2020年（第十届）全国大学生机械产品数字化设计大赛
赛题解读


机械手爪

Q：有关于卡爪，现在用的是什么样的卡爪？然后想要在现在的基础上解决一个什么样的问题？

A：严格讲叫机器手爪，机器手爪主要解决什么问题呢？就是和人手的功能基本类似。人的手是干什么的？一个是要抓取，一个是要握持。用机械手爪来模仿人手的功能。简单说，一个要把一个物品或者一个物体抓住。另一个是握持，要牢固的牢靠的把物品握在手中，保持一段时间，这就是人手的两个主要功能。

设计机械手爪，当然人手还有其他的功能，就不是在生产线或者家庭的考虑的。现在考虑它这两个功能，一个是抓取，一个是握持。1号通知也说到了，目前的机器人设计，比较多的是考虑手臂。现在通用的机器人，常见的机器人产品，主要是6个自由度的，当然多个自由度的都有，6个自由度以下的也有。典型的是6个自由度的机器手，或者叫机器人，它的多关节的联动，这是考虑的主要问题。多关节联动形成一个运动空间，之后到需要到的各个地点，这是机器手的主要功能。但是在这种机器手的设计当中，我们通常讲第7轴，所谓第7轴的就是第6轴以外的轴，或者讲机械手爪设计，目前有一个难点，应用是一个难点。那么，解决末端夹持，现在成本比较高，而且比较复杂，它的成本占到了机器人整个成本的4成，这是目前解决机器手爪的一个主要问题。

原来比较多的是运动，像原来也设计过类似的东西，比如家庭用的、运动场上用的、生产线上用点，可能比较多的是运动的考虑。这一次就索性把关注点就集中在手掌上面。所以这次提出来各种各样的手爪，意义就是要让设计的同学去理解。因为整个机器人也好，或者是工业机器人也好，它的关键是一个运动加上抓住，要把它夹持住，有了这个功能之后，再配合各种运动，这样就和人手的功能是一样的，所以要把它作为一个整体来考虑。在这一次题目里，不是简单的一个技术在这里动或者不动，就只抓。还要配合这些运动，所以这次设计的时候，在功能设计，要把手爪融入到这个机器手臂里头，移动到一个地方，再把它一抓，再握持住，或者在还有新的移动的要求，那么一连贯的也就意味着手爪不是一个孤立的设计，要和手臂要联合起来，形成一个整体。只不过手臂可以采取标准的，按照现在的这种标准的，不管是哪个厂家的都可以，之后把手爪加上去。


Q：现在是我们业界的手爪，它的设计，在您看来它有存在什么样的瓶颈，使得它成本那么高吗？

A：其实手爪的设计，可能在各个行业里头也有一定的规范的，也有章可循的，有些行业，比方说生产线上面抓哪一类的东西，都有典型的一些结构。设计一般来讲是针对物品和工件的特殊性。跟手臂不一样，手臂在运动到这个点就行，但是要根据工件，工件是千千万万的千奇百怪的，它的形态也不一样，材质也不一样，工作要求也不一样。这一点做手臂的设计不用管，反正运动到这地方来了，来了之后到了工作点，就要让手爪的和工件要能够去抓，抓了之后要握持，比方在旋转的提升，或者在还有一些其他的运动，之后把它放到合适的地方。

成本高是由于它的定制化，所以造成它成本高，是一个单独的设计，所以这个有一定的参考，一个参考是可以看现行的。再一个也有相应的设计资料。特别是我们学生设计的时候，可以第一步从这里走，但现在工业界就没有专门为这一个对象去设计什么样的，但这个对象又很奇特的。这样的话就要专门根据对象，特别是根据一些要求，所以我建议是对象的选择和对对象的要求应该是不要太简单太单一。往往是形状也复杂，或者要求也复杂，这样的话设计出来，结合对象设计出来的。这样的话就比较好。看一个作品它最后能不能创新，也就是看能不能做一些通常比较难实现的一些动作。所以指导老师也好，学生也好，应该从这个方面着手。就要在工件的特殊性上面，或者是物品的特殊性上面，要下点功夫。

Q：如果你能研发出一个手爪，它能够适应不同形状的物体，这样子应该会对将来的应用会有很大的优势。

A：这个也很重要。比方说过去早年麦当劳、肯德基这一类餐厅里头的机器手爪的设计，这可能就针对装饮料的杯子，可以看成是一个有一定锥度的椎体杯子和一个盒子。就是买了之后，拿着就能走，或者递给他手上。这个盒子是一个方形的，这个杯子又是一个圆锥体的，而且它都是纸盒子，力量一大就把容易捏破。方方面面都要有考虑的。不能拿杯子是一个手爪，这个方盒子右手的尺寸大了又不行，尺寸小了又换一个。所以但凡是这样的，设计出来的东西就太单一了。最好是根据一个工作场景。需要什么，一个需要，本身零部件形状很怪。再一个，比如说餐厅的这种，先把先决条件一一罗列，之后再来看这个手爪怎么设计，这可能是比较好的。

这几个方面也请大家注意一下。一个就是在生产线上面。生产线用的零部件抓取，生产线可能不局限于机械产品，对象不局限于机械产品。提这个问题的时候，也考虑了现在很多电子产品，轻工产品、食品，这都是生产线。比方说康师傅生产线，跟机床厂的生产线，还有电子产品组装的这些生产线不一样的，各种各样的生产线都需要有这种机械手爪。另外一大类，就是办公的和家庭的。这就提到几个问题，一个是办公，一个是家庭。考虑易睡易损，液体容器。家庭里有些东西，特别是还有老人、小孩，他们接触的又可能是易碎的东西，比方说为老人服务，去给他拿一个温度计，拿一支笔，而且最好设计的机械手爪，不单单是拿温度计拿笔，还是拿别的，所以要多用途，当然也不能一下子要求这个产品做到真的像人手要什么都拿。

你拿苹果也是一个。所以在家庭里易碎易损这一类东西要考虑材料要复合型的。运动部分可能是固体，甚至钢铁材料都可以。前面抓的部分是不是要考虑有软材料，来符合一下。如果整个是钢铁材料，一个就是摩擦系数的问题。再一个抓了之后，还希望有一定的力上去了之后，前面的软材料稍微变一点形，这个跟人手一样，人手是个柔软的手其实抓一个东西用了力之后，手指是在变形的，如果手像一个钢铁的手的话，抓东西不见得抓得好，所以在材料选择上面，大家都要有注意。

义肢

义肢现在已经都公司化的生产，也前期做了很多工作。提到这些问题，主要是想通过这一次设计，大家在力量上，握力，能不能提高？那么义肢这几个手怎么合拢张开，之后，合拢张开的机制是什么？可能这里以提高手的握力为一个目标，把合拢张开的机制搞清楚，设计者一定是要深入到这个问题，要体会这些，主要是手指有残缺的儿童，在使用义肢的时候，是通过一个什么关节，我们可能有不同的关节，一个伸展或者弯曲的运动都可以使整个手掌这5个指能够弯曲伸开。这是一个什么机制？怎么样使力量握力更大？所以这个题目是可能关键要做这一点。另外就是柔性机器手，柔性机器手现在很多学校也有在科研方面研究方面做柔性手爪。柔性手爪的特点就是能够抓取一些形状比较特殊的，比方水果、鸡蛋又易碎的、易变形的一些物品，或者是工业上很多其他的应用。柔性手指要求是能够完成运动，要考虑它的变形是个什么样的机制。材料也可以是柔性材料组成，也可以是柔性的和硬性材料组合。可能大家要看一些资料。把柔性手爪然后研究透了。

登月

最后一个就是登月。登月有些动作、运动跟在地球环境下面是差不多的，关键是配合这个项目要去了解登月项目里有哪些工作对象？有哪些运动需求？在月球环境下面去做，这些需求是什么？原来月球车的，没有太考虑月球环境。其实月球车基本上是按地球环境设计的，它怎么展开怎么运动，什么那些环境其实没有太考虑，但是要把它干什么？要达到一个什么效果？登月活动怎么配合？我觉得现在本科生能够做到的可能是把先搞清楚，之后有些复杂的地形地貌或者是他要能够自动的寻址自动的去定位。毕竟是设计是可以参考一下的，在月球环境上面，手爪抓东西的困难在哪里。通过一些调研查阅资料了解一下，登月之后，要干什？，仿造地球环境，看看能够协助做哪些事？先把仿照地球环境这个事情先做到，做到了之后再来研究环境问题，和其他的一些特殊要求。

作品提交要求

模型文件的提交要注意完整性，要求在Inventor中可以打开，而且没有缺失文件的情况，要求要保留Inventor建模的历史信息，评委会从草图和特征的运用规范性，零件和装配文件的关联性和层级是否合适，是否有考虑材料，受力分析，动力学仿真，机械美学等多方面进行综合考察。

设计说明书，要求图文并茂，设计思路清晰，设计风格严谨，鼓励设计计算与软件CAE共同辅助校验产品，评委会从可行性，经济性，创新性，设计合理性和美观性这几个方面进行综合考察。

视频文件要求能在尽量短的时间内展示作品的设计背景和设计创新性及清晰的展示产品在实际使用场景的工作状态，同时也能更好的解析设计细节。