一种手持式便携折叠高空换灯机械爪的研究

一种手持式便携折叠高空换灯机械爪的研究

张志涵   ,吕吉韬   ,李光毅   ,朱跃鹏   ,张中奇

青岛理工大学    山东省青岛市    266525

摘要：本文发明了一种便捷的手持高空换灯装置，属于换灯装置领域，装置主要分为手持部、伸缩套管、操控面板以及换灯机械手，该装置是一个手持式带更换夹爪并且可以伸缩调节长度的换灯装置，机械手顶端的夹爪通过内部的丝杆螺母结构配合连接杆的活动连接，再利用马达与齿轮结构驱动丝杆升降，从而调整夹爪的开合，用于夹持灯泡；此外，夹爪还通过驱动转筒再配合一个马达齿轮驱动结构实现旋转，从而实现拆装灯泡；最后，该装置还配备了摄像传感探头与操控面板，从而方便操作人员清楚观察到高空处待更换灯具的情况，方便实际操作更换灯泡。

关键词：手持式；便携折叠；机械爪

自从电灯出现之后，时至今日已经实现高度普及，虽然现在的电灯寿命较长，但是因为电压波动、产品质量等各方面原因仍时有损坏，需要及时更换，传统的方式大多是人工借助桌椅、梯子等工具登高至灯具处进行更换；这种方式存在诸多问题[1]：首先，遇到一些层高较高的建筑时，登高作业存在安全隐患，有坠落摔伤的风险；其次，一些公共场所没有相应的登高工具，使得损坏的灯具不能及时更换；最后，传统的方式单人作业十分不便，更换、检查需要人员上上下下，效率较低[2]。

一、本装置优势

通过设计一个手持带更换夹爪并且可以伸缩调节长度的换灯装置，装置的顶部设有换灯机械手，机械手顶端的夹爪通过内部的丝杆螺母结构配合连接杆的活动连接，再利用马达与齿轮结构驱动丝杆升降，从而调整夹爪的开合，用于夹持灯泡；此外，夹爪还通过驱动转筒再配合一个马达齿轮驱动结构实现旋转，从而实现拆装灯泡；最后，该装置还配备了摄像传感探头与操控面板，从而方便操作人员清楚观察到高空处待更换灯具的情况，方便实际操作更换灯泡。

二、装置组成

手持部（1），所述手持部（1）的顶端固定连接有一个伸缩套管（3），所述伸缩套管（3）的顶端设有一个换灯机械手（5），其特征在于：所述换灯机械手（5）的顶端设有一个活动的夹爪（17），所述夹爪（17）为四爪式，对称活动安装在一个驱动转筒（12）上，所述驱动转筒（12）活动安装在换灯机械手（5）的内部，并且通过一号驱动马达（15）配合齿轮驱动实现水平转动，所述夹爪（17）的内侧还分别活动连接有一个调节开合的连接杆（18），四个所述连接杆（18）活动安装在一根升降丝杆（20）的顶端，所述升降丝杆（20）的下方活动连接有一个丝杆螺母（25），所述丝杆螺母（25）通过齿轮驱动的方式与一个二号驱动马达（21）实现动力连接，所述二号驱动马达（21）则固定安装到驱动转筒（12）的底部。

手持部（1）的底部连接有一个底块（6），所述底块（6）的底部安装有一个供线器（2），所述供线器（2）上缠绕有电线（7），电线（7）的顶端连接有一个摄像传感探头（8），所述摄像传感探头（8）从手持部（1）与伸缩套管（3）的内部穿过固定安装在换灯机械手（5）的顶端中心位置，并且供线部分采用电滑环进行信号和电源的传递。

手持部（1）与伸缩套管（3）的连接处还通过悬臂结构安装有一个操控面板（4），所述操控面板（4）与供线器（2）以及摄像传感探头（8）电性连接。伸缩套管（3）的最内管顶端设有一个连接头（9），所述换灯机械手（5）的外部设有一个外壳（10），所述外壳（10）直接固定安装在连接头（9）上。

夹爪（17）的夹持末端设有橡胶垫，所述驱动转筒（12）内部中空，四个夹爪（17）的底部分别通过轴销活动安装在驱动转筒（12）顶端外圈上，所述驱动转筒（12）的中部位置外圈固定安装有一个转筒轴承（13），所述转筒轴承（13）卡在外壳（10）的顶端位置，以此将驱动转筒（12）安装在外壳（10）上，所述转筒轴承（13）的上方还设有一个防护的上盖（11），所述上盖（11）直接扣合在外壳（10）的顶部。

驱动转筒（12）的底部固定连接有一个一号从动齿轮（14），所述外壳（10）的内壁上设有一个凸出的安装平台，一号驱动马达（15）就安装在该平台上，所述一号驱动马达（15）的顶部连接有一个一号驱动齿轮（16），所述一号驱动齿轮（16）与一号从动齿轮（14）啮合在一起实现驱动。

升降丝杆（20）的顶端设有一个安装头（19），所述连接杆（18）的一端通过轴销活动连接到安装头（19）上，另一端也通过轴销与夹爪（17）的内侧活动连接。

一号从动齿轮（14）的底面靠外圈位置固定安装有一个固定架（22），所述二号驱动马达（21）就固定安装在固定架（22）上，所述二号驱动马达（21）的顶端连接有一个二号驱动齿轮（23），所述丝杆螺母（25）的外部则固定安装有一个二号从动齿轮（24），所述二号驱动齿轮（23）与二号从动齿轮（24）相互啮合实现动力传递。

丝杆螺母（25）的顶部外圈还固定连接有一个螺母轴承（26），所述螺母轴承（26）的外部固定连接有一个限位环（27），所述限位环（27）则固定连接到一号从动齿轮（14）底部的中空位置。

三、技术方案

一种便捷的手持高空换灯装置，包括手持部，所述手持部的顶端固定连接有一个伸缩套管，所述伸缩套管的顶端设有一个换灯机械手，所述换灯机械手的顶端设有一个活动的夹爪，所述夹爪为四爪式，对称活动安装在一个驱动转筒上，所述驱动转筒活动安装在换灯机械手的内部，并且通过一号驱动马达配合齿轮驱动实现水平转动，所述夹爪的内侧还分别活动连接有一个调节开合的连接杆，四个所述连接杆活动安装在一根升降丝杆的顶端，所述升降丝杆的下方活动连接有一个丝杆螺母，所述丝杆螺母通过齿轮驱动的方式与一个二号驱动马达实现动力连接，所述二号驱动马达则固定安装到驱动转筒的底部。

手持部的底部连接有一个底块，所述底块的底部安装有一个供线器，所述供线器上缠绕有电线，电线的顶端连接有一个摄像传感探头，所述摄像传感探头从手持部与伸缩套管的内部穿过固定安装在换灯机械手的顶端中心位置，并且供线部分采用电滑环进行信号和电源的传递。手持部与伸缩套管的连接处还通过悬臂结构安装有一个操控面板，所述操控面板与供线器以及摄像传感探头电性连接。

伸缩套管的最内管顶端设有一个连接头，所述换灯机械手的外部设有一个外壳，所述外壳直接固定安装在连接头上。夹爪的夹持末端设有橡胶垫，所述驱动转筒内部中空，四个夹爪的底部分别通过轴销活动安装在驱动转筒顶端外圈上，所述驱动转筒的中部位置外圈固定安装有一个转筒轴承，所述转筒轴承卡在外壳的顶端位置，以此将驱动转筒安装在外壳上，所述转筒轴承的上方还设有一个防护的上盖，所述上盖直接扣合在外壳的顶部。驱动转筒的底部固定连接有一个一号从动齿轮，所述外壳的内壁上设有一个凸出的安装平台，一号驱动马达就安装在该平台上，所述一号驱动马达的顶部连接有一个一号驱动齿轮，所述一号驱动齿轮与一号从动齿轮啮合在一起实现驱动。升降丝杆的顶端设有一个安装头，所述连接杆的一端通过轴销活动连接到安装头上，另一端也通过轴销与夹爪的内侧活动连接。一号从动齿轮的底面靠外圈位置固定安装有一个固定架，所述二号驱动马达就固定安装在固定架上，所述二号驱动马达的顶端连接有一个二号驱动齿轮，所述丝杆螺母的外部则固定安装有一个二号从动齿轮，所述二号驱动齿轮与二号从动齿轮相互啮合实现动力传递。丝杆螺母的顶部外圈还固定连接有一个螺母轴承，所述螺母轴承的外部固定连接有一个限位环，所述限位环则固定连接到一号从动齿轮底部的中空位置。

参考文献

[1]赵海奇. 操作机器人机械手爪的设计研究及应用[J]. 南方农机, 2022, 53(19): 95–97.

[2]方海峰, 黄希, 范纪华, 等. 仿鸟喙微型气动软体机械手爪的设计及优化[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(1): 67–74.