基于SolidWorks的采摘機械手設計

【摘要】：針對果實采摘問題，利用SolidWorks對采摘機械手進行設計。該機械手主要由底座、手掌、手指、指關節組成，能實現三種工作形態，有很強的實用性。

【關鍵詞】：SolidWorks；采摘；機械手

1 引言

果實采摘在農業中是一個既消耗時間又消耗人力的環節。針對這一問題，設計采摘機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，將機械手設計成一個手爪，能在貼近現實狀況的基礎上高效率地采摘果實，節省人力物力。設計建模時使用的三維設計軟件是法國達索公司的SolidWorks。其CAD功能方面涵蓋了所有的設計類型，創新的自頂向下設計過程使得設計工作一目了然。

2 機械手的設計

在采摘過程中，機械手的主要任務就是將末端執行機構移到待采摘果實的位置，然后將果實采摘下來。機械手若要實現人手應完成的動作，首先應該像人手一樣可以實現360度的旋轉，其次就是可以到達指定任意位置，即應該具有多手指多關節的結構。

2.1 設計方案

在外形方面，為了更好的類似人工采摘果實，采用模仿人類手指的結構。為了避免采摘時弄傷果實，在手指內側接觸果實的部分選取橡膠和塑料材質。同時，由于采摘果實形狀不單一，在設計機械手指時應該在手指數量、手指指節數量、相關尺寸方面多加考慮。

2.2 手指數量

被采摘的果實種類不統一，形狀有大小，要設計一種適用性較廣泛的采摘機械手，就要注意選擇手指的數量。對于小型規則的果實，一般用兩個帶吸盤的手指就可以抓取果實。對于小型不規則的果實和大型果實時，用兩個手指抓取果實就顯得不夠可靠。根據對市場調研后確定手指的數量為3，能滿足常見果實的采摘。

2.3 手指關節數量

對于形狀規則的果蔬，一個手指關節就能滿足使用。對于形狀不規則的果蔬，一個手指關節顯然是不夠的。由于關節的控制比較難，這里選取兩個關節的手指，便可適用于大多數果蔬。

2.4 尺寸的設定

機械手的結構尺寸是可以根據人類手指及其關節的長度比例進行設計的，同時也可以根據使用場合的差異對所設計的靈巧手指作適當的尺寸調整。通過測量某校部分學生的手指長度，可以得出大體符合人手指的設計數據，假設三個手指一樣長，則有預估數據，手指第一個指節的長度為55mm，第二個手指指節長度為40mm，手指寬度為20mm，手掌直徑為。

2.5 材料的選擇

采摘機械手由于是模擬人手工作情況，手指應具備摩擦力，同時在果實采摘時應省力省時，材料可選擇鋁合金。

3 零件的設計及計算

3.1 手掌和底座的設計

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

3.2 手指底座的設計

為實現采摘機械手在手掌上的旋轉運動，故設計一個連接底座，這樣的話就可以完成相應的運動，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運動的部分，其結構如圖3所示。手指底座的左端結構與手掌相連接，并由異步電機帶動其旋轉；手指底座的右端結構是與手指第一個指節直接相連的，并且在上面安裝微型步進電機通過齒輪傳動使手指完成抓取運動。

3.3 第一個指節

第一個指節所設計的尺寸是：長、寬、高各為55mm、20mm、22mm，指節左端通過一個連接件可以與手指底座的傳動軸過盈配合連接，通過手指底座中微型步進電機的旋轉帶動第一個指節的轉動。如圖4所示是連接件，如圖5所示是手指第一指節。

3.4 第二個指節

根據要求可知第二指節尺寸設計為：長40mm，寬20mm，根據人工工程學可知，一般情況下人的手指是趨于彎曲狀態的，即使在手掌繃緊的情況下手指指尖端的一節手指也是趨于彎曲的狀況，且會與手掌呈現一定的角度。通過相關資料查詢可知，該角度一般范圍為。所以我們可以假設一個角度在手指第一指節與手指第二只節指尖，就假設為45度角。如圖6所示是第一指節與第二指節的連接件，圖7是連接件與第二指節的總體圖，圖8是一根手指的裝配圖。

4 機械手的工作形態

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

4.1 形態一

形態一如圖9所示，此時機械手的三根手指處于并攏狀態，可以采摘形狀類似圓柱狀態的果實，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，是該狀態下的最大、最小模式。

4.2 形態二

形態二如圖12所示，此時三根手指之間的角度都為120°，主要抓取體型類似球的果實。如圖13和14所示，為該狀態下抓取的最大和最小模式。

4.3 形態三

形態三如圖15所示，其中兩個手指之間處于平行狀態，另外一個手指處于其對立面，其最大抓取量為類似于形態一的直徑為95mm的柱狀體。

5 結論

科技發展的新時代下，農業應用逐漸智能化。緊跟時代的變化和農業發展的需要，采摘機械手仿造人手的外形設計，采用類似人體手指構造的結構，同人手一樣具有多段手指指節、多根手指的特點，手掌與手指之間采用軸旋轉，模擬人手指的旋轉，從而實現高效智能采摘，具有很強的實用性。

參考文獻：

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