蘋果采摘機械手設計探討

李潤娟 賈宇向

（河南廣播電視大學，河南 鄭州 450008）

1 設計方案

蘋果采摘機械手是直接作用于蘋果的。一般來說，為了防止果實被碰傷，大多數的機械手的手指內側都會采用尼龍或者是橡膠材料來接觸蘋果的。因為蘋果的外形，大小等條件，所以機械手的設計部分應該仔細考慮尺寸，手指的關節數量等。

2 手指數量

蘋果的外形有時會因為各種外界原因而生長得不規律，大部分外形相對比較規則的小型果實，會采用帶有吸盤的兩個手指用來直接抓取果實。相對兩個手指，3 個手指的收獲機械手在抓取果實的過程中它的穩固性會更好地體現出來。若是采用4個手指的蘋果采摘機械手的話，它的效果會更好，但是對于控制方面會有點困難。機械手指的設計要求和蘋果果實的外形尺寸方面有著密切聯系。一般來說，機械手指的抓取效果與機械手指的數量成正比，但是隨著手抓的數量越多，它的控制也越來越難。這個時候就需要在這幾個條件中尋求一個平衡點了，根據需求本設計選取了4 個機械手指。

3 關節數量

一般來說，蘋果形狀規則的，采用的是1 個關節手指的蘋果采摘機械手。但是與人類手指相似的手指，因為控制與材料相對比較麻煩，研究相對不是很多。蘋果的采摘機械手的原理是指尖通過類人類的肌肉組織與細軟鋼絲相連，在類人類肌肉收縮時，產生的拉力能夠讓指尖柔軟地彎曲。收獲蘋果機器手由于要控制其表皮不受到傷害，設計了四個機械手指，每個機械手指都有四個關節，通過控制繩的伸縮及其控制采摘機械手的設計，使手指彎曲成想要的形狀。

4 三維建模

軟件Pro-e 是美國PTC 公司旗下的產品Pro Engineer 軟件的簡稱。在現今的三維軟件中有著非常重要地位，是當今世界機械行業CAD/CAE/CAM 領域的新標準，得到機械行業的認可和廣泛使用，是目前最成功的三維制圖CAD/CAM 應用軟件之一。模型的參數化設計的理念是由Pro/E 第一個提出來的，還利用單一的數據庫來處理特征的相關問題。此外，Pro/E 運用模塊化的方式，用戶根據自身的需要選擇，而不用安裝全部的模塊。Pro/E的特征方法能夠將產品的設計和生產過程結合在一起，用來實現并行工程方案的設計。Pro/E 軟件不但能應用在工作站上，而且也能應用在單機中。Pro/E 應用模塊的方式可以進行產品的草圖繪制，零件制作和裝配設計以及加工處理等等，確保用戶按照自己的需要進行選擇使用。PRO-EENGLISH 的功能特點主要由以下幾個部分：具有完整的3d 建模功能，提高用戶的產品質量和減小新產品的研發周期；模具設計，裝配指令和機床代碼能后自動生成，生產效率高，技術人員勞動強度小，減少人為誤差；具有仿真和分析虛擬樣機的功能，從而優化產品性能和產品設計；數字化產品數據能夠在適當的團隊成員之間共享，避免重復地勞動；可以與各種cad 軟件和業界標準數據格式兼容，文件的通用性高，有利于工作人員的技術交流和合作。三維建模軟件的版本為pro-e4.0，仿真軟件的版本也為pro-e4.0，但是高版本的pro-e 可以通過設置某些參數，在一定的條件下，將pro-e 創建的裝配圖或者零件圖以一定的方式導入進去。為了保證這些零件在導入過程中的正確率，在pro-e 中造型是應該注意以下幾點：

（1）盡量采用pro-e 中提供的缺省模塊。（2）在三維建模時要盡量減少零件的數量。如果不同的零件的相對位置是固定的，那么在不影響仿真效果的前提下，可以考慮將他們做成一個零件；（3）做好零件區別。在系統中如果存在幾個相同的零件時，應將他們另存為不同的名字，以示區別。創建裝配體，需要在proe4.0 中創建機械手各個部件，包括活塞，手爪支架，手爪，連桿和刀片等各零件的三維圖，標示所有零件及其對應的名稱，將所有的零件圖pro-e 文件放置在一個文件夾中，以便于裝配的時候能夠快速準備找到零件。在裝配模式下，采用不同的連接方式，包括匹配，對其等對元件進行約束，放置相應零件，并對零件之間的位置關系做出準確的定位。在完成連續定義后，還可適當增加一些約束，以便與在動畫生成設定各約束的關鍵點，此類點在仿真的時候是可以捕捉到的點，有利于減少將模型導入后，設置約束著一塊的工作量。完成的裝配圖，并將其轉化為工程圖。根據蘋果采摘機械手的工程圖，對該機械手的結構進行描述。其中大體組成從左向右分別是：活塞缸，連桿，手抓支架，手抓，刀片等零件。可以將其主要的工作原理概況為：將支架固定在行動機構中，行動機構完成整個機械手和蘋果相對位置的控制工作。當機械手和蘋果具有正確的采摘位置時，驅動機械手向蘋果靠近，與此同時，通過拉動活塞來實現活塞前運動以使手指張開。直到蘋果在機械手的包圍范圍內，控制機械機構是活塞向后以將手指合攏，實現蘋果的抓取。

5 結語

隨著國民經濟的發展，農業生產逐漸向精準化，多樣化，規模化發展，我國農業勞動力嚴重不足，隨著現代先進技術逐漸向農業領域滲透，農業技術的日趨成熟和現代化技術的發展，農業機器人將越來越多地運用到農業生產過程中去。

[1]郭翠珍，劉文芝，鄭洪靜.工業機器人實時動畫仿真研究與實現[J].蘇州市職業大學學報，2010，02.