最新2022年黑龙江省研究生创新科研项目立项申请书

1、最新2022年黑龙江省研究生创新科研项目立项申请书- PAGE 14 -附件2： 批准后的工程编号：黑龙江省研究生创新科研工程立项申 请 书2022年项 目 名 称： 面向食品包装的机器人夹持器的研究 工程申请人研 究 生： 刘佳琪 学历层次博士或硕士： 硕士 入 学 时 间： 2022.09 联系 和电子邮箱：daxiang100sina 工程负责人导师： 晏祖根 申报院校： 哈尔滨商业大学轻工学院 填表日期： 2022.05.04 黑龙江省学位委员会办公室制 2022年 05 月 04 日 一、简表项目申请工程名称面向食品包装的机器人夹持器的研究类 别根底研究 应

2、用根底研究 应用研究起止时间2022.05-2022.12申请金额所属学科机械制造及自动化工程类别一般重点项目申请人导师情况姓 名晏祖根性别男出生年月1973.03职 称副教授最后学历博士学位博士所学专业机械电子工程从事专业机器人技术、高速包装技术与装备目前指导研究生人数博/硕03工程申请人学习工作简历从大学填起起止时间所在单位及专业学习或工作所获学历、学位或职务2022.09至2022.7哈尔滨商业大学机械设计制造及自动化本科学习本科学历，工学学士学位2022.09至今哈尔滨商业大学机械制造及自动化研究生学习二、立题依据1、工程研究开发的目的食品药品生产、电子制造行业是工业的重要组成局部。近

3、年来，随着居民生活水平的改善和居民消费水平的不断提高，食品质量和食品卫生问题上升成为大家街头巷议的热点问题，人们不仅对食品的质量、重量以及外观提出了很高的标准，对食品卫生也提出了很严格的要求，这就需要食品在加工以及包装的生产过程中，不和操作人员产生直接接触，以保证食品的卫生性、平安性。由于技术水平和资金条件的限制，在我国的食品生产与包装行业中，食品的分级、分拣工序还采用人工直接操作，生产效率低、生产本钱高、工人劳动强度大、生产环境恶劣、产品质量一致性差，而且，由于工人与食品的直接接触，大大降低了食品的卫生性和平安性，食品生产很难符合ISO9002质量管理体系的标准。加之，劳动力短缺和劳动力本钱

4、上升之间的矛盾日益锋利，这就使得企业迫切希望采用食品自动检测、分级和分拣设备，以提高产品质量，大幅提高生产效率，扩大企业品牌影响力，进一步壮大企业实力。工业机器人，又称机械手，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产品质量，可以说工业机器人的应用对工业的开展起到了巨大的推动作用1。工业机器人夹持器安装在机器人末端，是机器人与工件、工具、产品等直接接触并进行作业的装置，是机器人的重要组成局部，对机器人的总体性能有举足轻重的影响。在此背景下，设计一种面向食品包装的机器

5、人夹持器，具有很强的工程应用价值，对于提高生产效率，保障食品包装卫生性，降低工人劳动强度具有重要意义。2、国内外研究概况和开展趋势国外在机械手方面起步较早，随着工业自动化的开展，机械手在自动化的生产线上变的越来越重要，机械手的开展也越来越快，到了20世纪80年代，电子技术和计算机技术飞速开展,特别是工业机器人技术，计算机处理技术，图像识别技术和人工智能技术日益成熟，带动机器人技术飞速开展，出现许多类型的机器人，而作为机械手和物件唯一并直接接触的夹持器也变的越来越重要，随着机械手在不同行业的快速开展，夹持器也的到了快速开展。根据被夹产品的大小可以把夹持器分为宏观夹持器和微观夹持器。宏观夹持器一般

6、用于夹持宏观物体，也就是夹持肉眼可见的物体，一般工厂中使用的夹持器都是宏观夹持器。宏观夹持器根据结构和工作原理可将夹持器分为机械式夹持器、真空吸附式夹持器、机械气动组合式夹持器、磁性吸附式夹持器。1机械式夹持器机械式夹持器一般由驱动装置、传动机构和手指组成。依靠电机等机电产品来驱动，依靠摩擦力或机械机构托起物体来保证夹持过程中被夹持的物体的稳定夹持。机械手夹持器的定位精度高。Monta等设计的番茄采摘四手指夹持器(图1-1)，每个手指由四个关节组成,通过缆绳驱动,共四个手指,均布在360/的圆上。DFRobot的机器人夹持器是一款2自由度的机械爪(图1-2)，可自由安装在移动机器人或者多足机器

7、人上。它能够完成捡球、抓取甚至机器人摔跤。额外的抓取宽度能够抓取更大尺寸的物品。1985年德国宇航院提出了一项研究方案(RobotTechnologyExPeriment),对空间机器人的夹持器作探索性实验,这是自动化领域在空间进行的首次实验,并于1993年搭载美国航天飞机成功地完成了一系列空间作业,其机构如图1-3所示。 图1-1 番茄采摘四手指夹持器 图1-2 茄子采摘机器人的末端执行器图1-3 空间夹持器2真空吸附式夹持器真空吸附式夹持器是由吸盘、进排气系统及吸盘架等组成。依靠压力差把物体夹紧在夹持器上，ABB公司生产的夹持塑料包装香肠的真空吸附式夹持器1-4。真空吸附式夹持器器的响应速

8、度快和卫生。SMC公司生产的大型风琴型真空吸附式夹持器1-5，适合于夹持吸附面弯曲的物体。 图1-4 夹持塑料包装香肠的气吸式夹持器 图1-5大型风琴型气吸式夹持器3机械气动组合式夹持器机械气动组合式夹持器分为两种，一种是气动和机械串联，机械局部执行夹持，动力依靠是气动驱动，这样结合了气动和机械式的优点，它的响应速度快、卫生和精度高。Richard John Hawes创造的肉块夹持器pick and place gripper图1-6，这是一种将肉块由输送皮带上夹持到盒中的夹持器， 是一种机械夹钳式二指夹持器。传动机构是两个连杆滑块机构组成，滑块由气缸驱动。SMC公司生产的滑动导轨圆柱体三爪

9、式气动夹持器1-7。宁波亿太诺公司生产的SHT气动杠杆式夹持器1-8。另一种是气动和机械是并联，气动和机械局部都执行夹持，这种夹持器主要应用于农业机器人上。2022 年，美国俄亥俄大学的研究人员提出了一种西红柿采摘机器人1-9，该机器人安装的末端执行器是一种四指机械手。该机械手设计有一个复合型真空吸盘，依靠一个气泵驱动。复合吸盘本身已具有了抓取不同形状果实的功能，但该末端执行器另外还配置一组四个对称分布的手指，用于稳定的抓持住果实，限制器侧向运动。四个手指均有塑料质地，且通过线缆连接来共同驱动。 图1-6 肉块夹持器 图1-7 滑动导轨圆柱体三爪式气动夹持器图1-8 SHT气动杠杆式夹持器图1

10、-9 西红柿采摘机器人磁吸式夹持器是利用永久磁铁或电磁铁通电后来产生磁力，并依靠磁力来吸取磁性材料物体，磁吸式夹持器可分为永久磁铁夹持器和电磁铁夹持器。磁力吸附夹持时不会破坏物件的外表质量，并且可获得较大的吸附夹持力，同时对物件外表光整要求不是很高，即对于外表有孔或槽的物件同样可以吸附夹持。王延书、李新胜和马义浩采用磁性吸附式夹持结构图1-11，利用成型鼓中鼓钢套与夹具内部永材料之间的磁性吸附，从而将胎胚成型部件稳固地定位在成型鼓反包工位上，有效地防止成型部件在反包加工过程中发生偏转、脱离等现象，主要包括有一硬铝基体，在硬铝基体的两侧端分别螺接有一夹持板，在硬铝基体内部设置有假设干个永磁磁钢，

11、整体弧形的夹持板，可以在成型鼓外表形成模仿手形夹持的作用力，从而提高成型部件与成型鼓外表贴合的紧密性。 AAA夹持板硬铝基板BB螺钉拉手硬铝基板盖板硬铝基板盖板永磁钢夹持板 A-A B-B图1-10 磁性吸附式夹持结构微夹持器一般用于微观物体，也就是肉眼不可见的物体，以加工微米/纳米结构和系统为目的的微米/纳米技术(Micro/Nano Technology)应运而生，从而导致了微电子机械系统(MicroElectro Mechanical Systems，MEMS)的出现。微夹持器是为了对微米/纳米级对象进行准确的定位而出现的。可分为探针式微作业工具、真空吸附式微作业工具和微夹持器。探针式微

12、作业工具主要是采用悬梁式结构，如图1-5所示。操作原理是利用悬梁面与微构件之间的粘附力进行微构件的拾取，利用惯性力或滚动的方式克服粘附力的影响进行微构件的释放操作。图1-11 探针式微作业工具真空吸附式作业工具通常与控制气路相连，气路提供真空负压力进行拾取操作，释放时，气路提供正压力以克服粘着力的影响进行释放。如下图为奥地利维也纳科技大学的 Dragan Petrovic 等人研制的真空吸附式作业工具。图1-12 真空吸附式作业工具微夹持器通常采用压电陶瓷或形状记忆合金等智能材料作为驱动元件，驱动元件提供力和位移以驱动机械结构使之最终转化为夹爪的位移。如下图为华中科技大学控制科学与工程系研制的

13、压电悬梁微夹持器。图1-13 压电悬梁微夹持器3、工程的应用前景和学术价值将设计出的夹持器安装在四自由度并联机器人末端，应用于现代化的食品自动生产线上，来完成食品的检测、分级与分拣，对于降低企业生产本钱，提高劳动效率具有重要意义。三、研究方案1、主要研究内容、目标1通过分析各种夹持器的优缺点并结合本课题的要求，设计出新型夹持器，根据工作过程选定满足运动的驱动装置，最后确定了夹持器的总体方案。2基于机械原理和机械设计等知识点，以曲柄长度和连杆长度为设计变量，以使杆长之和最小为目标函数，在满足杆长条件和传动条件的根底上，建立了合理参数的优化求解的数学模型，利用MATLAB数学软件编制了程序，对非线

14、性不等式约束问题进行求解，求得连杆机构尺寸的最优解。3建立连杆机构的运动学方程，并在SIMULINK环境下对其进行运动学仿真，得到夹持器的理论速度、加速度运动曲线。利用多体动力分析软件ADAMS，在考虑各摩擦力的情况下，得到夹持器的实际运动速度、加速度运动曲线并与理论速度、加速度曲线进行比拟，看误差是否控制在一定范围内，夹持器完成整个夹持过程所需要的时间是否符合设计要求。4建立连杆机构的动力学方程，分析各杆的受力情况，应用ANSYS软件对所受冲力最大的杆件进行应力分析，看是否满足设计要求。5通过分析工作过程，确定了气动回路图，并用PLC编制了程序对气动回路进行控制。2、主要研究方法及技术路线研

15、究方法采用理论研究和建模仿真相结合的研究方法。参考国内外现有技术资料，从自曲柄长度和连杆长度的构型设计入手，建立夹持器机构的数学模型，利用Matlab进行数字仿真；基于数字仿真结果，建立组合机构三维模型，分别利用ANSYS和ADAMS分析夹持器机构的动静态性能，看是否满足设计要求。注意学科交叉与联合，综合运用数学、机械动力学、计算机仿真技术等多学科理论进行分析、建模和仿真，根据所得结果指导修正模型、改善机构性能。即采用理论研究为根底，数学分析为工具，建模仿真为手段，通过反复验证、不断修正的方法。技术路线 1以曲柄长度和连杆长度为设计变量，以使杆长之和最小为目标函数，建立了合理参数的优化求解的数

16、学模型，利用MATLAB数学软件编制了程序，求得连杆机构尺寸的最优解。2建立夹持器机构的运动学和动力学模型，采用Matlab分析机构的运动学、动力学特性。3根据理论分析与仿真结果，初步确定夹持器机构的结构参数。4将Solidworks建立的机构模型导入ANSYS，分析机构特殊位置的静力学特性。5将Solidworks建立的机构模型导入ADAMS，分析机构的机械动力学特性。6通过分析工作过程，确定了气动回路图，并用PLC编制了程序对气动回路进行控制。工程进度安排2022.05 2022.06完善食品包装机器人夹持器的构型设计；2022.07 2022.10机构的数学建模与Matlab分析；2022.11 2022.01机构的ANSYS有限元静力学分析；2022.02 2022.05机构的ADAMS机械动力学分析，撰写学术论文；2022.06 2022.10用PLC编制了程序对气动回路进行控制。2022.11 2022.12撰写工程研究总结报告，准备结题。4、提供成果的形式1设计加工出一至两种夹持器2提交一篇关于夹持器研究理论分析的论文 四、工程经费预算申请资助金额千元按年度2022年 2022年合计：5.0预算支出科目金额千元计算根据及理由1、调研差旅费3.0外出调研，发表学术文章2、实验材料