蘋果采摘機械手設(shè)計探討

李潤娟 賈宇向

（河南廣播電視大學(xué)，河南 鄭州 450008）

1 設(shè)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(shù)的機械手的手指內(nèi)側(cè)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(shè)計部分應(yīng)該仔細(xì)考慮尺寸，手指的關(guān)節(jié)數(shù)量等。

2 手指數(shù)量

蘋果的外形有時會因為各種外界原因而生長得不規(guī)律，大部分外形相對比較規(guī)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(wěn)固性會更好地體現(xiàn)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(shè)計要求和蘋果果實的外形尺寸方面有著密切聯(lián)系。一般來說，機械手指的抓取效果與機械手指的數(shù)量成正比，但是隨著手抓的數(shù)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(jù)需求本設(shè)計選取了4 個機械手指。

3 關(guān)節(jié)數(shù)量

一般來說，蘋果形狀規(guī)則的，采用的是1 個關(guān)節(jié)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(xì)軟鋼絲相連，在類人類肌肉收縮時，產(chǎn)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(shè)計了四個機械手指，每個機械手指都有四個關(guān)節(jié)，通過控制繩的伸縮及其控制采摘機械手的設(shè)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(chǎn)品Pro Engineer 軟件的簡稱。在現(xiàn)今的三維軟件中有著非常重要地位，是當(dāng)今世界機械行業(yè)CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，得到機械行業(yè)的認(rèn)可和廣泛使用，是目前最成功的三維制圖CAD/CAM 應(yīng)用軟件之一。模型的參數(shù)化設(shè)計的理念是由Pro/E 第一個提出來的，還利用單一的數(shù)據(jù)庫來處理特征的相關(guān)問題。此外，Pro/E 運用模塊化的方式，用戶根據(jù)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?qū)a(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)過程結(jié)合在一起，用來實現(xiàn)并行工程方案的設(shè)計。Pro/E 軟件不但能應(yīng)用在工作站上，而且也能應(yīng)用在單機中。Pro/E 應(yīng)用模塊的方式可以進(jìn)行產(chǎn)品的草圖繪制，零件制作和裝配設(shè)計以及加工處理等等，確保用戶按照自己的需要進(jìn)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(chǎn)品質(zhì)量和減小新產(chǎn)品的研發(fā)周期；模具設(shè)計，裝配指令和機床代碼能后自動生成，生產(chǎn)效率高，技術(shù)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(yōu)化產(chǎn)品性能和產(chǎn)品設(shè)計；數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠在適當(dāng)?shù)膱F(tuán)隊成員之間共享，避免重復(fù)地勞動；可以與各種cad 軟件和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式兼容，文件的通用性高，有利于工作人員的技術(shù)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(shè)置某些參數(shù)，在一定的條件下，將pro-e 創(chuàng)建的裝配圖或者零件圖以一定的方式導(dǎo)入進(jìn)去。為了保證這些零件在導(dǎo)入過程中的正確率，在pro-e 中造型是應(yīng)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(shù)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(qū)別。在系統(tǒng)中如果存在幾個相同的零件時，應(yīng)將他們另存為不同的名字，以示區(qū)別。創(chuàng)建裝配體，需要在proe4.0 中創(chuàng)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(biāo)示所有零件及其對應(yīng)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(zhǔn)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(jìn)行約束，放置相應(yīng)零件，并對零件之間的位置關(guān)系做出準(zhǔn)確的定位。在完成連續(xù)定義后，還可適當(dāng)增加一些約束，以便與在動畫生成設(shè)定各約束的關(guān)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(dǎo)入后，設(shè)置約束著一塊的工作量。完成的裝配圖，并將其轉(zhuǎn)化為工程圖。根據(jù)蘋果采摘機械手的工程圖，對該機械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)中，行動機構(gòu)完成整個機械手和蘋果相對位置的控制工作。當(dāng)機械手和蘋果具有正確的采摘位置時，驅(qū)動機械手向蘋果靠近，與此同時，通過拉動活塞來實現(xiàn)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(nèi)，控制機械機構(gòu)是活塞向后以將手指合攏，實現(xiàn)蘋果的抓取。

5 結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸向精準(zhǔn)化，多樣化，規(guī)模化發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)勞動力嚴(yán)重不足，隨著現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)逐漸向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域滲透，農(nóng)業(yè)技術(shù)的日趨成熟和現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人將越來越多地運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中去。

[1]郭翠珍，劉文芝，鄭洪靜.工業(yè)機器人實時動畫仿真研究與實現(xiàn)[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，02.