手持式三爪夹取器的主要结构设计

◇苏州工业职业技术学院 褚 磊 徐忠兰

本文设计了一种手持式夹取器，便于夹取圆形或不规则物体，夹取力大，易锁紧，夹持平稳防滑，主要从夹头个数、夹头结构、传动机构等几个方面进行了创新设计，满足了市场上夹取圆形物件的专用夹具需求。

1 前言

制造业中涉及到的工序较多，通常需要将半成品工件从一个工位转移到另一个工位继续加工。工件所处环境有时温度较高，有时可能处于腐蚀性液体中，需要用夹具协助转移。环卫工人或公益志愿者捡取垃圾、果皮，废纸、瓶子等，为防止危险物品划伤手、细菌病毒污染手，需要使用夹子协助完成。行动不便者通过夹子可在一定距离内拿取物品。花圃里搬运仙人球花盆需要夹子协助，防止花刺扎伤手。尤其是近两年新冠病毒的传播让我们时刻绷紧神经，勤洗手、少聚集，切断病毒和细菌的传播途径，借助取物夹可以避免直接接触污染的物品，减少病毒细菌的传播。但是目前市面上的取物器或取物夹基本都是两爪，夹取稳定性不高，强度不足，当夹取圆形物体时，由于两爪用力不易平衡，很容易打滑，夹取不方便或滑脱损坏物品。设计一款夹取力大，易锁紧，夹持平稳防滑的夹取器尤为迫切。

因此，本文设计了一种手持式夹取器，便于夹取圆形或不规则物体，夹取力大，易锁紧，夹持平稳防滑，主要从夹头个数、夹头结构、传动机构等几个方面进行了创新设计。

2 夹头个数的优化设计

目前市场上夹子通常是两爪夹头，两爪夹头夹取物品着力点是两处，由于物品形状多样且可能不规则，根据受力分析，两个力很难在同一直线上，很难达到平衡，尤其当夹取圆形物体时会从夹头滑脱，见图1。三爪夹头由于有三个力作用在物体上且向内汇聚很容易达到平衡，夹取平稳，物品不易滑脱，见图2。

图1 两爪夹头受力图

图2 三爪夹头受力图

3 夹头防滑设计

夹头采用PC材料，PC材料是性能优良的热塑性工程塑料，具有突出的抗冲击能力，耐蠕变和尺寸稳定性好，热稳定性好，吸水率低、无毒，有抑制细菌特性，PC材料相对金属材料有比较高的摩擦系数，可以增大摩擦力。PC材料通过注塑模具能够制造出合适的复杂的夹头形状。夹爪上与被夹物体接触的地方整体采用弧形结构，与圆形物体相适应，增大包容面。另外接触面上设计多根凸起的条棱状，增大夹头与物体的摩擦力，起到防滑作用。夹爪结构示意图见图3。

图3 夹爪结构示意图

4 夹头的拉紧传动机构设计

夹头保持常开，夹紧是通过手部动作来实现，从手指的扣机动作到夹子头部夹头的收紧动作需要一套传动机构。拉紧动作可以通过最简单的构件弹簧来实现，手松开靠弹簧的回弹使夹头张开，但是弹簧拉紧力不够稳定，且时间长了容易失效，夹头的夹紧力不足以夹取物品。连杆式拉紧机构结构简单，见图4，能实现运动的传递且夹紧力稳定，看似能实现夹子头部的夹紧，但是在拉杆（构件2）与滑槽配合度要求较高的条件下，机构自由度计算公式如下：自由度个数F=3n-2PL- PH=3*2-2*3-0=0，其中n为连杆式拉紧机构中活动构件的数量，PL为 低副个数，PH为 高副个数，经计算，自由度为0，则机构因为自由度的缺失而无法传递运动，不能实现夹紧。

图4 连杆式拉紧机构简图

为解决自由度的问题，对连杆式拉紧机构进行改进，在原先运动受限的结构处增加活动构件的数量，同时也改变了运动副的个数。在构件2和构件1之间增加一个构件3，即增加一个滑槽机构（构件3），见图5，构件3上的槽与构件1上的杆组成一个移动副。机构自由度计算公式如下：自由度个数F=3n-2PL- PH=3*3-2*4-0=1，自由度为1，原动件个数也为1，满足原动件个数=自由度个数≥1，机构具有确定的运动。工作原理如下：拉动拉杆（构件2），通过转动副B带动构件3运动，构件3通过移动副带动构件1绕转动副A点转动，实现夹子头部夹紧。构件均为刚性构件，传动稳定，夹持力大。

5 采用轻型材料

在满足夹取功能的基础上尽可能减轻整个产品的重量，让使用者轻松操作。起机架作用的方管采用塑料，图5中构件2可以设计成钢丝，其它零部件亦可采用塑料注塑成型，既可成复杂一体，又大大减轻重量，节约成本。

图5 铰链滑块传动机构拉紧示意图

6 结束语

本文对生活中的手持式夹取器进行了创新设计和研究。将常见的两爪改为三爪，增加了夹取的强度、力度和稳定性；夹头材料采用PC材料，增大摩擦系数，夹头结构采用弧形接触面带条棱，增大摩擦力和抓取的稳定性；传动结构采用铰链滑块机构，使传动顺畅省力，效率高，满足了市场的需求。