衢州职业技术学院 浙江衢州 324000
摘要：水果采摘机器人在我国起步晚、发展缓慢，没有系统的方法用以设计采摘机械手，本文根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配。
关键词：柑橘采摘机械手；内嵌式关节；机械设计
1.引言
近年来，随着全球经济的发展，果蔬供应需求日益增大。作为一个多类型果蔬生产的大国，果蔬的生产对全国的农业乃至国家的经济发展有着不过或缺的重要作用。为了适应时代的需求，在国家的鼓励号召下，全国大部分的果蔬生产已经成功进行了转型，由原来的小型散户种植变成了更加科学化，规模化，可控化的果蔬种植园，而全国果蔬的生产总量也得到了量和质的突破。可是相对经营方式的成功转型，在果蔬生产活动中，几乎占整个生产活动工作量的80%消耗于水果采摘过程，在很大程度的扼制着全国果蔬经济的发展。大量人力资源的投入不仅生产率没得到保障，就连生产质量也是不尽人意，而且艰苦的工作条件常使采摘人员工作中图中发生意外，导致人员受伤。为了提高果蔬采摘的效率，解放劳动力，保证水果采摘的质量，设计一款轻巧，灵便，满足工作条件的水果采摘机械手变得迫切且意义重大。
2.机械手设计
机械手是人们为了完成某些特定的生产活动，通过观察人类手臂的移动和手掌的抓举仿生设计出来的可控的机械系统，其一般包括由实现灵活移动的移动机构（手臂）和实现最终生产活动的执行末端（手掌）组成。机械手的灵活程度在很大程度上取决于机械手的自由度数和控制系统。自由度越多的机械手一般运动起来更加的灵活，人类的整个手部就是一个具有二十多个自由度的精巧结构。不过自由度越多，机械手控制起来就会变得越复杂，而人类之所以能够灵活的使用自己的手，是因为有上亿神经系统的精密控制。所以在设计机械手时，合理的选择机械手的自由度和完善控制系将决定它最终的成败。
2.1柑橘采摘机械手的系统构成
为了实现柑橘果实采摘活动，并在满足工作条件的情况下有尽可能大的工作空间，机械手必须满足俯仰，旋转等运动，所以机械手必须是多自由度的。图1为其简易结构示意图。
图1结构示意图
在图2-1中，1是控制计算机；2是底座；3是腰部；4是大臂；5是小臂。在采摘过程中，机械手在伺服电机的带动下，通过腰部的旋转，大小臂的俯仰将机械手的末端定位到所需要采摘的柑橘位置，然后通过末端的执行机构实现果实的采摘。
2.2 柑橘采摘机械手的材料选定
在柑橘采摘的整个生产活动中，由于机械臂并不需要受很大的力，为了更好的适应复杂的果园环境整体机构尽量灵巧轻便，另外考虑到制造的成本问题，综上几点，选择密度相对较低，但强度较高的铝合金为制造机械手的材料。以下是几种型号铝合金的性能参数表1。
表1 铝合金性能参数表
为了满足机械臂对强度的要求以及尽可能的是机械手轻巧，优先选牌号为6061的铝合金作为机械手的材料。
2.3 基于果园环境的机械手CAD模拟
模拟原则：假设机械手是安装在履带式的行走机构上，在采摘过程中，当行走机构带着机械手靠近果树边沿时，要使机械手能成功采摘到果树上的所有成熟果实，在腰部旋转机构固定时，必须使其工作空间能够覆盖其半剖面，如图2。
2.4 机械手关节处伺服电机
设计一种将伺服电机内嵌于关节内部的机械手，不仅可以大幅减小机械手的体积使机械手整体看起来更加小巧精简，而且可以避免外悬的伺服电机在机械手采摘过程中与果树枝丫发生不必要的碰撞，即保护了伺服电机，又保证了机械手水果采摘的顺利进行。综上考虑，本次设计着重点再设计一种结构对称且伺服电机内嵌式的关节在机械手，如图3。
2.5电机的选定
大小臂连接处伺服电机2的选择：在机械手进行柑橘采摘过程中，为了使小臂能实现自由俯仰，电机2必须克服小臂本身以及执行末端对该关节处的转矩进行做功。
经计算，为了满足连接点所需的转矩以及实现机械手内嵌式关节的设计构思，需要选择一款转矩大于或等于5.45 
且外形较规则，尺寸较小的伺服电机。不过传统的伺服电机普遍转矩都较小，一般都需要配合一定的减速增力装置才能达到力矩要求，而且考虑到传统伺服电机的外形尺寸都比较大且不规则，又比较笨重等，所以传统的伺服电机显然不是用于内嵌式关节水果采摘驱动的最佳选择。而相对传统的伺服电机，完美的将伺服电机和减速器结合到一起的舵机不仅转矩相对较大，而且体积，质量远小于传统的伺服电机，是内嵌式关节机械手的最佳选择。再加上考虑到机械手机构的对称性设计，最终选择舵机2的具体参数具体如图4：
图4 舵机2
大臂底座连接处电机1的选择：相对于电机2只需要克服小臂及执行末端在关节2处的力矩外，位电机1不仅需要克服大臂在关节1处的力矩，而且还要克服连接大臂的小臂以及执行末端对关节1的力矩。具体尺寸图如5：
图5 舵机1
旋转底部电机3的选择:由于电机3的主要作用是为了扩大机械手的工作空间，安装在机械手底部带动机械手旋转，使工作空间其由二维的区域面扩大为三维的立体空间。所以在运行过程中，除了克服底部旋转机构零件之间的摩擦和外部环境对机械手的一些不定性阻力外，电机3并不需要受太大的力，所以电机对于力矩并没有太大的要求。而且由于电机3不像关节处电机需要考虑机构的对称性，所以不需要虚轴。综上选择电机3的具体参数如图6:
图6 舵机3
2.6机械臂尺寸的设计
根据机械手的结构简图，设计优化机械手的大臂，小臂，底座等各个零件的尺寸参数，然后绘出零件图7。
3.结束语
本次设计以设计果园种植柑橘所需的采摘机械手为目的，经过了解一般机械手系统的组成，机械手驱动的合理选择，以及对市面上一些常见机械手外形结构的比对。然后根据现实中柑橘树的冠，茎等树体特征，先对机械手大小臂的长度尺寸进行了确定。再以实现机械手驱动伺服电机的内嵌式设计，根据所选驱动舵机的外形尺寸，着重对机械手的各个关节，底部旋转结构处做了具体的结构设计。
参考文献
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基金资助：浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（2018R475001）.
论文作者:祝怀志,沈璐鹏,叶国江
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/17
标签：机械手论文; 关节论文; 柑橘论文; 伺服电机论文; 小臂论文; 电机论文; 舵机论文; 《基层建设》2018年第27期论文;