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研究生： 楊麗麗
YANG, LI-LI
論文名稱： 機械夾爪分析與設計
Analysis and Design of a Robotic Gripper
指導教授： 黃以玫
Huang, Yi-Mei
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系在職專班
Executive Master of Mechanical Engineering
論文出版年： 2016
畢業學年度： 104
語文別： 中文
論文頁數： 82
中文關鍵詞： 人機協作機器人 、機械夾爪 、ANSYS
外文關鍵詞： Collaborative robots, Co-bot, robot gripper
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    • 摘要
    由於近年來工業4.0的興起，國內外各界紛紛投入機械人與智慧自動化的研究，就機械人產業中，人機協作機械人領域，投入大量資源進行開發研究，並且市場裡遂步出現智慧型的機械手臂產品。故本論文選擇以小型人機協作機械手臂末端的機械夾爪，進行開發研究。
    論文中，機械夾爪選擇搭配Teachman公司出產的TM5智慧型機器手臂，參考目前市場，規劃適合的機械夾爪規格。在成本和功能考量下，選擇Tricore公司出產的直流無刷馬達，並且設計出符合規格要求的機械夾爪機構。過程中以Pro-E進行3D模型建立，並且以ANSYS分析軟體進行驗證，最後證明符合規格要求。
    另外，考慮到夾爪的應用除了目前的規格設計外，論文也針對ANSYS分析夾爪機構較弱的部份進行改善。如此一來，當使用者應用在更多的領域時，若需要增加夾持力規格，只需要替換適合的馬達，本論文設計的機械夾爪結構亦能符合需求。

    關鍵字：人機協作機器人、機械夾爪、ANSYS

    Abstract
    In the recent years, Industry 4.0 is the current trend of automation and data exchange in manufacturing technologies. Much domestic academia and companies have invested in machinery automation and intelligence research in the robotics industry. In the man-machine cooperation field, a lot of resources have been used for studying smart robots. Therefore, in this thesis, a robot gripper for small man-machine cooperation robot has been developed.
    The robot gripper was designed to comply with an intelligent robot arm, TM5, produced by Teachman company. Referring to the specifications of the robot arm and considering of the cost and functionality, a brushless DC motor produced by Tricore company was chosen to meet the requirement of the robot gripper design. For validating the design, 3D modeling and mechanical stress analysis were performed by using Pro-E and ANSYS software. The structure of the robot gripper was analyzed to find the weaker parts. Some design modification was made.

    Key words : Collaborative robots, Co-bot, robot gripper, ANSYS

    目錄 摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 X 第一章 背景介紹 1 1-1 機械手臂 1 1-2 機械夾爪 2 1-3 研究動機與目標 3 第二章 機械夾爪設計 7 2-1 設計流程 7 2-2 機械夾爪規格預定 7 2-2-1 機械夾爪規格 8 2-2-2 馬達選用規格 8 2-3 機械夾爪機構設計 10 2-3-1 機械夾爪外觀設計 10 2-3-2 機械夾爪內部結構設計 11 第三章 機械夾爪結構靜態模擬與分析 20 3-1 ANSYS分析模型建立 20 3-1-1 機械夾爪模型簡化 20 3-1-2 材料機械性質 21 3-1-3 邊界條件設定 21 3-1-4 模型網格收斂性分析 22 3-2 分析結果與討論 23 3-2-1 等效應力(Equivalent (Von-Mises) Stress)分析 24 3-2-2 等效應變(Equivalent Elastic Strain)分析 25 3-2-3 總變形量(Total Deformation)分析 26 3-2-4 綜合分析 27 3-3 結構改善與分析 28 3-3-1 結構改善設計 29 3-3-2 改善設計模擬分析 29 第四章 結論與未來方向 61 4-1 結論 61 4-2 未來方向 63 參考資料 64 附錄 67 圖目錄 圖 1.1 全球協作機器人市場趨勢 4 圖 1.2 TM5機械手臂搭配本論文機械夾爪3D設計圖 5 圖 1.3 TM5機械手臂 5 圖 1.4 TM5機器人內置視覺系統 6 圖 1.5 TM5機器人教導操作 6 圖 2.1 機械夾爪設計流程 12 圖 2.2 夾爪分類 12 圖 2.3 本論文之機械夾爪示意圖 13 圖 2.4 夾爪力矩傳動系統 13 圖 2.5 夾爪夾持力示意圖 14 圖 2.6 馬達橫放設計之內部結構 14 圖 2.7 馬達橫放設計之外觀 15 圖 2.8 馬達直放設計之內部結構 15 圖 2.9 馬達直放設計之外觀 16 圖 2.10 機械夾爪搭配手臂末端應用 16 圖 2.11 機械夾爪內部結構 17 圖 3.1 機械夾爪模型簡化後結構 32 圖 3.2 簡化前-帶減速機的馬達模型 33 圖 3.3 簡化後-帶減速機的馬達模型 33 圖 3.4 機械夾爪模型邊條件設定圖 34 圖 3.5法蘭轉接塊 34 圖 3.6 機器手臂末端法蘭面 35 圖 3.7 機械夾爪固定面 35 圖 3.8 收斂分析探查方向圖 36 圖 3.9 元素數量與最大應力值誤差值關係圖 37 圖 3.10 機械夾爪模型網格圖 38 圖 3.11 重力加速度為X軸方向圖 38 圖 3.12 重力加速度為Y軸方向圖 39 圖 3.13 重力加速度為Z軸方向圖 39 圖 3.14 重力加速度X軸方向之等效應力分佈圖 40 圖 3.15 重力加速度X軸方向夾爪之應力分佈圖 40 圖 3.16 重力加速度X軸方向齒條之應力分佈圖 41 圖 3.17 重力加速度Y軸方向之等效應力分佈圖 41 圖 3.18 重力加速度Y軸方向夾爪之應力分佈圖 42 圖 3.19 重力加速度Y軸方向齒條之應力分佈圖 42 圖 3.20 重力加速度Z軸方向之等效應力分佈圖 43 圖 3.21 重力加速度Z軸方向夾爪應力分佈圖 43 圖 3.22 重力加速度Z軸方向齒條之應力分佈圖 44 圖 3.23 重力加速度X軸方向之等效應變分佈圖 44 圖 3.24 重力加速度X軸方向夾爪之應變分佈圖 45 圖 3.25 重力加速度X軸方向齒條之應變分佈圖 45 圖 3.26 重力加速度Y軸方向之等效應變分佈圖 46 圖 3.27 重力加速度Y軸方向夾爪之應變分佈圖 46 圖 3.28 重力加速度Y軸方向齒條之應變分佈圖 47 圖 3.29 重力加速度Z軸方向之等效應變分佈圖 47 圖 3.30 重力加速度Z軸方向夾爪之應變分佈圖 48 圖 3.31 重力加速度Z軸方向齒條之應變分佈圖 48 圖 3.32 重力加速度X軸方向之總變形量分佈圖 49 圖 3.33 重力加速度Y軸方向之總變形量分佈圖 49 圖 3.34 重力加速度Z軸方向之總變形量分佈圖 50 圖 3.35 原設計之夾爪圖 50 圖 3.36 改善設計之夾爪圖(加強頸寬) 51 圖 3.37 原設計之齒條圖 51 圖 3.38 改善設計之齒條圖(取消尖端設計) 52 圖 3.39 改善設計的機械夾爪簡化模型圖 53 圖 3.40 改善設計的機械夾爪邊界條件設定圖 54 圖 3.41 改善設計的機械夾爪之模型網格圖 54 圖 3.42 改善設計之重力加速度X軸方向等效應力分佈圖 55 圖 3.43 重力加速度X軸方向改善夾爪之應力分佈圖 55 圖 3.44 重力加速度X軸方向改善齒條之應力分佈圖 56 圖 3.45 改善設計之重力加速度X軸方向等效應變分佈圖 56 圖 3.46重力加速度X軸方向改善夾爪之應變分佈圖 57 圖 3.47重力加速度X軸方向改善齒條之應變分佈圖 57 圖 3.48 改善設計之重力加速度X軸方向總變形量分佈圖 58 表目錄 表 2 1 機械夾爪規格 18 表 2 2 馬達選取規格 18 表 2 3 機械夾爪內部結構部件規格 19 表 3 1 機械夾爪使用材料之機械材料性質表 59 表 3 2 機械夾爪結構改善部件 59 表 3 3 重力加速度X方向之等效應力值比較表 60

    [1] 維基百科網站，取自 https://zh.wikipedia.org/wiki/機械手臂, May 15, 2016.
    [2] 盧世元, "機械手臂揮灑出自動化的願景," MM機械技術雜誌, May01, 2009, 291期.
    [3] Peggy Hollinger, "Meet the cobots: humans and robots together on the factory floor," Financial Times, May 5, 2016.
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    [5] T. Pham and W.B. Heginbotham, Robot Grippers, IFS Ltd, UK, 1986.
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    [7] Praveen Nair, “Types of Artifical Gripper Mechanisms,” Society of Robotics & Automation, Aug 2, 2009.
    [8] 達明機器人股份有限公司網站，取自 http://tm-robot.com/, May 15, 2016.
    [9] 兆和豐科技股份有限公司網站，取自 http://www.ura.com.tw/, May 15, 2016.
    [10] ZIMMER GROUP 網站，取自 http://www.zimmer-group.de/en, May 15, 2016.
    [11] ROBOTIQ 網站，取自 http://robotiq.com/company/about-robotiq/, May 15, 2016.
    [12]株式會社TAIYO, LTD網站，取自http://www.taiyo-ltd.co.jp/eg/index.html, May 15, 2016.
    [13] GIMATIC, USA. 網站，取自 http://www.gimaticusa.com/, May 15, 2016.
    [14] DESTACO網站，取自 http://www.destaco.com/, May 15, 2016.
    [15] Schunk Group 雄克網站，取自 http://www.schunk-group.com/en/
    [16] PHD, Inc.網站，取自 https://www.phdinc.com/, May 15, 2016.
    [17] SMC Corporation of America. 網站， http://www.smcusa.com/, May 15, 2016.
    [18] 泓記精密股份有限公司網站，取自 http://www.tricore.com.tw/, May 15, 2016.
    [19] MatWeb, LLC. 網站，取自 http://www.matweb.com/, May 15, 2016.
    [20] 欣毓股份有限公司網站，取自 http://www.symtek.com.tw/, May 15, 2016.
    [21] 美蓓亞電子技術股份有限公司網站，取自http://www.nmbtc.com/motors/, May 15, 2016.
    [22] 麥可昇精密電機股份有限公司網站，取自http://www.maxonmotor.com.tw/, May 15, 2016.
    [23] Clement M. Gosselin, Thierry Laliberte, US5762390 A (6 June, 1998)
    [24] Gareth J. Monkman, Stefan Hesse, Ralf Steinmann, Henrik Schunk, "Robot Grippers," 2006.

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