2013年黑龍江省研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目立項(xiàng)申請(qǐng)書

-PAGE5-附件2：批準(zhǔn)后的項(xiàng)目編號(hào)：黑龍江省研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目立項(xiàng)申請(qǐng)書（2013年）項(xiàng)目名稱：面向食品包裝的機(jī)器人夾持器的研究項(xiàng)目申請(qǐng)人（研究生）：劉佳琪學(xué)歷層次（博士或碩士）：碩士入學(xué)時(shí)間：2012.09聯(lián)系電話和電子郵箱axiang100@項(xiàng)目負(fù)責(zé)人（導(dǎo)師）：晏祖根申報(bào)院校：哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院填表日期：2013.05.04黑龍江省學(xué)位委員會(huì)辦公室制2013年05月04日

一、簡表項(xiàng)目申請(qǐng)項(xiàng)目名稱面向食品包裝的機(jī)器人夾持器的研究類別基礎(chǔ)研究□應(yīng)用基礎(chǔ)研究t應(yīng)用研究□起止時(shí)間2013.05-2014.12申請(qǐng)金額所屬學(xué)科機(jī)械制造及自動(dòng)化項(xiàng)目類別一般t重點(diǎn)□項(xiàng)目申請(qǐng)人導(dǎo)師情況姓名晏祖根性別男出生年月1973.03職稱副教授最后學(xué)歷博士學(xué)位博士所學(xué)專業(yè)機(jī)械電子工程從事專業(yè)機(jī)器人技術(shù)、高速包裝技術(shù)與裝備目前指導(dǎo)研究生人數(shù)（博/碩）03項(xiàng)目申請(qǐng)人學(xué)習(xí)工作簡歷（從大學(xué)填起）起止時(shí)間所在單位及專業(yè)學(xué)習(xí)或工作所獲學(xué)歷、學(xué)位或職務(wù)2008.09至2012.7哈爾濱商業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化本科學(xué)習(xí)本科學(xué)歷，工學(xué)學(xué)士學(xué)位2012.09至今哈爾濱商業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化研究生學(xué)習(xí)二、立題依據(jù)1、項(xiàng)目研究開發(fā)的目的食品藥品生產(chǎn)、電子制造行業(yè)是工業(yè)的重要組成部分。近年來，隨著居民生活水平的改善和居民消費(fèi)水平的不斷提高，食品質(zhì)量和食品衛(wèi)生問題上升成為大家街頭巷議的熱點(diǎn)問題，人們不僅對(duì)食品的質(zhì)量、重量以及外觀提出了很高的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)食品衛(wèi)生也提出了很嚴(yán)格的要求，這就需要食品在加工以及包裝的生產(chǎn)過程中，不和操作人員產(chǎn)生直接接觸，以保證食品的衛(wèi)生性、安全性。由于技術(shù)水平和資金條件的限制，在我國的食品生產(chǎn)與包裝行業(yè)中，食品的分級(jí)、分揀工序還采用人工直接操作，生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差，而且，由于工人與食品的直接接觸，大大降低了食品的衛(wèi)生性和安全性，食品生產(chǎn)很難符合ISO9002質(zhì)量管理體系的標(biāo)準(zhǔn)。加之，勞動(dòng)力短缺和勞動(dòng)力成本上升之間的矛盾日益尖銳，這就使得企業(yè)迫切希望采用食品自動(dòng)檢測(cè)、分級(jí)和分揀設(shè)備，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，大幅提高生產(chǎn)效率，擴(kuò)大企業(yè)品牌影響力，進(jìn)一步壯大企業(yè)實(shí)力。工業(yè)機(jī)器人，又稱機(jī)械手，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中正發(fā)揮著越來越重要的作用，它被廣泛應(yīng)用到流水線上，代替人類從事焊接、噴涂、搬運(yùn)等許多較繁重的勞動(dòng)，大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也極大地提高了產(chǎn)品的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，可以說工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)工業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[1]。工業(yè)機(jī)器人夾持器安裝在機(jī)器人末端，是機(jī)器人與工件、工具、產(chǎn)品等直接接觸并進(jìn)行作業(yè)的裝置，是機(jī)器人的重要組成部分，對(duì)機(jī)器人的總體性能有舉足輕重的影響。在此背景下，設(shè)計(jì)一種面向食品包裝的機(jī)器人夾持器，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于提高生產(chǎn)效率，保障食品包裝衛(wèi)生性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。2、國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢(shì)國外在機(jī)械手方面起步較早，隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手在自動(dòng)化的生產(chǎn)線上變的越來越重要，機(jī)械手的發(fā)展也越來越快，到了20世紀(jì)80年代，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，圖像識(shí)別技術(shù)和人工智能技術(shù)日益成熟，帶動(dòng)機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)許多類型的機(jī)器人，而作為機(jī)械手和物件唯一并直接接觸的夾持器也變的越來越重要，隨著機(jī)械手在不同行業(yè)的快速發(fā)展，夾持器也的到了快速發(fā)展。根據(jù)被夾產(chǎn)品的大小可以把夾持器分為宏觀夾持器和微觀夾持器。宏觀夾持器一般用于夾持宏觀物體，也就是夾持肉眼可見的物體，一般工廠中使用的夾持器都是宏觀夾持器。宏觀夾持器根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理可將夾持器分為機(jī)械式夾持器、真空吸附式夾持器、機(jī)械氣動(dòng)組合式夾持器、磁性吸附式夾持器。（1）機(jī)械式夾持器機(jī)械式夾持器一般由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指組成。依靠電機(jī)等機(jī)電產(chǎn)品來驅(qū)動(dòng)，依靠摩擦力或機(jī)械機(jī)構(gòu)托起物體來保證夾持過程中被夾持的物體的穩(wěn)定夾持。機(jī)械手夾持器的定位精度高。Monta等設(shè)計(jì)的番茄采摘四手指夾持器(圖1-1)，每個(gè)手指由四個(gè)關(guān)節(jié)組成,通過纜繩驅(qū)動(dòng),共四個(gè)手指,均布在360/的圓上。DFRobot的機(jī)器人夾持器是一款2自由度的機(jī)械爪(圖1-2)，可自由安裝在移動(dòng)機(jī)器人或者多足機(jī)器人上。它能夠完成撿球、抓取甚至機(jī)器人摔跤。額外的抓取寬度能夠抓取更大尺寸的物品。

1985年德國宇航院提出了一項(xiàng)研究計(jì)劃(RobotTechnologyExPeriment),對(duì)空間機(jī)器人的夾持器作探索性實(shí)驗(yàn),這是自動(dòng)化領(lǐng)域在空間進(jìn)行的首次實(shí)驗(yàn),并于1993年搭載美國航天飛機(jī)成功地完成了一系列空間作業(yè),其機(jī)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-1番茄采摘四手指夾持器圖1-2茄子采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器圖1-3空間夾持器（2）真空吸附式夾持器真空吸附式夾持器是由吸盤、進(jìn)排氣系統(tǒng)及吸盤架等組成。依靠壓力差把物體夾緊在夾持器上，ABB公司生產(chǎn)的夾持塑料包裝香腸的真空吸附式夾持器（1-4）。真空吸附式夾持器器的響應(yīng)速度快和衛(wèi)生。SMC公司生產(chǎn)的大型風(fēng)琴型真空吸附式夾持器（1-5），適合于夾持吸附面彎曲的物體。圖1-4夾持塑料包裝香腸的氣吸式夾持器圖1-5大型風(fēng)琴型氣吸式夾持器（3）機(jī)械氣動(dòng)組合式夾持器機(jī)械氣動(dòng)組合式夾持器分為兩種，一種是氣動(dòng)和機(jī)械串聯(lián)，機(jī)械部分執(zhí)行夾持，動(dòng)力依靠是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，這樣結(jié)合了氣動(dòng)和機(jī)械式的優(yōu)點(diǎn)，它的響應(yīng)速度快、衛(wèi)生和精度高。RichardJohnHawes發(fā)明的肉塊夾持器—pickandplacegripper（圖1-6），，這是一種將肉塊由輸送皮帶上夾持到盒中的夾持器，是一種機(jī)械夾鉗式二指夾持器。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是兩個(gè)連桿滑塊機(jī)構(gòu)組成，滑塊由氣缸驅(qū)動(dòng)。SMC公司生產(chǎn)的滑動(dòng)導(dǎo)軌圓柱體三爪式氣動(dòng)夾持器（1-7）。寧波億太諾公司生產(chǎn)的SHT氣動(dòng)杠桿式夾持器（1-8）。另一種是氣動(dòng)和機(jī)械是并聯(lián)，氣動(dòng)和機(jī)械部分都執(zhí)行夾持，這種夾持器主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器人上。2004年，美國俄亥俄大學(xué)的研究人員提出了一種西紅柿采摘機(jī)器人（1-9），該機(jī)器人安裝的末端執(zhí)行器是一種四指機(jī)械手。該機(jī)械手設(shè)計(jì)有一個(gè)復(fù)合型真空吸盤，依靠一個(gè)氣泵驅(qū)動(dòng)。復(fù)合吸盤本身已具有了抓取不同形狀果實(shí)的功能，但該末端執(zhí)行器另外還配置一組四個(gè)對(duì)稱分布的手指，用于穩(wěn)定的抓持住果實(shí)，限制器側(cè)向運(yùn)動(dòng)。四個(gè)手指均有塑料質(zhì)地，且通過線纜連接來共同驅(qū)動(dòng)。圖1-6肉塊夾持器圖1-7滑動(dòng)導(dǎo)軌圓柱體三爪式氣動(dòng)夾持器圖1-8SHT氣動(dòng)杠桿式夾持器圖1-9西紅柿采摘機(jī)器人磁吸式夾持器是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后來產(chǎn)生磁力，并依靠磁力來吸取磁性材料物體，磁吸式夾持器可分為永久磁鐵夾持器和電磁鐵夾持器。磁力吸附（夾持）時(shí)不會(huì)破壞物件的表面質(zhì)量，并且可獲得較大的吸附（夾持）力，同時(shí)對(duì)物件表面光整要求不是很高，即對(duì)于表面有孔或槽的物件同樣可以吸附（夾持）。王延書、李新勝和馬義浩采用磁性吸附式夾持結(jié)構(gòu)（圖1-11），利用成型鼓中鼓鋼套與夾具內(nèi)部永材料之間的磁性吸附，從而將胎胚成型部件穩(wěn)固地定位在成型鼓反包工位上，有效地避免成型部件在反包加工過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)、脫離等現(xiàn)象，主要包括有一硬鋁基體，在硬鋁基體的兩側(cè)端分別螺接有一夾持板，在硬鋁基體內(nèi)部設(shè)置有若干個(gè)永磁磁鋼，整體弧形的夾持板，可以在成型鼓表面形成模仿手形夾持的作用力，從而提高成型部件與成型鼓表面貼合的緊密性。AAA夾持板硬鋁基板BB螺釘拉手硬鋁基板蓋板硬鋁基板蓋板永磁鋼夾持板A-AB-B圖1-10磁性吸附式夾持結(jié)構(gòu)微夾持器一般用于微觀物體，也就是肉眼不可見的物體，以加工微米/納米結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)為目的的微米/納米技術(shù)(Micro/NanoTechnology)應(yīng)運(yùn)而生，從而導(dǎo)致了微電子機(jī)械系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)的出現(xiàn)。微夾持器是為了對(duì)微米/納米級(jí)對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確的定位而出現(xiàn)的?？煞譃樘结樖轿⒆鳂I(yè)工具、真空吸附式微作業(yè)工具和微夾持器。探針式微作業(yè)工具主要是采用懸梁式結(jié)構(gòu)，如圖1-5所示。操作原理是利用懸梁面與微構(gòu)件之間的粘附力進(jìn)行微構(gòu)件的拾取，利用慣性力或滾動(dòng)的方式克服粘附力的影響進(jìn)行微構(gòu)件的釋放操作。圖1-11探針式微作業(yè)工具真空吸附式作業(yè)工具通常與控制氣路相連，氣路提供真空負(fù)壓力進(jìn)行拾取操作，釋放時(shí)，氣路提供正壓力以克服粘著力的影響進(jìn)行釋放。如圖所示為奧地利維也納科技大學(xué)的DraganPetrovic等人研制的真空吸附式作業(yè)工具。圖1-12真空吸附式作業(yè)工具微夾持器通常采用壓電陶瓷或形狀記憶合金等智能材料作為驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)元件提供力和位移以驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)使之最終轉(zhuǎn)化為夾爪的位移。如圖所示為華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系研制的壓電懸梁微夾持器。圖1-13壓電懸梁微夾持器3、項(xiàng)目的應(yīng)用前景和學(xué)術(shù)價(jià)值將設(shè)計(jì)出的夾持器安裝在四自由度并聯(lián)機(jī)器人末端，應(yīng)用于現(xiàn)代化的食品自動(dòng)生產(chǎn)線上，來完成食品的檢測(cè)、分級(jí)與分揀，對(duì)于降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)效率具有重要意義。三、研究方案1、主要研究內(nèi)容、目標(biāo)（1）通過分析各種夾持器的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合本課題的要求，設(shè)計(jì)出新型夾持器，根據(jù)工作過程選定滿足運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，最后確定了夾持器的總體方案。（2）基于機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)，以曲柄長度和連桿長度為設(shè)計(jì)變量，以使桿長之和最小為目標(biāo)函數(shù)，在滿足桿長條件和傳動(dòng)條件的基礎(chǔ)上，建立了合理參數(shù)的優(yōu)化求解的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件編制了程序，對(duì)非線性不等式約束問題進(jìn)行求解，求得連桿機(jī)構(gòu)尺寸的最優(yōu)解。（3）建立連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并在SIMULINK環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到夾持器的理論速度、加速度運(yùn)動(dòng)曲線。利用多體動(dòng)力分析軟件ADAMS，在考慮各摩擦力的情況下，得到夾持器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度、加速度運(yùn)動(dòng)曲線并與理論速度、加速度曲線進(jìn)行比較，看誤差是否控制在一定范圍內(nèi)，夾持器完成整個(gè)夾持過程所需要的時(shí)間是否符合設(shè)計(jì)要求。（4）建立連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，分析各桿的受力情況，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)所受沖力最大的桿件進(jìn)行應(yīng)力分析，看是否滿足設(shè)計(jì)要求。（5）通過分析工作過程，確定了氣動(dòng)回路圖，并用PLC編制了程序?qū)鈩?dòng)回路進(jìn)行控制。2、主要研究方法及技術(shù)路線研究方法采用理論研究和建模仿真相結(jié)合的研究方法。參考國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)資料，從自曲柄長度和連桿長度的構(gòu)型設(shè)計(jì)入手，建立夾持器機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab進(jìn)行數(shù)字仿真；基于數(shù)字仿真結(jié)果，建立組合機(jī)構(gòu)三維模型，分別利用ANSYS和ADAMS分析夾持器機(jī)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)性能，看是否滿足設(shè)計(jì)要求。注意學(xué)科交叉與聯(lián)合，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等多學(xué)科理論進(jìn)行分析、建模和仿真，根據(jù)所得結(jié)果指導(dǎo)修正模型、改善機(jī)構(gòu)性能。即采用理論研究為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)分析為工具，建模仿真為手段，通過反復(fù)驗(yàn)證、不斷修正的方法。技術(shù)路線1）以曲柄長度和連桿長度為設(shè)計(jì)變量，以使桿長之和最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了合理參數(shù)的優(yōu)化求解的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件編制了程序，求得連桿機(jī)構(gòu)尺寸的最優(yōu)解。2）建立夾持器機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，采用Matlab分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性。3）根據(jù)理論分析與仿真結(jié)果，初步確定夾持器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。4）將Solidworks建立的機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS，分析機(jī)構(gòu)特殊位置的靜力學(xué)特性。5）將Solidworks建立的機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS，分析機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)特性。6）通過分析工作過程，確定了氣動(dòng)回路圖，并用PLC編制了程序?qū)鈩?dòng)回路進(jìn)行控制。項(xiàng)目進(jìn)度安排2013.05—2013.06 完善食品包裝機(jī)器人夾持器的構(gòu)型設(shè)計(jì)；2013.07—2013.10 機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模與Matlab分析；2013.11—2014.01 機(jī)構(gòu)的ANSYS有限元靜力學(xué)分析；2014.02—2014.05 機(jī)構(gòu)的ADAMS機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析，撰寫學(xué)術(shù)論文；2014.06—2014.10 用PLC編制了程序?qū)鈩?dòng)回路進(jìn)行控制。2014.11—2014.12 撰寫項(xiàng)目研究總結(jié)報(bào)告，準(zhǔn)備結(jié)題。4、提供成果的形式（1）設(shè)計(jì)加工出一至兩種夾持器（2）提交一篇關(guān)于夾持器研究理論分析的論文四、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算申請(qǐng)資助金額（千元）按年度2013年2014年合計(jì)：5.0預(yù)算支出科目金額（千元）計(jì)算根據(jù)及理由1、調(diào)研差旅費(fèi)3.0外出調(diào)研，發(fā)表學(xué)術(shù)文章2、實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)0.03、資料費(fèi)0.04、試驗(yàn)費(fèi)1.0加工簡單實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證仿真結(jié)果5、儀器設(shè)備費(fèi)0.06、圖書、資料費(fèi)0.07、課題鑒定和專家評(píng)審費(fèi)1.0項(xiàng)目鑒定與專家評(píng)審其他經(jīng)費(fèi)來源及金額（千元）申請(qǐng)