【《助老药箱各部分结构设计案例》5200字】

助老药箱各部分结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6564助老药箱各部分结构设计案例 1257951.1基于组合机构原理的袋装药模块设计 1209951.2瓶装药模块 5285011.2.1瓶装药模块驱动装置的设计 5136601.2.2瓶装药模块变胞机构的设计 6250271.2.3瓶装药模块小结 1060861.3片状药模块 121.1基于组合机构原理的袋装药模块设计基本机构虽然有结构型式固定、应用场合广泛、设计使用方便等优点，但是有时也存在不能满足预期的复杂功能要求等缺点。因此，一个含有复杂机构的机械产品，通常会含有由多个基本机构融合设计而来的组合机构。进一步说，组合机构就是将一个基本机构与另一个或几个基本机构（或基本杆组）按照一定的方式有目的地进行组合，构建成的一个新机构即为组合机构[21]。组合机构是将几个基本机构联接起来，通过各机构间的运动相互耦合和作用，来实现一个机构几乎不可能实现的极其复杂的运动、轨迹以及不常见运动的难以拆卸的机构。此机构的运动性能更加完善、运动形式更为多样化，组合设计则可以充分利用各个基本机构的优点。但与之相对的是组合机构的设计较单一机构更为复杂、困难。由前几章的内容可知，助老药箱袋装药模块的主要功能是实现袋装颗粒药的分药递出过程。袋装药模块总功能被分解为“移动药袋”、“剪切开袋”、“倾倒药品”、“推送出药”四部分。并通过模糊评价法优选出各部分功能的执行机构，以下是袋装药模块各部分结构的具体设计。袋装药模块里的药袋移送机构如图1.1所示。主要由平行四边形机构1、上部连接件2、机械爪3以及驱动舵机4组成。在移送药袋之前，舵机会驱动机械爪夹住一袋颗粒药。当动力从平行四边形机构的右下方传递进来时，平行四边形机构的顺时针转动会带动机械爪及其上的袋装药向右移动至指定位置。1.平行四边形机构2.上部连接件1.机械爪4.驱动舵机图1.1药袋移送机构图1.2所示的机构是袋装药模块中实现剪切开袋分功能的药袋剪切机构。该机构主要由刀具1、刀固定架2和负责给刀片提供剪切力的传动轴3组成。当动力从传动轴3输入时，轴的旋转带动刀具1转动完成剪切动作。为了使剪切的效率提升，该刀具的刃口设计及刀片间的垂直距离借鉴了剪刀的设计。1.刀具2.刀固定架1.传动轴图1.2药袋剪切机构下图为实现倾倒颗粒药功能的双摇杆夹持机构，由于上一个工位已经将药袋剪开，在这一工位只需要通过双摇杆机构与其上夹持药袋的机械爪一同完成倒药动作即可。倒药前倒药后1.机械爪2.药袋（已剪开）1.双摇杆机构图1.3双摇杆夹持机构倾倒出来的颗粒药会由一个预定的容器乘装，如下图1.4所示的推送出药机构送出。出药机构的组成部件有导轨、托盘、滑块、连杆、曲柄以及提供输入动力的联动机构从动件。其中导轨、托盘、滑块、连杆、曲柄共同组成了曲柄滑块机构，动力经由从动件输入，传递至曲柄使得整个机构完成出药动作。1.导轨2.托盘1.滑块4.连杆5.曲柄6.联动机构从动件图1.4推送出药机构1.步进电机2.联轴器1.转臂4.联动机构从动件5.联动机构底座图1.5袋装药模块动力输出机构上图是整个袋装药模块的动力输出机构，由步进电机1、联轴器2、转臂3、联动机构从动件4以及联动机构底座5组成。整个机构的动力由其上的电机提供。动力通过下方的四工位槽轮机构的从动件传递至每个分动作的执行构件上。在袋装药部分需要按顺序依次完成夹持取药，剪切开袋，翻转倒药，推送出药四个动作。这四个动作分别由平行四边形夹持机构、药袋剪切机构、双摇杆夹持机构、出药机构顺次执行，通过组合机构原理，将四个执行机构交由四工位槽轮机构串联组合起来并提供转矩动力，使四个功能执行机构按照次序依次执行预定动作。由此设计出袋装药模块组合机构，其整体设计如图1.6所示。图1.6袋装药模块组合机构1.双摇杆夹持机构a2.传动杆a1.四工位槽轮机构4.刀具固定架5.传动杆b6.双摇杆夹持机构b7.锥齿轮传动轴8.曲柄滑块机构9.送药托盘完成上述功能的四个动作分别为，动作一：四工位槽轮机构通过传动杆a驱动已经完成夹持药袋的双摇杆夹持机构旋转至刀具固定架中间，然后双摇杆夹持机构b中的机械爪也夹持住药袋，此时槽轮旋转90°；动作二：四工位槽轮机构驱动刀具固定架上刀具旋转完成剪切开袋这一动作，此时槽轮旋转180°；动作三：四工位槽轮机构通过锥齿轮驱动双摇杆夹持机构b翻转药袋将颗粒药倒入置于送药托盘上的杯中完成倒药动作，此时槽轮旋转270°；动作四：四工位槽轮机构通过底部的曲边滑块送药机构将杯子送出，此时槽轮完成周转。在使用者将装有药品的杯子取走后，驱动电机反转带动槽轮反转依次完成上述动作的逆过程，实现袋装药模块中所有机构的复位，以便下次使用。1.2瓶装药模块1.2.1瓶装药模块驱动装置的设计为了减小药箱的整体体积，减少瓶装药模块的电机使用个数，设计了如下图1.7所示的驱动装置结构，作为动力源的是步进电机，与之相连的差速器２会被步进电机带动开始工作，电磁制动器a与电磁制动器b分布在差速器两端的输出轴上，一开始是电磁制动器b失电，所有电磁制动器a所在的那一侧轴开始运转，通过立式轴承14、锥齿轮b将动力传递到丝杠b上，进而通过转换座9来拉动自适应机械爪7沿着丝杠轴向运动，当转换座到达预定位置时，电机停止转动；这时候伴随着零部件1的停止运转，电机同时开始逆向转动，零件3开始工作并通过零件4将动力传递至丝杠a，进而带动丝杠螺母6做上升运动，当丝杠螺母到达预定位置后，电机停止转动，电磁制动器3再次卡死、电磁制动器1通电；电机反转，通过一系列动力传递，使得此时已经连成一个整体的自适应机械爪7、转换座9、法兰螺母10和丝杠b共同旋转起来以期实现对应的功能。1.电磁制动器a2.差速器1.电磁制动器b4.锥齿轮a5.丝杠a6.丝杠螺母7.自适应机械爪8.底座滑块9.转换座10.法兰螺母11.滑轨12.丝杠b11.锥齿轮b14.立式轴承15.锥齿轮轴16.锥齿轮c图1.7瓶装药模块驱动装置结构图1.2.2瓶装药模块变胞机构的设计（1）变胞机构简介变胞机构最早可溯源到1995年花样叠纸的研究[22]，而在1996年针对具有重构功能的自动化包装机构的研究则是变胞机构理论系统化的开端[23]，在这之后不久的1998年，变胞机构于该年在亚特兰大召开的美国机械工程师协会（ASME）第25届机构学与机器人双年会上首次被提出[24,25]。在这之后，变胞机构于此间的二十多年中不断在机构学领域中生根发芽。1999年，变胞机构的研究由发起者之一的戴建生教授与张启先院士共同引入中国[26,27]。通过二人的研究发现该新机构的特点很像生物学意义上的细胞分裂，故将其中文译名为“变胞机构”。传统机构很难或是不能完成具有复杂变化的任务。而变胞机构所具有的重构性，使得它的拓扑结构能够发生改变，这一重要特点使得变胞机构可以适应恶劣环境导致的工况变化以及各式各样的任务需求[28,29]。变胞机构使得传统的机构学焕发了新的生机[30]。（2）抓握倒药模块的变胞机构设计瓶装药的取用一般包含开盖和倒药过程，将开盖过程进一步细化，即可分为抓握瓶身和拧开瓶盖。为了实现抓握瓶身这一动作，很自然地想到机械爪，根据第二章的评价结果，本模块机械爪选用自适应机械爪。如图1.8所示，整个抓握倒药模块由锥齿轮1、联轴器2、丝杠3、法兰螺母4、转换座5、机械爪连接块6、橡胶套7、自适应机械爪8、半圆形连接块9、滑块10、底座滑块11、弹性支撑部件12、可升降导轨13以及导轨14组成。1.锥齿轮2.联轴器1.丝杠4.法兰螺母5.转换座6.机械爪连接块7.橡胶套8.自适应机械爪9.半圆形连接块10.滑块11.底座滑块12.弹性支撑部件11.可升降导轨14.导轨图1.8抓握倒药模块机构图动力经由锥齿轮1传入，通过联轴器2传递至丝杠3，丝杠3的旋转运动通过法兰螺母的转换，进而带动转换座5、机械爪连接块6以及自适应机械爪8向锥齿轮方向移动，此时机械爪逐渐收缩，直至抓握住药瓶，这一阶段的底座滑块11沿着导轨向锥齿轮方向移动；当完成开盖动作后，因为机械爪固定后的限位作用，法兰螺母4、转换座5与丝杠3相对固定，跟随丝杠一同做旋转运动，同时底座滑块11也完全滑动到可升降导轨上，与半圆形连接块11一起保证上方安装的六杆自适应夹持机构顺利进行倒药动作，最终将药倒入提前放置好的药杯中，完成倒药。在抓握倒药模块采用了变胞机构设计。如图1.9所示，处于构态一阶段的抓握倒药模块由滚珠丝杠驱动将自适应机械爪的末端向左端牵引，使得机械爪能够慢慢抓紧瓶身。当机械爪抓紧瓶身固定后，滚珠丝杠上的转换座与丝杠、瓶身也保持相对静止，此时可以把瓶身、丝杠、机械爪及与之相连的构件视作一个整体，跟丝杠一起做旋转运动，即为抓握倒药模块构态二所要实现的倒药动作。(a)构态一(b)构态二图1.9抓握倒药模块变胞机构简图（3）开盖模块的变胞机构设计如图1.10所示，开盖模块由滚珠螺母双滑块机构与内外圈提升机构组成。当自适应机械爪完成对药瓶的抓握动作后，由上一节内容可知，电磁制动器a失电锁死，电磁制动器b通电，电机的动力经由电磁制动器b传递到丝杠a带动滚珠螺母4开始向上运动，连接杆5同时带动滑块6沿轨道a做瓶盖的定位夹紧运动，当滚珠螺母4上升到一定高度时，滑块6完成定位夹紧运动锁死瓶盖，此时丝杠螺母4与连接杆5滑块6及机体外座连成一体均与丝杠保持相对静止，并与其同步进行旋转运动，进行拧开瓶盖的运动，在瓶盖内螺纹的作用下，相对丝杠向上螺旋旋转5/6圈，此时整体圆盘内圈中亚克力板上附着的弹簧柱塞2，经由旋转运动进入到三边外壳复合的边槽轨道中(图1.11)，随后丝杠继续旋转1/3圈，弹簧柱塞相对三边外壳复合的边槽轨道做螺旋上升运动，并带动中心的瓶盖沿滑轨作向上运动，此时瓶盖已完全脱离瓶身（图1.12）。1.内圈2.弹簧柱塞1.外圈4.双滑块滚珠螺母5.连接杆6.滑块7.轨道a8.轨道b图1.10开盖模块图1.11弹簧柱塞进入边槽轨道示意图图1.12开盖完成图在开盖模块也采用了变胞机构。在整个开盖过程中，构态1里滚珠螺母双滑块机构同时驱动3个方向的滑块5夹紧瓶盖；夹紧瓶盖后变换到构态2，丝杠驱动与瓶盖一体的双滑块等构件一起转动，完成拧开并提升瓶盖的动作。图1.13为该模块的机构简图。根据平面自由度的计算公式：F式中：n表示活动构件数，PL表示低副数目，P构态一里，n=3，PL=4由上式可得F1.丝杠2.滚珠螺母1.滑块a4.连接杆5.滑块b6.药瓶（a）构态一（b）构态二图1.13开盖模块变胞机构简图机构自由度为1，因此开盖模块构态一具有确定的相对运动，即滑块5的沿瓶盖的径向确定运动。构态二里，丝杠1、滚珠螺母2、连接杆4、滑块b以及瓶盖连为一体作为一个活动构件，而瓶身6作为机架，因此n=1，而运动副瓶盖与瓶身见的低副，因此P由自由度公式式可得F机构自由度为1，因此开盖模块构态二也具有确定的相对运动，即瓶盖与瓶身的螺旋运动。1.2.3瓶装药模块小结瓶装药部分的基本工作过程是夹持瓶身、夹紧瓶盖、瓶盖旋转提升开盖和旋转瓶身倒药。其整体设计图如图1.14所示。工作流程小结如下：第一步，丝杠驱动滑块拉紧自适应机械爪夹持住瓶身。第二步，提升模块夹持住瓶盖，并旋转提升瓶盖，并且药瓶下方的升降机构下降，以便后续药瓶能顺利完成倾倒动作。最后，在完成第一步夹持瓶身动作后，滑块所处导轨为可活动部分，在滚珠丝杠继续旋转的带动下，滑块会带动自适应机械爪翻转瓶身，倒出药品。随后进行上述动作的逆行动作可使机器恢复至初态。1.电磁制动器2.差速器1.锥齿轮4.步进电机5.丝杆6.法兰螺母7.转换座8.丝杆螺母9.机体外座10.滑座11.滑块12.基座11.二号滑座14.自适应夹持机构图1.14瓶装药整体设计图分别于抓握倒药模块及开盖模块使用的变胞机构，较好地用一种机构去实现多个动作，减少了机构的选用与设计，同时也节省了空间；并且通过两个机构的配合，实现了开启提升瓶盖这一较为复杂的动作，为后续的倒药动作做好了准备。由于变胞机构的构态可逆性，通过逆运动即可将整个由变胞机构组成的液体药模块恢复至初始状态。1.3片状药模块助老药箱创新设计了取片状药功能，其总体外观如图1.15所示。图1.15片状药模块整体设计图本文在该模块创新设计了双转盘结构，通过进药口将不同种类的药分别储存在旋转药盒的6个区域。用药时通过转盘10的转动将所需要取出的片状药转动到风机11对应的位置（该处的吸药孔与送药转盘接触，而其他区域片状药被旋转药盒隔开），然后吸药孔后面的风机启动，通过吸药孔吸住一颗药（为保证吸药孔能确实地吸住药品，每次只吸取一粒药），送药转盘旋转将药送至送药连接管6，此时储药盒盖5打开，保证取出的药品落入储药盒4中，完成一颗药的取出流程。按照此流程可依次取出所需要的不同数量、不同类型的药。片状药部分结构如图1.16所示。1.立式轴承2.光轴1.储药盒支架4.储药盒5.储