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【摘要】：针对果实采摘问题，利用SolidWorks对采摘机械手进行设计。该机械手主要由底座、手掌、手指、指关节组成，能实现三种工作形态，有很强的实用性。
【关键词】：SolidWorks；采摘；机械手
1 引言
果实采摘在农业中是一个既消耗时间又消耗人力的环节。针对这一问题，设计采摘机械手来替代人类去完成采摘工作。为了更好的像人们一样用手去采摘果实，将机械手设计成一个手爪，能在贴近现实状况的基础上高效率地采摘果实，节省人力物力。设计建模时使用的三维设计软件是法国达索公司的SolidWorks。其CAD功能方面涵盖了所有的设计类型，创新的自顶向下设计过程使得设计工作一目了然。
2 机械手的设计
在采摘过程中，机械手的主要任务就是将末端执行机构移到待采摘果实的位置，然后将果实采摘下来。机械手若要实现人手应完成的动作，首先应该像人手一样可以实现360度的旋转，其次就是可以到达指定任意位置，即应该具有多手指多关节的结构。
2.1 设计方案
在外形方面，为了更好的类似人工采摘果实，采用模仿人类手指的结构。为了避免采摘时弄伤果实，在手指内侧接触果实的部分选取橡胶和塑料材质。同时，由于采摘果实形状不单一，在设计机械手指时应该在手指数量、手指指节数量、相关尺寸方面多加考虑。
2.2 手指数量
被采摘的果实种类不统一，形状有大小，要设计一种适用性较广泛的采摘机械手，就要注意選择手指的数量。对于小型规则的果实，一般用两个带吸盘的手指就可以抓取果实。对于小型不规则的果实和大型果实时，用两个手指抓取果实就显得不够可靠。根据对市场调研后确定手指的数量为3，能满足常见果实的采摘。
2.3 手指关节数量
对于形状规则的果蔬，一个手指关节就能满足使用。对于形状不规则的果蔬，一个手指关节显然是不够的。由于关节的控制比较难，这里选取两个关节的手指，便可适用于大多数果蔬。
2.4 尺寸的设定
机械手的结构尺寸是可以根据人类手指及其关节的长度比例进行设计的，同时也可以根据使用场合的差异对所设计的灵巧手指作适当的尺寸调整。通过测量某校部分学生的手指长度，可以得出大体符合人手指的设计数据，假设三个手指一样长，则有预估数据，手指第一个指节的长度为55mm，第二个手指指节长度为40mm，手指宽度为20mm，手掌直径为。
2.5 材料的选择
采摘机械手由于是模拟人手工作情况，手指应具备摩擦力，同时在果实采摘时应省力省时，材料可选择铝合金。
3 零件的设计及计算
3.1 手掌和底座的设计
底座是手掌的支撑部分，其功能就是实现类似人手360度旋转以形成不同的状态，在此将底座设计成为圆盘形状，如图1所示，该圆盘的直径为110mm；同理，手掌心可设计成为长方形，再在长方形两边形成圆角以方便手指的旋转，如图2所示。
3.2 手指底座的设计
为实现采摘机械手在手掌上的旋转运动，故设计一个连接底座，这样的话就可以完成相应的运动，该底座由两部分组成：一部分是与手指直接连接的部分，另一部分是使手指能够完成旋转运动的部分，其结构如图3所示。手指底座的左端结构与手掌相连接，并由异步电机带动其旋转；手指底座的右端结构是与手指第一个指节直接相连的，并且在上面安装微型步进电机通过齿轮传动使手指完成抓取运动。
3.3 第一个指节
第一个指节所设计的尺寸是：长、宽、高各为55mm、20mm、22mm，指节左端通过一个连接件可以与手指底座的传动轴过盈配合连接，通过手指底座中微型步进电机的旋转带动第一个指节的转动。如图4所示是连接件，如图5所示是手指第一指节。
3.4 第二个指节
根据要求可知第二指节尺寸设计为：长40mm，宽20mm，根据人工工程学可知，一般情况下人的手指是趋于弯曲状态的，即使在手掌绷紧的情况下手指指尖端的一节手指也是趋于弯曲的状况，且会与手掌呈现一定的角度。通过相关资料查询可知，该角度一般范围为。所以我们可以假设一个角度在手指第一指节与手指第二只节指尖，就假设为45度角。如图6所示是第一指节与第二指节的连接件，图7是连接件与第二指节的总体图，图8是一根手指的装配图。
4 机械手的工作形态
由于采摘机械手手指较灵活可以有不同的状态，故可将形态分为三种形式，这样就有利于大多数水果的采摘。
4.1 形态一
形态一如图9所示，此时机械手的三根手指处于并拢状态，可以采摘形状类似圆柱状态的果实，其最大抓取量为直径为65mm，其最小抓取量为18mm，如图10和11所示，是该状态下的最大、最小模式。
4.2 形态二
形态二如图12所示，此时三根手指之间的角度都为120°，主要抓取体型类似球的果实。如图13和14所示，为该状态下抓取的最大和最小模式。
4.3 形态三
形态三如图15所示，其中两个手指之间处于平行状态，另外一个手指处于其对立面，其最大抓取量为类似于形态一的直径为95mm的柱状体。
5 结论
科技发展的新时代下，农业应用逐渐智能化。紧跟时代的变化和农业发展的需要，采摘机械手仿造人手的外形设计，采用类似人体手指构造的结构，同人手一样具有多段手指指节、多根手指的特点，手掌与手指之间采用轴旋转，模拟人手指的旋转，从而实现高效智能采摘，具有很强的实用性。
参考文献：
[1] 殷际英，何广平.关节型机器人[M].北京：化学工业出版社，2003，7.
[2] 王启春.六自由度开放式工业机器人控制系统设计[D].华东理工大学，2011，1.
【关键词】：SolidWorks；采摘；机械手
1 引言
果实采摘在农业中是一个既消耗时间又消耗人力的环节。针对这一问题，设计采摘机械手来替代人类去完成采摘工作。为了更好的像人们一样用手去采摘果实，将机械手设计成一个手爪，能在贴近现实状况的基础上高效率地采摘果实，节省人力物力。设计建模时使用的三维设计软件是法国达索公司的SolidWorks。其CAD功能方面涵盖了所有的设计类型，创新的自顶向下设计过程使得设计工作一目了然。
2 机械手的设计
在采摘过程中，机械手的主要任务就是将末端执行机构移到待采摘果实的位置，然后将果实采摘下来。机械手若要实现人手应完成的动作，首先应该像人手一样可以实现360度的旋转，其次就是可以到达指定任意位置，即应该具有多手指多关节的结构。
2.1 设计方案
在外形方面，为了更好的类似人工采摘果实，采用模仿人类手指的结构。为了避免采摘时弄伤果实，在手指内侧接触果实的部分选取橡胶和塑料材质。同时，由于采摘果实形状不单一，在设计机械手指时应该在手指数量、手指指节数量、相关尺寸方面多加考虑。
2.2 手指数量
被采摘的果实种类不统一，形状有大小，要设计一种适用性较广泛的采摘机械手，就要注意選择手指的数量。对于小型规则的果实，一般用两个带吸盘的手指就可以抓取果实。对于小型不规则的果实和大型果实时，用两个手指抓取果实就显得不够可靠。根据对市场调研后确定手指的数量为3，能满足常见果实的采摘。
2.3 手指关节数量
对于形状规则的果蔬，一个手指关节就能满足使用。对于形状不规则的果蔬，一个手指关节显然是不够的。由于关节的控制比较难，这里选取两个关节的手指，便可适用于大多数果蔬。
2.4 尺寸的设定
机械手的结构尺寸是可以根据人类手指及其关节的长度比例进行设计的，同时也可以根据使用场合的差异对所设计的灵巧手指作适当的尺寸调整。通过测量某校部分学生的手指长度，可以得出大体符合人手指的设计数据，假设三个手指一样长，则有预估数据，手指第一个指节的长度为55mm，第二个手指指节长度为40mm，手指宽度为20mm，手掌直径为。
2.5 材料的选择
采摘机械手由于是模拟人手工作情况，手指应具备摩擦力，同时在果实采摘时应省力省时，材料可选择铝合金。
3 零件的设计及计算
3.1 手掌和底座的设计
底座是手掌的支撑部分，其功能就是实现类似人手360度旋转以形成不同的状态，在此将底座设计成为圆盘形状，如图1所示，该圆盘的直径为110mm；同理，手掌心可设计成为长方形，再在长方形两边形成圆角以方便手指的旋转，如图2所示。
3.2 手指底座的设计
为实现采摘机械手在手掌上的旋转运动，故设计一个连接底座，这样的话就可以完成相应的运动，该底座由两部分组成：一部分是与手指直接连接的部分，另一部分是使手指能够完成旋转运动的部分，其结构如图3所示。手指底座的左端结构与手掌相连接，并由异步电机带动其旋转；手指底座的右端结构是与手指第一个指节直接相连的，并且在上面安装微型步进电机通过齿轮传动使手指完成抓取运动。
3.3 第一个指节
第一个指节所设计的尺寸是：长、宽、高各为55mm、20mm、22mm，指节左端通过一个连接件可以与手指底座的传动轴过盈配合连接，通过手指底座中微型步进电机的旋转带动第一个指节的转动。如图4所示是连接件，如图5所示是手指第一指节。
3.4 第二个指节
根据要求可知第二指节尺寸设计为：长40mm，宽20mm，根据人工工程学可知，一般情况下人的手指是趋于弯曲状态的，即使在手掌绷紧的情况下手指指尖端的一节手指也是趋于弯曲的状况，且会与手掌呈现一定的角度。通过相关资料查询可知，该角度一般范围为。所以我们可以假设一个角度在手指第一指节与手指第二只节指尖，就假设为45度角。如图6所示是第一指节与第二指节的连接件，图7是连接件与第二指节的总体图，图8是一根手指的装配图。
4 机械手的工作形态
由于采摘机械手手指较灵活可以有不同的状态，故可将形态分为三种形式，这样就有利于大多数水果的采摘。
4.1 形态一
形态一如图9所示，此时机械手的三根手指处于并拢状态，可以采摘形状类似圆柱状态的果实，其最大抓取量为直径为65mm，其最小抓取量为18mm，如图10和11所示，是该状态下的最大、最小模式。
4.2 形态二
形态二如图12所示，此时三根手指之间的角度都为120°，主要抓取体型类似球的果实。如图13和14所示，为该状态下抓取的最大和最小模式。
4.3 形态三
形态三如图15所示，其中两个手指之间处于平行状态，另外一个手指处于其对立面，其最大抓取量为类似于形态一的直径为95mm的柱状体。
5 结论
科技发展的新时代下，农业应用逐渐智能化。紧跟时代的变化和农业发展的需要，采摘机械手仿造人手的外形设计，采用类似人体手指构造的结构，同人手一样具有多段手指指节、多根手指的特点，手掌与手指之间采用轴旋转，模拟人手指的旋转，从而实现高效智能采摘，具有很强的实用性。
参考文献：
[1] 殷际英，何广平.关节型机器人[M].北京：化学工业出版社，2003，7.
[2] 王启春.六自由度开放式工业机器人控制系统设计[D].华东理工大学，2011，1.