【《助老藥箱各部分結構設計案例》5200字】

助老藥箱各部分結構設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6564助老藥箱各部分結構設計案例 1257951.1基于組合機構原理的袋裝藥模塊設計 1209951.2瓶裝藥模塊 5285011.2.1瓶裝藥模塊驅動裝置的設計 5136601.2.2瓶裝藥模塊變胞機構的設計 6250271.2.3瓶裝藥模塊小結 1060861.3片狀藥模塊 121.1基于組合機構原理的袋裝藥模塊設計基本機構雖然有結構型式固定、應用場合廣泛、設計使用方便等優點，但是有時也存在不能滿足預期的復雜功能要求等缺點。因此，一個含有復雜機構的機械產品，通常會含有由多個基本機構融合設計而來的組合機構。進一步說，組合機構就是將一個基本機構與另一個或幾個基本機構（或基本桿組）按照一定的方式有目的地進行組合，構建成的一個新機構即為組合機構[21]。組合機構是將幾個基本機構聯接起來，通過各機構間的運動相互耦合和作用，來實現一個機構幾乎不可能實現的極其復雜的運動、軌跡以及不常見運動的難以拆卸的機構。此機構的運動性能更加完善、運動形式更為多樣化，組合設計則可以充分利用各個基本機構的優點。但與之相對的是組合機構的設計較單一機構更為復雜、困難。由前幾章的內容可知，助老藥箱袋裝藥模塊的主要功能是實現袋裝顆粒藥的分藥遞出過程。袋裝藥模塊總功能被分解為“移動藥袋”、“剪切開袋”、“傾倒藥品”、“推送出藥”四部分。并通過模糊評價法優選出各部分功能的執行機構，以下是袋裝藥模塊各部分結構的具體設計。袋裝藥模塊里的藥袋移送機構如圖1.1所示。主要由平行四邊形機構1、上部連接件2、機械爪3以及驅動舵機4組成。在移送藥袋之前，舵機會驅動機械爪夾住一袋顆粒藥。當動力從平行四邊形機構的右下方傳遞進來時，平行四邊形機構的順時針轉動會帶動機械爪及其上的袋裝藥向右移動至指定位置。1.平行四邊形機構2.上部連接件1.機械爪4.驅動舵機圖1.1藥袋移送機構圖1.2所示的機構是袋裝藥模塊中實現剪切開袋分功能的藥袋剪切機構。該機構主要由刀具1、刀固定架2和負責給刀片提供剪切力的傳動軸3組成。當動力從傳動軸3輸入時，軸的旋轉帶動刀具1轉動完成剪切動作。為了使剪切的效率提升，該刀具的刃口設計及刀片間的垂直距離借鑒了剪刀的設計。1.刀具2.刀固定架1.傳動軸圖1.2藥袋剪切機構下圖為實現傾倒顆粒藥功能的雙搖桿夾持機構，由于上一個工位已經將藥袋剪開，在這一工位只需要通過雙搖桿機構與其上夾持藥袋的機械爪一同完成倒藥動作即可。倒藥前倒藥后1.機械爪2.藥袋（已剪開）1.雙搖桿機構圖1.3雙搖桿夾持機構傾倒出來的顆粒藥會由一個預定的容器乘裝，如下圖1.4所示的推送出藥機構送出。出藥機構的組成部件有導軌、托盤、滑塊、連桿、曲柄以及提供輸入動力的聯動機構從動件。其中導軌、托盤、滑塊、連桿、曲柄共同組成了曲柄滑塊機構，動力經由從動件輸入，傳遞至曲柄使得整個機構完成出藥動作。1.導軌2.托盤1.滑塊4.連桿5.曲柄6.聯動機構從動件圖1.4推送出藥機構1.步進電機2.聯軸器1.轉臂4.聯動機構從動件5.聯動機構底座圖1.5袋裝藥模塊動力輸出機構上圖是整個袋裝藥模塊的動力輸出機構，由步進電機1、聯軸器2、轉臂3、聯動機構從動件4以及聯動機構底座5組成。整個機構的動力由其上的電機提供。動力通過下方的四工位槽輪機構的從動件傳遞至每個分動作的執行構件上。在袋裝藥部分需要按順序依次完成夾持取藥，剪切開袋，翻轉倒藥，推送出藥四個動作。這四個動作分別由平行四邊形夾持機構、藥袋剪切機構、雙搖桿夾持機構、出藥機構順次執行，通過組合機構原理，將四個執行機構交由四工位槽輪機構串聯組合起來并提供轉矩動力，使四個功能執行機構按照次序依次執行預定動作。由此設計出袋裝藥模塊組合機構，其整體設計如圖1.6所示。圖1.6袋裝藥模塊組合機構1.雙搖桿夾持機構a2.傳動桿a1.四工位槽輪機構4.刀具固定架5.傳動桿b6.雙搖桿夾持機構b7.錐齒輪傳動軸8.曲柄滑塊機構9.送藥托盤完成上述功能的四個動作分別為，動作一：四工位槽輪機構通過傳動桿a驅動已經完成夾持藥袋的雙搖桿夾持機構旋轉至刀具固定架中間，然后雙搖桿夾持機構b中的機械爪也夾持住藥袋，此時槽輪旋轉90°；動作二：四工位槽輪機構驅動刀具固定架上刀具旋轉完成剪切開袋這一動作，此時槽輪旋轉180°；動作三：四工位槽輪機構通過錐齒輪驅動雙搖桿夾持機構b翻轉藥袋將顆粒藥倒入置于送藥托盤上的杯中完成倒藥動作，此時槽輪旋轉270°；動作四：四工位槽輪機構通過底部的曲邊滑塊送藥機構將杯子送出，此時槽輪完成周轉。在使用者將裝有藥品的杯子取走后，驅動電機反轉帶動槽輪反轉依次完成上述動作的逆過程，實現袋裝藥模塊中所有機構的復位，以便下次使用。1.2瓶裝藥模塊1.2.1瓶裝藥模塊驅動裝置的設計為了減小藥箱的整體體積，減少瓶裝藥模塊的電機使用個數，設計了如下圖1.7所示的驅動裝置結構，作為動力源的是步進電機，與之相連的差速器２會被步進電機帶動開始工作，電磁制動器a與電磁制動器b分布在差速器兩端的輸出軸上，一開始是電磁制動器b失電，所有電磁制動器a所在的那一側軸開始運轉，通過立式軸承14、錐齒輪b將動力傳遞到絲杠b上，進而通過轉換座9來拉動自適應機械爪7沿著絲杠軸向運動，當轉換座到達預定位置時，電機停止轉動；這時候伴隨著零部件1的停止運轉，電機同時開始逆向轉動，零件3開始工作并通過零件4將動力傳遞至絲杠a，進而帶動絲杠螺母6做上升運動，當絲杠螺母到達預定位置后，電機停止轉動，電磁制動器3再次卡死、電磁制動器1通電；電機反轉，通過一系列動力傳遞，使得此時已經連成一個整體的自適應機械爪7、轉換座9、法蘭螺母10和絲杠b共同旋轉起來以期實現對應的功能。1.電磁制動器a2.差速器1.電磁制動器b4.錐齒輪a5.絲杠a6.絲杠螺母7.自適應機械爪8.底座滑塊9.轉換座10.法蘭螺母11.滑軌12.絲杠b11.錐齒輪b14.立式軸承15.錐齒輪軸16.錐齒輪c圖1.7瓶裝藥模塊驅動裝置結構圖1.2.2瓶裝藥模塊變胞機構的設計（1）變胞機構簡介變胞機構最早可溯源到1995年花樣疊紙的研究[22]，而在1996年針對具有重構功能的自動化包裝機構的研究則是變胞機構理論系統化的開端[23]，在這之后不久的1998年，變胞機構于該年在亞特蘭大召開的美國機械工程師協會（ASME）第25屆機構學與機器人雙年會上首次被提出[24,25]。在這之后，變胞機構于此間的二十多年中不斷在機構學領域中生根發芽。1999年，變胞機構的研究由發起者之一的戴建生教授與張啟先院士共同引入中國[26,27]。通過二人的研究發現該新機構的特點很像生物學意義上的細胞分裂，故將其中文譯名為“變胞機構”。傳統機構很難或是不能完成具有復雜變化的任務。而變胞機構所具有的重構性，使得它的拓撲結構能夠發生改變，這一重要特點使得變胞機構可以適應惡劣環境導致的工況變化以及各式各樣的任務需求[28,29]。變胞機構使得傳統的機構學煥發了新的生機[30]。（2）抓握倒藥模塊的變胞機構設計瓶裝藥的取用一般包含開蓋和倒藥過程，將開蓋過程進一步細化，即可分為抓握瓶身和擰開瓶蓋。為了實現抓握瓶身這一動作，很自然地想到機械爪，根據第二章的評價結果，本模塊機械爪選用自適應機械爪。如圖1.8所示，整個抓握倒藥模塊由錐齒輪1、聯軸器2、絲杠3、法蘭螺母4、轉換座5、機械爪連接塊6、橡膠套7、自適應機械爪8、半圓形連接塊9、滑塊10、底座滑塊11、彈性支撐部件12、可升降導軌13以及導軌14組成。1.錐齒輪2.聯軸器1.絲杠4.法蘭螺母5.轉換座6.機械爪連接塊7.橡膠套8.自適應機械爪9.半圓形連接塊10.滑塊11.底座滑塊12.彈性支撐部件11.可升降導軌14.導軌圖1.8抓握倒藥模塊機構圖動力經由錐齒輪1傳入，通過聯軸器2傳遞至絲杠3，絲杠3的旋轉運動通過法蘭螺母的轉換，進而帶動轉換座5、機械爪連接塊6以及自適應機械爪8向錐齒輪方向移動，此時機械爪逐漸收縮，直至抓握住藥瓶，這一階段的底座滑塊11沿著導軌向錐齒輪方向移動；當完成開蓋動作后，因為機械爪固定后的限位作用，法蘭螺母4、轉換座5與絲杠3相對固定，跟隨絲杠一同做旋轉運動，同時底座滑塊11也完全滑動到可升降導軌上，與半圓形連接塊11一起保證上方安裝的六桿自適應夾持機構順利進行倒藥動作，最終將藥倒入提前放置好的藥杯中，完成倒藥。在抓握倒藥模塊采用了變胞機構設計。如圖1.9所示，處于構態一階段的抓握倒藥模塊由滾珠絲杠驅動將自適應機械爪的末端向左端牽引，使得機械爪能夠慢慢抓緊瓶身。當機械爪抓緊瓶身固定后，滾珠絲杠上的轉換座與絲杠、瓶身也保持相對靜止，此時可以把瓶身、絲杠、機械爪及與之相連的構件視作一個整體，跟絲杠一起做旋轉運動，即為抓握倒藥模塊構態二所要實現的倒藥動作。(a)構態一(b)構態二圖1.9抓握倒藥模塊變胞機構簡圖（3）開蓋模塊的變胞機構設計如圖1.10所示，開蓋模塊由滾珠螺母雙滑塊機構與內外圈提升機構組成。當自適應機械爪完成對藥瓶的抓握動作后，由上一節內容可知，電磁制動器a失電鎖死，電磁制動器b通電，電機的動力經由電磁制動器b傳遞到絲杠a帶動滾珠螺母4開始向上運動，連接桿5同時帶動滑塊6沿軌道a做瓶蓋的定位夾緊運動，當滾珠螺母4上升到一定高度時，滑塊6完成定位夾緊運動鎖死瓶蓋，此時絲杠螺母4與連接桿5滑塊6及機體外座連成一體均與絲杠保持相對靜止，并與其同步進行旋轉運動，進行擰開瓶蓋的運動，在瓶蓋內螺紋的作用下，相對絲杠向上螺旋旋轉5/6圈，此時整體圓盤內圈中亞克力板上附著的彈簧柱塞2，經由旋轉運動進入到三邊外殼復合的邊槽軌道中(圖1.11)，隨后絲杠繼續旋轉1/3圈，彈簧柱塞相對三邊外殼復合的邊槽軌道做螺旋上升運動，并帶動中心的瓶蓋沿滑軌作向上運動，此時瓶蓋已完全脫離瓶身（圖1.12）。1.內圈2.彈簧柱塞1.外圈4.雙滑塊滾珠螺母5.連接桿6.滑塊7.軌道a8.軌道b圖1.10開蓋模塊圖1.11彈簧柱塞進入邊槽軌道示意圖圖1.12開蓋完成圖在開蓋模塊也采用了變胞機構。在整個開蓋過程中，構態1里滾珠螺母雙滑塊機構同時驅動3個方向的滑塊5夾緊瓶蓋；夾緊瓶蓋后變換到構態2，絲杠驅動與瓶蓋一體的雙滑塊等構件一起轉動，完成擰開并提升瓶蓋的動作。圖1.13為該模塊的機構簡圖。根據平面自由度的計算公式：F式中：n表示活動構件數，PL表示低副數目，P構態一里，n=3，PL=4由上式可得F1.絲杠2.滾珠螺母1.滑塊a4.連接桿5.滑塊b6.藥瓶（a）構態一（b）構態二圖1.13開蓋模塊變胞機構簡圖機構自由度為1，因此開蓋模塊構態一具有確定的相對運動，即滑塊5的沿瓶蓋的徑向確定運動。構態二里，絲杠1、滾珠螺母2、連接桿4、滑塊b以及瓶蓋連為一體作為一個活動構件，而瓶身6作為機架，因此n=1，而運動副瓶蓋與瓶身見的低副，因此P由自由度公式式可得F機構自由度為1，因此開蓋模塊構態二也具有確定的相對運動，即瓶蓋與瓶身的螺旋運動。1.2.3瓶裝藥模塊小結瓶裝藥部分的基本工作過程是夾持瓶身、夾緊瓶蓋、瓶蓋旋轉提升開蓋和旋轉瓶身倒藥。其整體設計圖如圖1.14所示。工作流程小結如下：第一步，絲杠驅動滑塊拉緊自適應機械爪夾持住瓶身。第二步，提升模塊夾持住瓶蓋，并旋轉提升瓶蓋，并且藥瓶下方的升降機構下降，以便后續藥瓶能順利完成傾倒動作。最后，在完成第一步夾持瓶身動作后，滑塊所處導軌為可活動部分，在滾珠絲杠繼續旋轉的帶動下，滑塊會帶動自適應機械爪翻轉瓶身，倒出藥品。隨后進行上述動作的逆行動作可使機器恢復至初態。1.電磁制動器2.差速器1.錐齒輪4.步進電機5.絲桿6.法蘭螺母7.轉換座8.絲桿螺母9.機體外座10.滑座11.滑塊12.基座11.二號滑座14.自適應夾持機構圖1.14瓶裝藥整體設計圖分別于抓握倒藥模塊及開蓋模塊使用的變胞機構，較好地用一種機構去實現多個動作，減少了機構的選用與設計，同時也節省了空間；并且通過兩個機構的配合，實現了開啟提升瓶蓋這一較為復雜的動作，為后續的倒藥動作做好了準備。由于變胞機構的構態可逆性，通過逆運動即可將整個由變胞機構組成的液體藥模塊恢復至初始狀態。1.3片狀藥模塊助老藥箱創新設計了取片狀藥功能，其總體外觀如圖1.15所示。圖1.15片狀藥模塊整體設計圖本文在該模塊創新設計了雙轉盤結構，通過進藥口將不同種類的藥分別儲存在旋轉藥盒的6個區域。用藥時通過轉盤10的轉動將所需要取出的片狀藥轉動到風機11對應的位置（該處的吸藥孔與送藥轉盤接觸，而其他區域片狀藥被旋轉藥盒隔開），然后吸藥孔后面的風機啟動，通過吸藥孔吸住一顆藥（為保證吸藥孔能確實地吸住藥品，每次只吸取一粒藥），送藥轉盤旋轉將藥送至送藥連接管6，此時儲藥盒蓋5打開，保證取出的藥品落入儲藥盒4中，完成一顆藥的取出流程。按照此流程可依次取出所需要的不同數量、不同類型的藥。片狀藥部分結構如圖1.16所示。1.立式軸承2.光軸1.儲藥盒支架4.儲藥盒5.儲