【摘要】：針對(duì)果實(shí)采摘問題，利用SolidWorks對(duì)采摘機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。該機(jī)械手主要由底座、手掌、手指、指關(guān)節(jié)組成，能實(shí)現(xiàn)三種工作形態(tài)，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】：SolidWorks；采摘；機(jī)械手

1 引言

果實(shí)采摘在農(nóng)業(yè)中是一個(gè)既消耗時(shí)間又消耗人力的環(huán)節(jié)。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手來替代人類去完成采摘工作。為了更好的像人們一樣用手去采摘果實(shí)，將機(jī)械手設(shè)計(jì)成一個(gè)手爪，能在貼近現(xiàn)實(shí)狀況的基礎(chǔ)上高效率地采摘果實(shí)，節(jié)省人力物力。設(shè)計(jì)建模時(shí)使用的三維設(shè)計(jì)軟件是法國(guó)達(dá)索公司的SolidWorks。其CAD功能方面涵蓋了所有的設(shè)計(jì)類型，創(chuàng)新的自頂向下設(shè)計(jì)過程使得設(shè)計(jì)工作一目了然。

2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)

在采摘過程中，機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)移到待采摘果實(shí)的位置，然后將果實(shí)采摘下來。機(jī)械手若要實(shí)現(xiàn)人手應(yīng)完成的動(dòng)作，首先應(yīng)該像人手一樣可以實(shí)現(xiàn)360度的旋轉(zhuǎn)，其次就是可以到達(dá)指定任意位置，即應(yīng)該具有多手指多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。

2.1 設(shè)計(jì)方案

在外形方面，為了更好的類似人工采摘果實(shí)，采用模仿人類手指的結(jié)構(gòu)。為了避免采摘時(shí)弄傷果實(shí)，在手指內(nèi)側(cè)接觸果實(shí)的部分選取橡膠和塑料材質(zhì)。同時(shí)，由于采摘果實(shí)形狀不單一，在設(shè)計(jì)機(jī)械手指時(shí)應(yīng)該在手指數(shù)量、手指指節(jié)數(shù)量、相關(guān)尺寸方面多加考慮。

2.2 手指數(shù)量

被采摘的果實(shí)種類不統(tǒng)一，形狀有大小，要設(shè)計(jì)一種適用性較廣泛的采摘機(jī)械手，就要注意選擇手指的數(shù)量。對(duì)于小型規(guī)則的果實(shí)，一般用兩個(gè)帶吸盤的手指就可以抓取果實(shí)。對(duì)于小型不規(guī)則的果實(shí)和大型果實(shí)時(shí)，用兩個(gè)手指抓取果實(shí)就顯得不夠可靠。根據(jù)對(duì)市場(chǎng)調(diào)研后確定手指的數(shù)量為3，能滿足常見果實(shí)的采摘。

2.3 手指關(guān)節(jié)數(shù)量

對(duì)于形狀規(guī)則的果蔬，一個(gè)手指關(guān)節(jié)就能滿足使用。對(duì)于形狀不規(guī)則的果蔬，一個(gè)手指關(guān)節(jié)顯然是不夠的。由于關(guān)節(jié)的控制比較難，這里選取兩個(gè)關(guān)節(jié)的手指，便可適用于大多數(shù)果蔬。

2.4 尺寸的設(shè)定

機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸是可以根據(jù)人類手指及其關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度比例進(jìn)行設(shè)計(jì)的，同時(shí)也可以根據(jù)使用場(chǎng)合的差異對(duì)所設(shè)計(jì)的靈巧手指作適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整。通過測(cè)量某校部分學(xué)生的手指長(zhǎng)度，可以得出大體符合人手指的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，假設(shè)三個(gè)手指一樣長(zhǎng)，則有預(yù)估數(shù)據(jù)，手指第一個(gè)指節(jié)的長(zhǎng)度為55mm，第二個(gè)手指指節(jié)長(zhǎng)度為40mm，手指寬度為20mm，手掌直徑為。

2.5 材料的選擇

采摘機(jī)械手由于是模擬人手工作情況，手指應(yīng)具備摩擦力，同時(shí)在果實(shí)采摘時(shí)應(yīng)省力省時(shí)，材料可選擇鋁合金。

3 零件的設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 手掌和底座的設(shè)計(jì)

底座是手掌的支撐部分，其功能就是實(shí)現(xiàn)類似人手360度旋轉(zhuǎn)以形成不同的狀態(tài)，在此將底座設(shè)計(jì)成為圓盤形狀，如圖1所示，該圓盤的直徑為110mm；同理，手掌心可設(shè)計(jì)成為長(zhǎng)方形，再在長(zhǎng)方形兩邊形成圓角以方便手指的旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

3.2 手指底座的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械手在手掌上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故設(shè)計(jì)一個(gè)連接底座，這樣的話就可以完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，該底座由兩部分組成：一部分是與手指直接連接的部分，另一部分是使手指能夠完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。手指底座的左端結(jié)構(gòu)與手掌相連接，并由異步電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)；手指底座的右端結(jié)構(gòu)是與手指第一個(gè)指節(jié)直接相連的，并且在上面安裝微型步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)使手指完成抓取運(yùn)動(dòng)。

3.3 第一個(gè)指節(jié)

第一個(gè)指節(jié)所設(shè)計(jì)的尺寸是：長(zhǎng)、寬、高各為55mm、20mm、22mm，指節(jié)左端通過一個(gè)連接件可以與手指底座的傳動(dòng)軸過盈配合連接，通過手指底座中微型步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)第一個(gè)指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示是連接件，如圖5所示是手指第一指節(jié)。

3.4 第二個(gè)指節(jié)

根據(jù)要求可知第二指節(jié)尺寸設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)40mm，寬20mm，根據(jù)人工工程學(xué)可知，一般情況下人的手指是趨于彎曲狀態(tài)的，即使在手掌繃緊的情況下手指指尖端的一節(jié)手指也是趨于彎曲的狀況，且會(huì)與手掌呈現(xiàn)一定的角度。通過相關(guān)資料查詢可知，該角度一般范圍為。所以我們可以假設(shè)一個(gè)角度在手指第一指節(jié)與手指第二只節(jié)指尖，就假設(shè)為45度角。如圖6所示是第一指節(jié)與第二指節(jié)的連接件，圖7是連接件與第二指節(jié)的總體圖，圖8是一根手指的裝配圖。

4 機(jī)械手的工作形態(tài)

由于采摘機(jī)械手手指較靈活可以有不同的狀態(tài)，故可將形態(tài)分為三種形式，這樣就有利于大多數(shù)水果的采摘。

4.1 形態(tài)一

形態(tài)一如圖9所示，此時(shí)機(jī)械手的三根手指處于并攏狀態(tài)，可以采摘形狀類似圓柱狀態(tài)的果實(shí)，其最大抓取量為直徑為65mm，其最小抓取量為18mm，如圖10和11所示，是該狀態(tài)下的最大、最小模式。

4.2 形態(tài)二

形態(tài)二如圖12所示，此時(shí)三根手指之間的角度都為120°，主要抓取體型類似球的果實(shí)。如圖13和14所示，為該狀態(tài)下抓取的最大和最小模式。

4.3 形態(tài)三

形態(tài)三如圖15所示，其中兩個(gè)手指之間處于平行狀態(tài)，另外一個(gè)手指處于其對(duì)立面，其最大抓取量為類似于形態(tài)一的直徑為95mm的柱狀體。

5 結(jié)論

科技發(fā)展的新時(shí)代下，農(nóng)業(yè)應(yīng)用逐漸智能化。緊跟時(shí)代的變化和農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，采摘機(jī)械手仿造人手的外形設(shè)計(jì)，采用類似人體手指構(gòu)造的結(jié)構(gòu)，同人手一樣具有多段手指指節(jié)、多根手指的特點(diǎn)，手掌與手指之間采用軸旋轉(zhuǎn)，模擬人手指的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高效智能采摘，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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