CN203831420U - 一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，内包材传递系统安装在洁净室(35)内，它包括机械手、真空小车(42)、接收平台和控制装置，所述真空小车(42)和接收平台分别位于机械手的两侧，洁净室(35)的两侧分别设有低洁净等级传递间门和高洁净等级传递间门，真空小车(42)位于低洁净等级传递间门一侧，接收平台位于高洁净等级传递间门一侧；机械手设有五轴三自由度，机械手转动时，能分别与真空小车(42)和接收平台的工作面对应。本实用新型不仅提高了效率，还减轻了操作者劳动强度，最重要的是，避免了人传递带来的风险，尤其值得在生物制药、食品、兽药生产等领域推广。

Description

一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统

技术领域

本实用新型属于机械手技术领域，主要应用于制药行业、食品行业、兽药行业内包材传递，使内包材传递系统适用于新版（2010版）GMP要求，取代原有的通过人来传递这种原始操作方式。具体涉及一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统。

背景技术

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和工业管理部门的重视。

机械手现有的发展趋势是：(1)研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。(2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3)研制维修维护方便的机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的机械手。(5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。 (6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。(7)研制具有柔性系统的机械手。

机械手应用于制药行业主要有下面两个领域：（1）夹瓶装置，如公开号：CN2804017、专利申请号 CN 200520050946.5，实用新型名称：“一种用于制药机械的机械手夹瓶装置”；它包括安装座、活动夹、回位弹簧、转轴和摆杆、轴承，在安装座固定安装有与活动夹对应的固定夹。（2）药物分装，如公开号：CN201493841U，专利申请号 CN 200920168011.5，实用新型名称：“药物分装机械手的结构”，药物分装机械手包括有座体、支持体与架体。其中，该支持体为自该座体向上延伸而成，该支持体可以在该座体上自由旋转、固定，并且该支持体可供伸缩、固定于该座体上；该架体为枢接于该支持体，并且该架体一端具有至少一挟持及释放机构，该挟持及释放机构可供旋转、固定于该架体上，并且该挟持及释放机构可用于挟持及释放一预设药瓶。藉由上述结构，使用者可以利用该挟持及释放机构以挟持不同大小药瓶，达到了可挟持不同大小具辐射性药剂的药剂瓶的实用目的。

而机械手用于内包材传递领域尚属空白。因此，目前制药企业在内包材传递实施方面还是采用人工实现，由低等级洁净区的操作者将包材放置在一间缓冲间里面，然后离开缓冲间，等待自净时间（约15分钟）后，再由高等级洁净区的操作者将内包材拿走。

由于低等级洁净区的人和高等级洁净区的人都会进入缓冲间，衣物摩擦脱落的纤维，和人体所带皮屑、细菌、粉尘等悬浮颗粒，不仅容易导致交叉污染，也会恶化环境洁净度。同时低等级洁净区的人的手套和高等级洁净区的人的手套也是不同要求的，只要是人操作就会造成不可避免的污染。且自净要求很长时间才能完成传递流程。随着新版GMP的更高要求，这种方式已无法适应新版GMP对降低人对包材污染风险的要求。因此，研发出一种用于内包材传递过程中的机械手传递系统十分必要。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本实用新型的目的是在内包材传递过程中使用机械手传递系统，以达到2010版GMP（2011年3月1日起施行）对内包材传递的要求，从而提供一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统。

本实用新型的技术解决方案：一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，内包材传递系统安装在洁净室内，它包括机械手、真空小车、接收平台和控制装置，所述真空小车和接收平台分别位于机械手的两侧，洁净室的两侧分别设有低洁净等级传递间门和高洁净等级传递间门，真空小车位于低洁净等级传递间门一侧，接收平台位于高洁净等级传递间门一侧；机械手设有五轴三自由度，机械手转动时，能分别与真空小车和接收平台的工作面对应。

优选：

真空小车由格栅形小车、三头真空吸管及真空软管组成，三头真空吸管安装在格栅形小车的托架底部，且三头突出在托架上，三头真空吸管末端宝塔接头与真空软管连接。

接收平台由格栅形平台、可升降支腿、光电开关夹持件及光电开关组成，光电开关夹持件焊接固定于格栅形平台两侧，两侧的光电开关夹持件上设有对射型光电开关，格栅形平台平台面设有坡度，格栅形平台低的一侧朝向高洁净等级区。

所述机械手包括机械抓手、机械臂和机械手底座，机械臂包括小臂、大臂、转臂和转轴；小臂上设有三个连接孔，小臂的一端通过抓手臂与机械抓手连接，小臂的另一端的二个连接孔，一个与大臂的一端连接，另一个通过小臂锁紧气缸与大臂臂身上的小臂锁紧气缸座连接；大臂的另一端与转臂的上端连接，大臂的臂身上设有大臂锁紧气缸支座，转臂上设有的大臂锁紧气缸座，所述的大臂锁紧气缸支座和大臂锁紧气缸座之间由大臂锁紧气缸连接；转臂的下端通过转轴与机械手底座水平转动连接。

所述转臂的下端通过推力球轴承、转轴和滚珠轴承与机械手底座连接，转轴的底端通过薄型气缸与机械手底座中的槽钢底架连接。

所述控制装置控制机械臂的工作过程为：

机械臂上升工作流程：小臂锁紧气缸上进气，气缸内推杆向后回缩进缸体，小臂向上做弧形运动，大臂锁紧气缸下进气，气缸内推杆向上伸出缸体，大臂向上做弧形运动；

机械臂下降工作流程：小臂锁紧气缸下进气，气缸内推杆向前伸出缸体，小臂向下做弧形运动，大臂锁紧气缸上进气，气缸内推杆向下回缩进缸体，大臂向下做弧形运动；

机械臂旋转工作流程：薄型气缸右进气，气缸内推杆向左回缩进缸体，转轴带动转臂顺时针旋转；薄型气缸左进气，气缸内推杆向右伸出缸体，转轴带动转臂逆时针旋转。

所述机械抓手包括手爪和薄型气缸，薄型气缸下方安装有端板和挡灰板，薄型气缸的气缸内推杆与转接头连接，端板下方安装有支撑板，支撑板设有两个转角轴连接孔，手爪由短臂轴、耐磨垫圈、轴用弹性挡圈和长臂爪组成，短臂轴上设有短臂轴孔，短臂轴和长臂爪转角部位设有转角轴孔，转接头通过一对支耳和一对链耳分别与两只手爪上的短臂轴孔连接，支撑板上的两个转角轴连接孔分别与两只手爪1上的转角轴孔连接。支耳内嵌在支撑板上所开的条形孔内限位滑动。

所述手爪1的转角轴孔通过销轴与支撑板上的转角轴连接孔连接，在转角轴孔和转角轴连接孔之间设有合金钢垫圈；销轴通过通过弹性挡圈串联固定在支撑板和外侧上。

所述控制装置控制机械抓手的工作过程为：

机械抓手抓紧工作流程是：薄型气缸下进气，气缸内推杆向上运动，驱动转接头连带着支耳及链耳向上运动，此时手爪的短臂轴以转角轴为圆心向上做圆弧运动，同时两边长臂爪对称向内运动，锯齿互相交错咬合，夹紧物料；

机械抓手放松工作流程是：薄型气缸上进气，气缸内推杆向下运动，驱动转接头连带着支耳及链耳向下运动，此时手爪的短臂轴以转角轴为圆心向下做圆弧运动，同时两边长臂爪对称向外运动，手爪互相分开，放松物料。

本实用新型完全取代了传统的通过低洁净等级区的人将内包材提入缓冲间，堆叠码放并消毒自净后再由人传入高洁净等级区的方式，不仅提高了效率，还减轻了操作者劳动强度，最重要的是，避免了人传递带来的风险，完全符合2010版GMP对于降低人对环境的污染这一宗旨的，也是基于这些特征，顺利通过了新版GMP审查，填补了行业空白。尤其值得在生物制药、食品、兽药生产等领域推广。

本实用新型的有益效果具体为：

1.本实用新型提出了一种新颖的解决方案，用于解决制药行业内包材靠人工传递这种过于简陋的工作方式， 大大减轻了操作者的劳动强度，改善了工作环境。

2.本实用新型利用机械手臂等技术手段，实现了快速有效且对环境没有污染，将内包材传递到高洁净等级区的目的。本设备系统工作完全靠电磁阀驱动气缸完成，工作电压为直流24V，安全可靠，耗电量极少。

3.本实用新型操作界面友好，直观易懂，使用方便，安全可靠。

4.本实用新型为全国的制药行业提供了一种针对新版GMP审查必须面对的内包材传递风险的解决方案，利用先进的技术手段消除了人对环境污染的风险。

5.本实用新型已经通过了新版GMP审查，并已成功运用于实际生产当中。目前正用于珍视明滴眼剂产品生产线中，运转良好，效率大大提高，增强了珍视明产品的竞争力。

6.本实用新型造价低廉，工艺流程可靠，维护简便。

附图说明

图1是本实用新型实施例1结构示意图。

图2是本实用新型实施例1机械手臂主视结构示意图。

图3是本实用新型实施例1机械抓手主视结构示意图。

图4是本实用新型实施例1机械抓手主视结构分解示意图。

图5是本实用新型实施例1机械抓手侧视结构示意图。

图6是本实用新型实施例1机械抓手侧视结构分解示意图。

图7是本实用新型实施例1气路原理图。

图中：手爪1，薄型气缸2，万向节3，小臂4，小臂锁紧气缸5，大臂6，大臂锁紧气缸7，转臂8，推力球轴承9，转轴10，滚珠轴承11，薄型气缸12，槽钢底架13，地脚螺栓14，端板15，一字盘头螺钉16，内六角螺栓17，转接头18，挡灰板19，支撑板20，支耳21，链耳22，垫圈23、24，销轴25、26，弹性挡圈27，百级层流FFU 28，内袋29，隔离手套30，外袋31，传递间门32、36，格栅形小车33，三头真空吸管34，洁净室35，光电开关37，光电开关夹持件38，接收钢平台39，机械臂40，机械抓手41，真空小车42，气动电磁阀43、44、45、46、47，电容感应操作面板48，真空软管49，格栅形平台50、可升降支腿51。

具体实施方式

本实用新型可以通过实用新型内容中公开的技术具体实施，通过下面的实施例可以对本实用新型进行进一步的描述，然而，本实用新型的范围并不限于下述实施例。

实施例1：

它包括安装位置在洁净区内回风口的机械臂40，机械抓手41，真空小车42，接收钢平台39，气动电磁阀43、44、45、46、47，电容感应操作面板48以及传递间门32、36的互锁。其工艺流程是操作者开启洁净室35低洁净等级（左）下部的传递间门32，使用隔离手套30将内包材外袋31提上真空小车42，开启真空后真空小车42上的三头真空吸管34吸住外袋31，操作者用清洁消毒过的刀具割开经消毒的外袋31的口子，百级层流FFU 28的风进入外袋31内，使其自然鼓胀，操作者借助手套箱上经消毒过的手套调整真空小车42，使内袋29头子对准机械抓手41，然后机械臂40通过电容感应操作面板48“手动”功能档启动开始下降，机械抓手41钻进外袋31内抓取内袋29头子，机械臂40通过电容感应操作面板48“单次”功能档启动并自动上升、转动、下降，当光电开关37感应到内袋29时，自动松开机械抓手41，内袋29平稳落在具有坡度的接收钢平台39上。操作者开启洁净室35高洁净等级（右）中部门的传递间门36，拿走内袋29。当低洁净等级（左）下部门的传递间门32开启时，高洁净等级（右）中部门的传递间门36无法打开，两门互锁，避免了交叉污染。

真空小车42由格栅形小车33及三头真空吸管34及加强型真空软管组成，三头真空吸管34安装在格栅形小车33的托架底部，且三头突出在托架上，通过连接于三头真空吸管34末端宝塔接头的加强型真空软管，抽吸内包材外袋，突出的三头能顶住外袋的外表面，便于真空开启时，迅速吸住外袋，从而使外袋固定在真空小车42上，且保证机械抓手41抓住内袋并提升时不至于连带着外袋一起提升。由于三头真空吸管34能够可靠工作，因而整个过程无须人为干预，避免了人污染的风险。

接收平台39由带坡度的格栅形平台、可升降支腿、光电开关夹持件38及光电开关37组成。光电开关夹持件38焊接固定于格栅形平台两侧，安装于两侧光电开关夹持件38上的对射型光电开关37（一个发射器，一个接收器）经由光电开关夹持件38可实现上下调节，调整至最佳位置，能有效提高识别内包材的准确度。带坡度的格栅形平台低的一侧朝向高洁净等级区，便于高洁净等级区的操作人员轻松抓取。

机械臂40包括小臂4、小臂锁紧气缸5、大臂6、大臂锁紧气缸7、转臂8、推力球轴承9、转轴10、滚珠轴承11、薄型气缸12、槽钢底架13、地脚螺栓14，槽钢底架13为不锈钢槽钢底架。

机械臂上升工作流程：小臂锁紧气缸5上进气，气缸内推杆向后回缩进缸体，小臂4向上做弧形运动，大臂锁紧气缸7下进气，气缸内推杆向上伸出缸体，大臂6向上做弧形运动。

机械臂下降工作流程：小臂锁紧气缸5下进气，气缸内推杆向前伸出缸体，小臂4向下做弧形运动，大臂锁紧气缸7上进气，气缸内推杆向下回缩进缸体，大臂6向下做弧形运动。

机械臂旋转工作流程：薄型气缸12右进气，气缸内推杆向左回缩进缸体，转臂8顺时针旋转；薄型气缸12左进气，气缸内推杆向右伸出缸体，转臂8逆时针旋转。

机械抓手41结构组成：手爪1、薄型气缸2、端板15、一字盘头螺钉16，内六角螺栓17，转接头18，挡灰板19，支撑板20，支耳21，链耳22，垫圈23、24，销轴25、26，弹性挡圈27。

薄型气缸2与端板15通过内六角螺栓17连接固定在一起，转接头18内螺纹与薄型气缸2的推杆的外螺纹对接，支耳21被不同厚薄的两个螺母固定在转接头18外螺纹上，支耳21上加工的突起内嵌在支撑板20（两件对夹）上所开的条形孔内并在条形孔内被限位只能做上下直线运动，支撑板20（两件对夹）通过内六角螺栓17连接固定在端板15上。支耳21两侧通过销轴25各安装有一对（共4件）链耳22，链耳22通过销轴25手爪1上的短臂轴孔连接，由于手爪1上的转角轴固定于支撑板20的轴孔，因此短臂轴可以转角轴为圆心做圆弧运动，从而执行抓紧、放松的动作，且通过杠杆原理倍增了夹紧力。

机械抓手41抓紧工作流程是：薄型气缸2下进气，气缸内推杆向上运动，驱动转接头18连带着支耳21及链耳22向上运动，此时手爪1的短臂轴以转角轴（销轴25）为圆心向上做圆弧运动，同时两边长臂爪对称向内运动，锯齿互相交错咬合，夹紧物料。

机械抓手41放松工作流程是：薄型气缸2上进气，气缸内推杆向下运动，驱动转接头18连带着支耳21及链耳22向下运动，此时手爪1的短臂轴以转角轴（销轴25）为圆心向下做圆弧运动，同时两边长臂爪对称向外运动，手爪1互相分开，放松物料。

具体为：薄型气缸2上进气，气缸内推杆往下运动，驱动转接头18及相连的支耳21，经由支耳21上加工的突起内嵌在支撑板20上所开的条形孔内起到的限位运动机制，转接头18及支耳21延条形孔一并往下做直线运动，支耳21向下驱动左右各一对链耳22，此时以手爪1上的转角轴为圆心，手爪1上的短臂轴25做圆周运动，由于手爪1上的转角轴固定于支撑板20的轴孔，薄型气缸2内的推杆向下的直线运动转变为长臂爪的张开运动。

手爪1活动部位转角轴（销轴26）在手爪1两侧均串有合金钢垫圈23以减少摩擦阻力，通过弹性挡圈27串联固定在支撑板20外侧。

手爪1通过短臂和长臂的长度比大，倍增了夹紧力，改善了气缸夹紧力不足的缺陷，使气缸选型可以适当选规格偏小一些，减少外形尺寸后适于钻入内包材袋口，也减轻了重量，使手爪1更加灵活轻巧。

机械抓手41通过万向节3与机械臂40上的小臂4进行连接，实现了三轴之外的又多出两轴，从而有五轴实现了灵活度的提高。

气动原理：洁净压缩空气进气到机械臂40，通过电磁阀43控制大臂锁紧气缸7做上升、下降动作，电磁阀45、46控制大臂锁紧气缸7、小臂锁紧气缸5、锁住气缸推杆，通过PLC程序可以使大臂6、小臂4在任意位置悬停；电磁阀44驱动机械抓手抓紧、放松；电磁阀47控制薄型气缸12推动转臂8做顺时针、逆时针旋转。

所有气路进行了优化，可以集成在槽钢底架13内，节省了安装空间，减少了气路长度，降低了气体阻力，使工作更加可靠、动作更加灵敏。

电容感应操作面板48包括光耦板、电容感应按钮开关、亚克力材质触摸面板界面。所有操作开关均为感应触摸按钮，“手动”档、“归位”档、“单步”档三个按钮属于档位按钮，一旦切换到三个档位中的任意一档，其它两个档位会自动断开，其余按钮均为点动按钮。按钮背光也会随着操作改变，每次开机时，按钮（“电源”背光为绿色，且“电源”不是按钮，不能操作）默认的背光为白色，处于所有按钮都未触发的初始状态。当手指触碰在圆圈范围内时，“上升”、“下降”、“原点”、“终点”、“放松”、“夹紧”、“启动”按钮背光会变成蓝色，“停止”按钮背光为红色。

“电源”——电源接通绿色指示灯，不能当成按钮操作，只有指示通电的作用。

“手动”档——可以操作“上升”、“下降”、“原点”、“终点”、“放松”、“夹紧”。

“归位”档——只能操作“原点”按钮，且每次接通电源后只需操作一次即可，只要电源不关，就无须再操作。原点：即机械臂将自动升高，悬停在送包材小车上方，且机械抓手41处于张开的状态。

“单次”档——自控程序，只有切换“手动”档通过机械抓手41抓紧内包材袋子29捆扎头时，才能进入“单步”。进入“单步”档后，按下“启动”按钮才能执行自控程序，按下“停止”按钮，就会中断自控程序，回到“原点”，且机械抓手41处于抓紧状态。

电容感应操作面板48由于采用电容感应原理，有别于一般的电阻屏，具有灵敏度高，不会受环境温度改变影响，与现在的高端智能手机同级别的电容屏按钮，即使戴上3层胶手套，也能准确触发。通过内置进口光耦元件提供低电压开关量给PLC，安全可靠，传输距离远。还配备有钽电容用于滤波，减少外部电磁信号干扰，且钽电容区别于一般的电解电容，不仅耐高温、耐击穿，也不会像电解电容那样受热爆浆，安全可靠。电容感应操作面板48设计成黑色背景，便于突出显示带背光按钮，即使房间照度在300LUX以上时，也能清晰辨别按钮触发状态。

Claims (7)

1.一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，内包材传递系统安装在洁净室(35)内，它包括机械手、真空小车(42)、接收平台和控制装置，其特征在于，所述真空小车(42)和接收平台分别位于机械手的两侧，洁净室(35)的两侧分别设有低洁净等级传递间门和高洁净等级传递间门，真空小车(42)位于低洁净等级传递间门一侧，接收平台位于高洁净等级传递间门一侧；机械手设有五轴三自由度，机械手转动时，能分别与真空小车(42)和接收平台的工作面对应。

2.根据权利要求1所述的一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，其特征在于，真空小车(42)由格栅形小车(33)、三头真空吸管(34)及真空软管(49)组成，三头真空吸管(34)安装在格栅形小车(33)的托架底部，且三头突出在托架上，三头真空吸管(34)末端宝塔接头与真空软管(49)连接。

3.根据权利要求1所述的一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，其特征在于，接收平台(39)由格栅形平台(50)、可升降支腿(51)、光电开关夹持件(38)及光电开关(37)组成，光电开关夹持件(38)焊接固定于格栅形平台(50)两侧，两侧的光电开关夹持件(38)上设有对射型光电开关(37)，格栅形平台(50)平台面设有坡度，格栅形平台(50)低的一侧朝向高洁净等级区。

4.根据权利要求1所述的一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，其特征在于，所述机械手包括机械抓手(41)、机械臂(40)和机械手底座，机械臂(40)包括小臂(4)、大臂(6)、转臂(8)和转轴(10)；小臂(4)上设有三个连接孔，小臂(4)的一端通过抓手臂(3)与机械抓手(41)连接，小臂(4)的另一端的二个连接孔，一个与大臂(6)的一端连接，另一个通过小臂锁紧气缸(5)与大臂(6)臂身上的小臂锁紧气缸座连接；大臂(6)的另一端与转臂(8)的上端连接，大臂(6)的臂身上设有大臂锁紧气缸支座，转臂(8)上设有的大臂锁紧气缸座，所述的大臂锁紧气缸支座和大臂锁紧气缸座之间由大臂锁紧气缸(7)连接；转臂(8)的下端通过转轴(10)与机械手底座水平转动连接。

5.根据权利要求4所述的一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，其特征在于，所述转臂(8)的下端通过推力球轴承(9)、转轴(10)和滚珠轴承(11)与机械手底座连接，转轴(10)的底端通过薄型气缸(12)与机械手底座中的槽钢底架(13)连接。

6.根据权利要求4所述的一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，其特征在于，所述机械抓手(41)包括手爪（1）和薄型气缸(2)，薄型气缸(2)下方安装有端板(15)和挡灰板(19)，薄型气缸(2)的气缸内推杆与转接头(18)连接，端板(15)下方安装有支撑板(20)，支撑板(20)设有两个转角轴连接孔，手爪(1)由短臂轴(25)、耐磨垫圈(23)、轴用弹性挡圈(27)和长臂爪组成，短臂轴(25)上设有短臂轴孔，短臂轴(25)和长臂爪转角部位设有转角轴孔，转接头(18)通过一对支耳(21)和一对链耳(22)分别与两只手爪(1)上的短臂轴孔连接，支撑板(20)上的两个转角轴连接孔分别与两只手爪(1)上的转角轴孔连接；支耳(21)内嵌在支撑板(20)上所开的条形孔内限位滑动。

7.根据权利要求6所述的一种五轴三自由度机械手臂内包材传递系统，其特征在于，所述手爪(1)的转角轴孔通过销轴与支撑板(20)上的转角轴连接孔连接，在转角轴孔和转角轴连接孔之间设有合金钢垫圈(23)；销轴通过通过弹性挡圈(27)串联固定在支撑板(20)和外侧上。