侧装式垃圾收运车的抱爪式机械手装置的设计

摘 要

　　本文的研究对象是侧装式垃圾收运车的抱爪式机械手装置。机械手是垃圾收运车的重要组成部分，其主要作用是完成对垃圾桶的抓取、收回、升降、翻转、倾倒及空桶回归复位等动作。根据项目既定的技术要求和功能目标，建立了机械手的总装配模型、虚拟样机模型、有限元模型和参数化模型。进行了机械手的运动学和动力学仿真分析、静力有限元分析、模态分析和结构优化设计。本文的主要内容包括：

　　（1）机械手结构方案制定、几何建模和工作原理分析。根据侧装式垃圾收运车既定的技术要求及功能目标，结合市场上垃圾桶和改装垃圾车的结构特点，确定了机械手结构设计方案。结合实际工程情况对比分析两套方案，确定了最终的机械手方案，建立了机械手的几何模型，分析了机械手结构的工作原理，验证了机械手运动轨迹的准确性。

　　（2）机械手运动学和动力学仿真。利用 Adams 软件建立机械手虚拟样机模型，并进行运动学和动力学仿真分析。研究机械手结构抓手质心的运动轨迹，得出其位移和速度曲线；通过分析提升臂和翻转臂动态特性、液压缸受力和转矩，发现机械手运动过程中，在提升、滑枕回缩和翻转三个工况的启动瞬间，力和转矩出现微量突变，分析认为机械手系统存在一定的振动和冲击。

　　（3）机械手结构典型工况静力学有限元分析。利用 Workbench 建立机械手有限元模型，通过分析，找到了机械手结构最大应力与变形产生的位置。同时发现，机械手结构受应力集中的影响，最大变形都发生在机械手左抓手的最前端，最大应力则在机械臂和提升液压缸活塞基座的连接处。但三种工况下的最大应力均在材料允许的屈服强度范围内，说明该结构的强度和刚度是满足设计要求的，证明此设计方案是可行的。

　　（4）机械手结构模态分析和轻量化设计。为了研究结构的振型特征，对机械手进行模态分析，通过分析知，该结构前 6 阶模态固有频率值均偏离激振频率，因而不会发生共振现象。基于静力学有限元分析的结果，选择应力和变形最大的抱桶工况为轻量化研究对象，建立机械手优化模型，并对其进行结构优化计算。

　　通过与该工况优化前的有限元分析数据进行对比，机械手的整体质量下降了12.28%,在一定程度上达到了轻量化的预期效果，为机械手的进一步优化提供了参考依据。

　　关键词：垃圾收运车机械手；动力学仿真；有限元分析；模态分析；结构优化

Abstract

　　The research object of this paper is the claw-type manipulator device of the side-mounted garbage collection truck. The manipulator is an important component in the garbage collection and transportation vehicle, and its main function is to complete the grabbing, retracting, lifting, flipping, dumping and returning to actions of the trash can. According to the established technical requirements and functional objectives of the project, the total assembly model, virtual prototype model, finite element model and parametric model of the manipulator has established. The kinematics and dynamics simulation analysis of the manipulator, static finite element analysis, modal analysis and structural optimization design has carried out. The main contents of this article include:

　　（1） The formulation of the manipulator structure plan, geometric modeling and working principle analysis. According to the established technical requirements of the side-mounted garbage collection vehicles and relative required functional objectives, the structural characteristics of the garbage cans commonly used in the market and the modified garbage trucks, the design of the manipulator has been determined. Based on the actual engineering situation, the two sets of schemes are compared and ana lyzed. The final manipulator scheme has determined. The geometric model of the manipulator is established. The working principle of the manipulator structure is analyzed. Finally, the accuracy of the trajectory are verified.

　　（2） Robot kinematics and dynamics simulation. The virtual prototype model of the manipulator was established by Adams software, and the dynamic characteristics simulation analysis was carried out. The trajectory of the centroid of the gripper structure is studied, and the displacement and velocity curves has been obtained. By analyzing the dynamic characteristics of the lift arm and the flip arm, the force and torque of the hydraulic cylinder, it is found that the movement of the robot is lifting and the ram is retracted. When the three working conditions are started, the force and torque appear to be slightly abrupt. It is believed that there is a certain vibration and impact in the robot system.

　　（3） With static finite element analysis, typical working conditions of manipulator structure has been analysed. Using the Workbench to build a manipulator finite element model, by analyzing, the position of maximum stress and deformation of the manipulator structure has been found the structure is affected by the stress concentration and the maximum deformation occurs at the foremost end of the left hand of the manipulator, and the maximum stress is at the joint of the robot arm and the piston base of the lift cylinder. The maximum stress was at the joint of the robot arm and the piston base of the lift cylinder. The maximum stress under all three conditions is within the allowable yield strength of the material, indicating that the strength and stiffness of the structure meet the design requirements, which proves that the design is feasible.

　　（4） Manipulator structure modal analysis and lightweight design. In order to study the vibrational shape characteristics of the structure, the modal analysis of the manipulator structure is carried out. According to the analysis, the natural frequency values of the first 6 modes of the structure deviate from the excitation frequency, so no resonance phenomenon occurs.Based on the results of static finite element analysis, the bucket conditions with the largest stress and maximum deformation are selected as objects of the lightweight research. The manipulator optimization model has established, and the structural optimization calculation are carried out. By comparing with the finite element analysis data before the optimization of the working condition, the overall quality of the manipulator is reduced, and the quality is reduced by 12.28%, which achieves the expected effect of lightweighting to a certain extent, and provides a reference for further optimization of the manipulator.

　　Key words: Manipulator of Refuse collection vehicle; Dynamic simulation; Finite element analysis; Modal analysis ;Structure optimization

目 录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 垃圾收运车概述

　　随着我国经济迅速发展和城市化进程明显加快，城市人口持续地增加，在推动城市繁荣的同时带来了大量的生活垃圾，致使城市垃圾数量飞速上升，城市环境受到严重污染和破坏。生活垃圾急剧增长这一现实问题，引起了国家对环卫工作的高度重视，垃圾的收运工作已成为亟待增强和完善的问题，首先是城市对于垃圾的收运工作受到了极大关注。目前，垃圾收集和处理环节主要包括垃圾桶、环卫工人手推车、机动垃圾收运车、垃圾收集站、垃圾转运站和垃圾处理厂等，这些垃圾收集模式工作环境恶劣、效率低、劳动强度高、机械化、自动化和智能化水平低，基本依靠人为操作；同时，垃圾转运站和处理厂对周围居民的生活还造成极大的影响，占用了一定的土地资源。对于现有的圾收集模式，垃圾收运设施和技术已无法快速地、及时地满足不断增加的垃圾需求，迫切需要在垃圾收集和转运环节，提高装配的机械化、自动化、智能化、网络化水平。

　　垃圾收运车是一款将垃圾收集、压紧和运输并为一体的综合型城市环卫专用车辆。根据垃圾车收集和运输功能可分为：侧装式、自卸式、压缩式、勾臂式、摆臂式垃圾车等[1],如下图 1.1 所示，各种类型垃圾车的特点如表 1.1 所示。

　　纵观垃圾车发展历史，垃圾车早在汽车发明之前已经出现，即马车加上一个收集箱体。但是，在汽车出现之后，早期的马车加收集箱体式的垃圾车因为结构简单、密封性比较差，无法控制不良气味和灰尘，在运输的过程中容易造成再次污染等缺点，因而，逐渐被封闭式的垃圾车所取代。

　　经过几次工业革命时代，西方国家对垃圾车的研究、设计、制造、处理和运输已建立了比较全面的体系，在理论和技术上也达到了一定的成熟度。目前，国外已经有许多的垃圾车制造公司，如美国 SWAPLEADER 公司、希儿博（HIAB）公司、芬兰的 PARTEK 公司和德国的 OTTO 公司、FAUN 公司[2]等，垃圾车经过他们研发已具备较高的制造水平、质量和实用性。

　　德国哈勒（Haller）公司于 1871 年在其首都柏林成立，设置了生产厂和研发中心。因为哈勒的产品在各方面的性能都较好，所以在各个国家受到了极大的欢迎。

　　美国的史堪顿制造公司，于 1972 年成立。到目前为止，该公司有三十多种类型的垃圾车产品，其中包含后装式、侧装式和前装压缩式车、全自动分类收集车等一系列车辆[3],已成为这个行业中种类和功能最齐全的生产公司之一。由于我国环卫市场的极大需求和发展潜能，所以该公司于 1999 年 10 月在中国创办了第国外垃圾车的研制和应用相对于我国垃圾车的发展有着更为悠久的历史，理论研究和生产制造技术水平相对比较成熟。我国的垃圾车在 20 世纪 80 年代才刚刚进入起步阶段，初期的垃圾车基本上是通过引进、消化和吸收国外比较先进的技术，一定程度上促进了我国环卫车辆的研发和生产。经过不断的探索，我国垃圾车技术获得了快速发展和稳步提高。特别是进入 21 世纪时代以来，国家越来越重视环卫工作，将环卫工作视为我国一项重大任务，因而垃圾车作为环卫工作的基础设施，迎来了良好的发展阶段。

　　尽管我国的垃圾车不论是在理论基础上还是制造技术水平上来看，相较发展初期阶段已经比较成熟，但是与国外垃圾车发展史较早的国家产品相比，我国的垃圾车在性能和功能上还有一定的差距，主要表现在以下几个方面：低端产品比重较大，高端产品和垃圾车整车的性能特点有待提高；缺乏创新意识和创新理念，部分产品还是以模仿国外垃圾车为主进行研发制造。因此努力提高我国垃圾车制 造技术和生产水平，加强自主创新和自主产权保护意识，实现机电一体化、机械自动化和智能化，将现代设计的方法和理论汇入到产品的研发过程中，是实现我国环卫设备产业水平的重要手段之一。与此同时，我国还需加强垃圾车市场竞争力意识，利用我国强劲的市场需求量特点，相信在这个经济快速发展的时代背景和越来越多的国民对环保意识增强的情况下，垃圾收运车将迎来一个快速增长的黄金期 [4].

　　1.2 课题研究背景及意义

　　近年来，我国经济发展水平得到了快速提升，国民的生活水平得到了不断提高，人们生活质量有了质的飞跃，但导致了生活垃圾的急剧增多，造成了日益严重的环境污染问题。迫切需要环卫部门改造和更新大量的垃圾收集、转运车辆及垃圾处理工厂，用科学的方法处理垃圾。

　　当前，我国城镇环卫垃圾收运的方式依旧是以人工收运为主，这种方式不但劳动强度大、工作环境恶劣，同时收运的效率也较低。在当前的城镇化进程中，我国环卫设备的处理能力与国外先进的垃圾车有一定的差距，自动化和智能化程度不高，在垃圾收运时常需要人为的辅助，并且借助垃圾中转站。这样的垃圾运营模式容易在运输过程中造成二次污染，影响中转站附近居民的生活。低效率垃圾收集与转运方式与愈来愈高的城市环境要求严重不合拍，中转站的建设用地和城镇有限的土地资源亦存在矛盾，因此，垃圾收集系统的不断完善和最佳优化，对垃圾综合管理运行有着至关重要的作用。

　　垃圾收运一般分为收集、转运和处理三个环节，图 1.2 是我国传统垃圾收运系统和目前普遍使用的垃圾收运车环节对比分析图。

　　为了解决传统垃圾收运模式中遗留的问题，团队针对课题拟设计一款侧装式垃圾收运车，对垃圾收运车上的机械手进行研究。课题源自于我校国家级纵向课题"集成式智能化城乡垃圾收集和转运系统"中侧装式垃圾收运车的设计与开发子项目。研究的目的在于转变当前垃圾收集和处理依然需要依靠人工协助和必须经过中转站的这种模式，期望创造良好的工作环境、提高垃圾收集效率、消除垃圾再次污染、降低人工劳动强度。研发的侧装式垃圾收运车，包含了以往垃圾车车型的优点，可以快速高效地收集垃圾，能通过控制程序，很好地完成机械手自动抓桶、抱桶、回缩、提升、翻转等动作，自动完成垃圾倾倒和垃圾桶复位等。 垃 圾收运车机械手作为垃圾收运车重要的构成部分，很好的代替了人的双手，有效地解决了环卫工人在垃圾收集、运输中的缺陷和不足。侧装式垃圾收运车实体模型如图 1.3 所示。

　　课题的研究对象为侧装式垃圾收运车机械手装置，研究的目标是对机械手进行静态和动态特性分析以及对机械手结构进行一定的结构优化。在满足项目既定的技术指标和要求的先决条件下，提高机械手在垃圾运输过程中的可靠性和平稳性，并实现结构的轻量化。目前，国内许多研究者对厨余式、导轨式、拉臂式、后装压缩式垃圾收运车方面进行的研究比较多，但对侧装式垃圾收运车机械手部分的静动态力学分析和研究还是相对比较少，因而此课题研究对垃圾车的自行研发具有一定的参考意义。主要表现在：

　　（1）基于 Adams 虚拟样机技术平台，对机械手的运动和动力学进行仿真分析，观察机械手的运动轨迹和受力情况，寻找结构在仿真分析时产生冲击和振动的原因，进而提高机械手运动过程中的平稳性和可靠性。

　　（2）对机械手结构进行静力有限元分析，利用 Workbench 有限元分析软件对机械手典型工况进行应力应变计算，确定每种工况的极限部位，完成其强度和刚度的校核。

　　（3）在有限元分析的基础上，选择变形和应力最大的工况做进一步结构优化设计，达到机械手质量最小的目标函数设计，为后续的垃圾车车型的改进提供数据支撑和一定的指导。

　　1.3 垃圾收运车机械手国内外研究现状

　　机械手是垃圾收运车系统中非常关键的装置，它的主要作用是完成对道路两旁等待处理的垃圾桶抓取、抱桶、回缩、提升、翻转、垃圾倾倒及复位垃圾桶等动作。当前，垃圾收运车在国内国外的发展水平程度不同，存在一定的差距，其中德国 FAUN 公司、HALLER 公司和美国 HEIL 公司、史堪顿制造公司制造技术和自动化水平已经比较成熟，在垃圾收运车行业占据十分重要的地位。我国目前也有一些较好的企业在垃圾收运车行业为大众熟知，如盈峰环境、厦工楚胜、湖北程力专汽和福建龙马环卫等，但与国外垃圾车的发展还有一段距离。国外较为成熟的垃圾收运车机械手类型归纳起来大致有导轨式、关节型连杆式、梯式轨道剪刀撑、组合型机械手等[5].如图 1.4 所示为已经投入市场的部分垃圾收运车机械手。

　　由于我国垃圾收运车的发展起步较晚，通过借鉴国外先进的垃圾车技术，完善我国垃圾车存在的不足之处，快速地融入到垃圾收运车的庞大市场，以上四种类型垃圾车机械手的优缺点如表 1.2 所示。

　　近年来，国内已经有许多学者开始了这一方面的研究，不仅是垃圾收运车机械手方面，而且还涵盖了垃圾收运车一整套收运装置。祝曼曼[4]浅谈垃圾车的发展历史，我国垃圾车相较于欧洲垃圾车的发展是有一定差距，阐述了我国垃圾车的发展趋势及在发展中所遇到的问题。王敏[6]对压缩式垃圾车所有的类型进行详细的表达和叙述，尤其对我国该类垃圾车的历史现状、发展趋势进行了很好的总结，发现了存在的问题，提出了解决方法和思路。罗龙明[7]根据垃圾桶要完成的提升要求和垃圾车的车型，设计了平面四杆机构。任崇轩[8]对五自由度机械手的运动学、动力方面、控制系统进行了实体建模和仿真分析。张文佳[9]对拉臂式垃圾车的自卸结构进行了实体建模、工况动态特征仿真，获得了各工况下自卸结构的最大载荷和相对应的时间，在已获得的最大受力数据条件下，对自卸装置进行了静态有限元分析，针对应力集中问题进行了机构优化设计，优化后解决了应力集中问题，使结构更加的安全可靠。孙亚[10]对餐厨式垃圾车的提升翻转装置进行了分析，建立了三维实体模型，通过模型导入形式对提升翻转结构进行了动态、静态特性和模态分析，获得了油缸的受力运动曲线、结构产生最大应力的具体位置和振型特征，通过分析可知提升翻转装置不会产生共振现象。王琦[11]以压缩垃圾车的压缩机构为研讨对象，结合实际分析了会影响垃圾车力学性能的因素，并将影响运动和动力的因素考虑到运动仿真分析中，对压缩装置进行了动力学分析、有限元分析和结构拓扑及尺寸同时的优化设计，发现了压缩装置、油缸在运动过程中受力情况，找到了典型工况最大应力及变形存在的位置，降低了压缩结构的整体质量。王金刚[12]等为了得到压缩式垃圾车的最佳翻桶机构的参数模型，对其进行了参数及优化设计，使填充器上料运动过程更加平稳化，很好的改善了液压系统的工作环境。王建春[13]基于虚拟样机 Adams 平台对侧装式垃圾车多功能机械手抓取垃圾桶的过程进行动态特性仿真和分析，发现了其运动轨迹的规律以及导轨在运动中受力情况；为了确定机械手的强度是否足够，对其进行了静力分析并找到了结构应力集中的区域，经过对数据的分析，了解到机械手的强度符合使用要求后，并根据有限元仿真结果对机械臂的质量进行了优化。申如意[14]对机械手的抓取机构的工作原理进行了深度分析。并在这个的基础上，结合理论力学的研究获得了力的输入输出关系曲线，并运用 Adams 进行仿真计算。经过理论数据和仿真数据的对比分析，最后针对机械手模型的优化设计较为适合的设计变量。 刘新建[15]等针对机械手的模态辨识这一难题，提出了一种简单却又有效的辨识柔性机械手的模态方法和理论，经过验证该方法是正确可行的。凌云[16]等针对机械手吊臂如何高速工况下准确控制位置问题，进行吊臂的模态分析，避免了共振现象并且满足设计的要求。王娜[17]等未来检验清粉机筛格的强度、刚度及振型特征，运用 Ansys Workbench 对筛格进行了建模，并对其进行了有限元静力学和模态分析，获得了该结构的应力变形云图及前 10 阶模态固有频率值和振型特征图，数据表示该结构的应力均在材料的需用范围内，且前 10 阶固有频率值都不等于激振频率，没有达到产生共振的基本条件，因此该结构不会发生共振现象。刘同举[18]

　　经过分析得知，刮板的受力变形垃圾车的工作性能影响比较大，基于这个因素利用 NX 和 ANSYS 建立刮板的有限元模型，得到其应力变形云图，找到了机构产生最大应力和变形的位置，同时为了提高刮板的利用率，增大其竞争力，进行轻量化设计，获得了有效合理的结构尺寸。韩以伦[19]等基于提高垃圾车整车的性能和工作效率的目的，提出了一款新型侧装式垃圾车的提升装置，运用了 UG 进行三模模型的创建，为了分析该装置的动态特性，采用专门的仿真软件 Adams 进行了仿真分析，获得了提升装置的运动规律，达到了预期的运动效果。为了准确掌控提升装置位置，采用 ADAMS 和 MATLAB/Simulink 共同搭建了联合仿真控制系统，同时采用 PID 控制器对系统进行校正，经过对仿真数据的谨慎分析，确定了该装置具备良好的动态响应特性，达到了对该装置精确位置的控制目的。

　　以上学者的研究不但详细阐述了垃圾车发展历史及趋势，对垃圾车发展中存在的问题和解决方法提出了宝贵建议，而且针对垃圾的复杂多样化和垃圾车的整体实用性和平稳性，不断研制出适合现阶段的上料机械手装置。相较以前的上料装置，其结构和形状有了很大突破，从理论研究角度上来说，进一步推动了垃圾收运车的市场需求、开发和应用。

　　1.4 主要研究内容

　　本文的研究对象为垃圾收运车的机械手装置，研究目的是对机械手进行有限元的强度和刚度分析、运动学和动力学分析、结构优化设计。本文研究内容有以下几点：

　　（1）对垃圾收运车的机械手装置进行方案制定、三维建模、工作原理分析。按照垃圾收运车项目所定下的技术路线要求，确定合理的机械手设计方案。根据设计方案建立合理的机械手三维模型，并完成垃圾车和机械手的装配；介绍垃圾收运车的工作原理，验证垃圾车和机械手相对位置的准确性。

　　（2）基于 Adams 虚拟样机平台进行机械手的运动学和动力学仿真分析。利用Adams 对机械手建立虚拟样机模型，根据其工作原理和实际工作情况对机械手进行运动仿真，获得了机械手运动时的位移、速度、加速度、受力和转矩曲线。 （3）采用 Workbench 有限元分析平台，对机械手结构进行有限元建模。通过添加材料、划分网格，施加力和约束，对机械手工作过程中三种较为典型的工况进行静力有限元分析。通过分析，得到典型工况的应力和变形云图，找出机械手的最大应力及变形的位置，校核其刚度和强度是否符合设计要求，并对机械手进行模态分析，判断结构是否存在共振现象。

　　（4）对机械手结构进行轻量化设计。依据机械手有限元分析的计算结果，选应力与变形最大的工况为结构优化的对象，建立机械手优化模型。确定优化的设计变量、目标函数及约束条件，实现机械手结构或尺寸的优化，以达到机械手轻量化设计目标。

　　1.5 本章小结

　　本章首先介绍了垃圾收运车的发展情况，以及此次论文研究的背景与意义，确定了以垃圾收运车机械手为研究对象的论文主题，探讨了垃圾收运车国内外的研究现状，最后对本文主要的研究内容进行了介绍，指出了需解决的主要问题。

　　第 2 章 垃圾收运车机械手方案制定与工作原理分析
　　2.1 垃圾收运车机械手功能要求
　　2.2 机械手结构方案设计
　　2.3 末端抓手的方案设计
　　2.3.1 挂桶式末端抓手方案设计
　　2.3.2 抱爪式末端抓手方案设计
　　2.3.3 方案对比分析与定型

　　2.4 机械手三维模型
　　2.4.1 机械臂和末端抓手抱爪机构三维建模
　　2.4.2 机械手整体装配效果
　　2.5 机械手工作原理分析和模型验证
　　2.5.1 机械手工作原理
　　2.5.2 机械手模型验证
　　2.6 本章小结

　　第 3 章 机械手运动学和动力学分析
　　3.1 虚拟样机技术与软件介绍
　　3.2 机械手基于 Adams 平台建模
　　3.2.1 导入虚拟样机模型
　　3.2.2 添加约束和驱动
　　3.2.3 施加载荷

　　3.3 机械手运动学仿真分析
　　3.3.1 抓手质心运动分析
　　3.3.2 翻转臂运动分析
　　3.3.3 翻转液压缸运动学分析
　　3.4 机械动力学仿真分析
　　3.4.1 提升臂动力学分析
　　3.4.2 翻转臂动力学分析
　　3.4.3 翻转液压缸动力学分析
　　3.5 本章小结

　　第 4 章 垃圾收运车机械手静力有限元分析及模态分析
　　4.1 有限元方法简介
　　4.1.1 有限元基本理论
　　4.1.2 有限元分析流程
　　4.2 有限元分析的目的
　　4.3 有限元模型的建立
　　4.3.1 定义材料属性和划分网格
　　4.3.2 施加约束和载荷

　　4.4 不同工况下的机械手有限元分析
　　4.4.1 机械手抱桶有限元分析
　　4.4.2 机械手提升有限元分析
　　4.4.3 机械手倾倒有限元分析
　　4.4.4 机械手有限元仿真结果分析
　　4.5 机械手结构模态分析
　　4.6 本章总结

　　第 5 章 垃圾收运车机械手结构尺寸优化设计
　　5.1 优化的目的
　　5.2 机械手结构优化设计模型
　　5.2.1 设计变量的选取
　　5.2.2 目标函数和约束条件
　　5.2.3 设计变量的初始值
　　5.2.4 优化数学模型
　　5.3 优化结果
　　5.4 本章小结

总结与展望

　　本文的研究的是侧装式垃圾收运车机械手装置，从实际工程的角度出发，主要研究机械手在运动过程中的运动学和动力学特性、静力有限元分析、模态分析以及轻量化的结构设计，以满足实际工程情况，降低生产、制造成本，提高工作效率。研究的主要内容及结论有：

　　（1）根据项目的既定目标和机械手需达到的功能要求，结合垃圾车和垃圾桶的结构特点，提出了以三自由度为标准的机械臂设计方案，并以此为基础设计了两套末端抓手方案，综合对比分析，确定了机械手的最终方案。接下来分别对垃圾车、垃圾桶和机械手建立三维实体模型，并按照侧装式垃圾收运车的要求进行整体装配，并对机械手完成垃圾收运工作过程进行详细阐述。为了很好地实现垃圾收运的效果，避免在收运过程中引起二次污染，进一步对垃圾收运车的整体装配进行模型验证，通过验证可知机械手和垃圾桶相对于垃圾车边缘不存在触碰，机械手和垃圾桶相对于垃圾车的运动轨迹曲线符合既定的运动规律。

　　（2）为了能够准确地把握机械手在运动过程中的规律和力学特性，检验机械手在运动过程中是否满足既定的工作目标，运用 Adams 虚拟样机平台进行机械手模型建立，通过添加约束、驱动和施加载荷，设定仿真时间和仿真步数，进行模型的运动仿真，观察抓手质心、翻转臂、提升臂、翻转液压缸的位移、速度和加速度曲线及受力、转矩情况。

　　（3）为了了解机械手结构的强度和刚度是否足够，性能是否满足使用要求，进一步对机械手进行静力学有限元分析。通过定义材料属性、划分网格、施加载荷和约束，得出典型工况的变形和应力分析云图，找到了三种工况发生最大变形和应力的位置。分析造成该现象的原因，为后面机械手结构优化奠定基础。为了能准确观察结构的振型特征，对机械手进行了模态分析，获得了前 6 阶固有频率值和振型云图，通过分析，该结构不会发生共振现象。

　　（4）利用 Workbench 中 Design of Experiments 进行机械手结构优化，通过在 SolidWorks 设置参数化尺寸，在 Design of Experiments 生成优化尺寸，选择质量最小且设计变量均有减小的数据组至于当前，再一次对机械手进行静力学有限元分析。经过结构尺寸优化，机械手的质量得到了减轻，应力分布得到了一定的改善，达到了轻量化的目的。

　　由于垃圾收运车系统具有一定的复杂性，同时，由于个人知识的局限性、实验的不完整性，本文垃圾收运车机械手的研究需进一步的深入研究：

　　（1）机械手末端抓手质心对垃圾桶的运动学采用的是多刚体动力学分析，并

　　没有考虑到现实生活中，垃圾桶的变形而引起抓手夹紧力的影响，因此机械手末端抓手的局部构件应该进行刚柔耦合分析。

　　（2）为了提高机械手的使用寿命，节约生产制造成本，有必要对机械手结构进行疲劳及可靠性分析。因为机械手结构长时间重复工作的原因，势必会造成结构的疲劳损坏、失效等现象，如果时间充裕，有必要对疲劳和可靠性进行研究。

　　（3）实验方面，由于时间、经费和开发计划等问题，垃圾收运车机械手相关实验方面的工作还未全面进行，接下来如果实验条件允许，有必要对机械手进行实验验证 .

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致谢

　　岁月如歌，光阴似箭，两年的研究生生活即将结束。经历了找工作的喧嚣与坎坷，我深深体会到了写作论文时的那份宁静与艰辛。回首两年的求学历程，对那些引导我、帮助我、激励我的人，我心中充满了感激。

　　首先要感谢的是我的导师--吴长德老师，从论文的准备与开题，研究方案的制定到论文的撰写，都得到了悉心的指导，倾注了导师大量的心血。在此期间，经历了论文换题，当时的我内心惶恐不安，担心完成不了论文撰写任务，经过导师耐心的开导和论文撰写的思路指引，我渐渐地平静，认真的准备论文相关的资料准备及仿真分析，期间遇到难以解决的学术难题，及时与团队及导师交流，使论文得以基本完成。回想这两年的学习生活，由衷的感谢吴老师，他积极乐观的心态，为人处世的态度，平易近人的性格深深影响了我，这也是我两年研究生阶段最大的收获；其次，老师严谨的学术作风培养了我认真负责的科研态度，辩证散发的思维助使我树立了正确的科研方法，考虑问题知道需从多方面寻求突破，而不再是局限流程与习惯做法；最后非常感谢老师在我找工作时对我的帮助，因为个人性格等原因，在找工作时特别的彷徨，一度认为自己难以找到理想的工作，是老师的开导和鼓励使我走出彷徨，找到了方向。两年时间虽短暂，但能师从吴老师和毛伟杰高工，我为自己感到庆幸，在此谨向吴老师和毛伟杰高工表示我最诚挚的敬意和感谢！

　　其次，非常感谢同门师兄弟、朋友的陪伴、支持和帮助，能和大家愉快的相处两年，收获如此宝贵的友谊，是我的荣幸。两年的同窗之情贯穿着点点滴滴。

　　感谢已毕业的师兄，在百忙之中能帮助和指导我，感谢同届的伙伴们对我在学术上、生活中的帮助、关照，和大家一起学习生活的时光必将成为我人生中美好的回忆和宝贵的财富。

　　最后，非常感谢家人对我无私无悔的爱和支持。能走到今天，能进入享有"千年学府，百年名校"声誉的大学继续学习深造，对我而言是意料之外的，从未奢望过自己可以拥有这个机会。当这个机会来临之时，曾想过放弃的我，是家人的鼓励、支持和坚持，是年迈的父母无私无悔的付出，我才能心无旁骛安心学习。

　　校园生活二十年，直到现在，我可以很骄傲的说，或许我的家人学历不高，但他们对知识的渴求和渴望孩子成学成才所付出的努力，使我此生难忘，永远铭记于心。

　　一路走来，承担着亲人朋友无数默默地支持与付出，来不及说一声谢谢，是你们一直鼓励着我不断前行。二十载漫漫求学路，唯有感恩与孝心才能报答父母浓浓的养育之恩。

　　最后再次对所有关心过我的人表示感谢，祝你们幸福安康，万事如意！

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