⨯N =4⨯7⨯10⨯
1
=70N 。 4
μ
mg
，已知车体总重4
3丶伸缩机械臂受力分析 4、伸缩起降杆材料强度校核
脆性材料的强度极限σ b 和塑性材料的屈服极限σ s (或
σ
0 . 2
) 作为材料的极限正应力，用σ u 表
示。要保证杆件安全而正常地工作，其最大工作应力不能超过材料的极限应力。但是，考虑到一些实际存在的不利因素后，设计时不能使杆件的最大工作应力等于极限应力，而必须小于极限应力。此外，还要给杆件必要的强度储备。因此，工程上将极限正应力除以一个大于1 的安全因数，作为材料的容许正应力，即
0 . 2
对于脆性材料, σ u =σ b ，对于塑性材料 σ u = σ b (或σ ) 。
安全因数n 的选取，除了需要考虑前述因素外，还要考虑其它很多因素。例如结构和构件的重要性，杆件失效所引起后果的严重性以及经济效益等。因此，要根据实际情况选取安全因数。
综合以上所述，塑性材料一般取n =1.5～2.0，脆性材料一般取n =2.0～2.5。
5、夹持装置防滑材料选择
机械手要抓起3Kg 重的物体，对摩擦系数要求较高，可以在机械手爪内侧粘上一层橡胶以增加其与待取物品的摩擦系数。已知物体与机械手之间的摩擦系数约为0.6，则夹紧力临界值为
F 夹紧=
m 2∙g
=3⨯=50N 。
五丶成本预算及分析
（单位：元）
六、产品创新点与市场前景 1、创新点
1. 本作品可以搬运需要放置在高处的陶瓷；
2. 本作品可单人操作，解决在搬运体积和重量较大的陶瓷时由于人手不足的问题； 3. 本作品占地面积不大，适用于各自小型陶瓷销售商铺和陶瓷存放仓库； 4. 造价低廉，日常维护简便，适用于小型陶瓷作坊等资金不足的商户。 5. 采用伸缩升降机构，降低了车体的高度，节省了材料和空间
2、市场前景
现在市场上，以小型陶瓷作坊和小型陶瓷销售商铺等资金不足丶人手短缺的个体商户占主导地位，而我们的产品操作简单，造价低廉，日常维护简便更是符合市场要求，在陶瓷搬运用途上有着极其大的作用。
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第九届全国大学生 机械创新设计大赛
参赛作品设计说明书
项目名称 陶 瓷 助 力 搬 运 器 指导教师 项目负责人 所属单位 景 德 镇 陶 瓷 学 院
陶 瓷 搬 运 摆 放 机 设 计 说 明 书
目录
一丶作品内容简介 二丶产品研制背景与意义 三丶设计方案
1丶作品设计简介 2丶机械结构 3丶具体实施方式
四、机构受力分析与校核 1丶夹持装置
2丶车轮与地面的摩擦力 3丶伸缩机械臂受力分析 4丶伸缩起降杆材料强度校核 5丶夹持装置防滑材料材料选择 五丶成本预算及分析 六丶产品创新点与市场前景
1丶创新点 2、市场前景
一丶作品内容简介
该陶瓷助力搬运器需要人手操作，可以实现从限高3米的位置取出陶瓷，或者从人所在的位置将陶瓷提起，放到指定位置, 也可以实现人与人之间的传递。 二、产品研制背景与意义
目前，随着社会的进步与发展，各种助力装置正逐步在人类社会中大显身手。主要由各种助力机构以代替人的繁重劳动，从而实现生产过程中的机械化和自动化，使人们的生产过程更加简便。此外，随着社会发展节奏的加快，人们不断追求更高的工作效率，鉴于此，我们特设计出这款陶瓷助力搬运机，融合了机械臂和起降装置等技术，专门用于陶瓷搬运和陶瓷的举高放置。该机构以其廉价的造价和日常简便的维护，可运用在各种陶瓷制造作坊等各种需要陶瓷搬运的场所。
三、 设计方案 1、作品设计简介
该陶瓷助力搬运器产品，分为垂直升降部分和水平伸缩部分，以及物体抓取三大部分，主要靠人力机械控制，通过人力驱动转盘进而带动齿轮产生搬运机所需要的运转动力，其中采用省力齿轮组原理以达到省力的目的。
起降部分和水平伸缩部分：采用伸缩连杆机构，通过手动驱动齿轮，进而带动齿条，使与齿条相结合的连杆上下运动，从而实现伸缩杆的伸缩，其结构简单稳定，靠人力实现机构的起降与伸长运动，具有造价低廉，日常维护简便的优点。
物体抓取部分：采用拉紧收拢原理，通过人力拉紧使三脚夹持装置收拢，以达到夹持的目的。
2、机械结构 2.1、外部结构设计
该服务机器人工作环境为室内，地面较为平整，故采用四轮机构而不采取三轮机构，以增加车体的稳定性；鉴于空间的限制以及车体重量、强度、经济性的要求，考虑到该搬运器需要良好的平衡性，底部我们采用重量较大的钢铁框架，搭建好以后，我们通过受力和承重
实验，发现可以满足设计要求。外部支撑框架的设计是本着一切从实际应用出发的原则，按照物品通常的放置高度所确定；另外为了使得该搬运机构能够在一定的外部冲击下正常工作，且在承受上部升降机构和载物平台的全部重量和作用力下不至于被压垮，以及在扭转力的作用下不至于发生扭转变形；因此我们必须选择一种质轻且有足够强度的材料。通过在材料市场上了解，以及询问指导老师的意见，我们选择了ABS 型塑料作为该搬运机构的伸缩机构的成形材料。工作时通过伸缩杆的伸长缩短实现机构的升降，以达到对较高位置物品的取放目的。
2.2、行走机构
采用手推模式，具有操作简单，造价低廉，日常维护简便的优点。
2.3、升降机构的设计
该升降机构采用固定道轨伸缩杆的原理，极大地减小了该机构的高度，且能通过转动转盘带动齿轮实现伸缩杆的上下运动，从而实现升降机构的高度改变，可操作性较好，同时空心伸缩结构减少了材料的使用，减轻了车体重量。此外，我们还实地考察了重型升降架的结构，并在该陶瓷搬运摆放机的升降结构上得到了很好的运用。
它采用两侧道轨机构，以实现整体同步平稳地升降。伸缩杆采用ABS 型塑料进行车床设计加工，道轨相邻部分通过光滑圆杆镶嵌而成，减少道轨间的摩擦作用。伸缩杆中间部分镶有固定齿条，通过驱动转盘的转动，以大齿轮带动小齿轮的助力原理来达到省力的目的，同时实现伸缩杆在垂直方向的升降。
2.4、伸缩机械臂的设计
该机构采用与升降机构相同的原理，不同之处在于内伸缩杆采用单道轨，单齿条的结构，达到减少材料使用和减少重量的作用。传动部分以位于机械臂顶端的齿轮带动内伸缩杆上的齿条，实现内伸缩杆在水平方向上的运动。
2.5、转动平台的设计
转动平台的设计：通过脚踩方式使制动板松开，进而手动转动伸缩杆，从而实现转动平台的转动。当制动板回弹时，具有自锁功能，以防搬运机在放置物体时发生转动。
2.6、机械手的设计
考虑到夹持物品时的稳定性因素，我们放弃了原定的叉车的取物方式，特采用目前的多功能三脚夹持装置的设计。该机械手能进行包络抓取，控制精确稳定，并且负载能力较强，
能够应用于对较大尺寸、形状变化范围物品的抓取。此外，该三脚夹持装置采用直线驱动控制，具有简洁实用，日常维护方便等优点.
3、具体实施方式 3.1、工作原理
通过人手控制手推手柄，先让该陶瓷搬运机到达预定的位置，启动机械手抓取物体，其中包括伸缩杆在垂直方向和伸缩机械臂在水平方向的控制。抓取物体后，伸缩机械臂回收。当到达目的地后，首先转动转盘①使伸缩杆伸长到预定高度后，再转动转盘②使伸缩机械臂水平伸长，把物体放到预定货架上方。最后，控制机械手，把物体下落安放到预定位置。
3.2、材料及安装技术要求
附图说明
图1是伸缩升降杆机构图。图中：1. 内伸缩杆①丶2. 转盘①丶3. 转盘② 丶4. 外伸缩杆①丶5固定滑轮
图2是伸缩机械臂机构图。图中：1. 外伸缩杆②丶2. 传动滑轮丶3. 齿轮丶4. 内伸缩杆②
图3是底座机构图。图中:8.固定支座丶9.10. 移动轮子丶11.12.13为底座转动装置，其中12为弹簧。
图4是底座转动平台机构图。
图5为三脚夹持装置结构图。
图6是上升连接杆结构图。
图7是该搬运机外部结构三视图。
图8是该搬运机外部机构三维组装图。
（图1）
（图2）
（图3）
（图4）
（图5）
（图6）
（图7）
（图8）
四、机构受力分析与校核 1、夹持装置
2、车轮与地面的摩擦力
取车轮与地面的摩擦系数为=4，每个驱动车轮受到地面支持力N=m=7Kg，车轮与地面之间的摩擦力：f =μ⨯N =4⨯7⨯10⨯
1
=70N 。 4
μ
mg
，已知车体总重4
3丶伸缩机械臂受力分析 4、伸缩起降杆材料强度校核
脆性材料的强度极限σ b 和塑性材料的屈服极限σ s (或
σ
0 . 2
) 作为材料的极限正应力，用σ u 表
示。要保证杆件安全而正常地工作，其最大工作应力不能超过材料的极限应力。但是，考虑到一些实际存在的不利因素后，设计时不能使杆件的最大工作应力等于极限应力，而必须小于极限应力。此外，还要给杆件必要的强度储备。因此，工程上将极限正应力除以一个大于1 的安全因数，作为材料的容许正应力，即
0 . 2
对于脆性材料, σ u =σ b ，对于塑性材料 σ u = σ b (或σ ) 。
安全因数n 的选取，除了需要考虑前述因素外，还要考虑其它很多因素。例如结构和构件的重要性，杆件失效所引起后果的严重性以及经济效益等。因此，要根据实际情况选取安全因数。
综合以上所述，塑性材料一般取n =1.5～2.0，脆性材料一般取n =2.0～2.5。
5、夹持装置防滑材料选择
机械手要抓起3Kg 重的物体，对摩擦系数要求较高，可以在机械手爪内侧粘上一层橡胶以增加其与待取物品的摩擦系数。已知物体与机械手之间的摩擦系数约为0.6，则夹紧力临界值为
F 夹紧=
m 2∙g
=3⨯=50N 。
五丶成本预算及分析
（单位：元）
六、产品创新点与市场前景 1、创新点
1. 本作品可以搬运需要放置在高处的陶瓷；
2. 本作品可单人操作，解决在搬运体积和重量较大的陶瓷时由于人手不足的问题； 3. 本作品占地面积不大，适用于各自小型陶瓷销售商铺和陶瓷存放仓库； 4. 造价低廉，日常维护简便，适用于小型陶瓷作坊等资金不足的商户。 5. 采用伸缩升降机构，降低了车体的高度，节省了材料和空间
2、市场前景
现在市场上，以小型陶瓷作坊和小型陶瓷销售商铺等资金不足丶人手短缺的个体商户占主导地位，而我们的产品操作简单，造价低廉，日常维护简便更是符合市场要求，在陶瓷搬运用途上有着极其大的作用。
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