蔬菜嫁接机器人柔性夹持搬运机构设计与试验

针对现有蔬菜嫁接机器人单手爪夹持搬运机构作业时需要在上苗、切削和对接工位往复旋转作业,限制了机器嫁接生产效率,存在夹持伤苗、操作人员上苗等待时间过长、易疲劳等问题,设计了一种四手爪柔性夹持搬运机构,能够实现上苗、切削和对接工位同步作业,以及秧苗柔性夹持与快速搬运,有助于提高机器嫁接效率。提出了基于缓冲材料的柔性夹持手爪和夹持力调节方法,分析了不同厚度EVA缓冲材料的压缩力学特性,得到缓冲垫完全闭合夹持条件下对不同秧苗的夹持力。利用ADAMS软件建立夹持搬运机构动力学仿真模型,分析了秧苗不同夹持力与旋转位移的变化规律,得出当夹持力小于0.4N时秧苗脱离了夹持手的束缚,夹持力大于3.5N时秧苗夹持与旋转作业稳定。机构性能试验结果表明：选取白籽南瓜苗和黄瓜苗为测试对象,柔性夹持手爪平均夹苗成功率为98.5%,比弧形夹持手提高4.5个百分点,伤苗率降低3.5个百分点,柔性夹苗效果显著;该机构嫁接平均速度为1052株/h,是同类型单手爪嫁接机作业效率的1.72倍,嫁接成功率为96.67%,大幅提高了嫁接机器人生产效率,能够满足工厂化嫁接育苗生产需求。本文研究结果可为高速嫁接机器人的夹持搬运机构设计和优化提供技术参考。     

西瓜直插式嫁接砧木夹持与压苗机构设计与试验

针对西瓜直插式嫁接砧木在生长点去除前定位与处理的损伤问题,以葫芦苗为试验对象,在葫芦苗物理特性分析的基础上,设计一种砧木夹持与压苗机构。砧木夹持与压苗机构通过气囊的膨胀与收缩完成砧木苗的夹取与松开工作,解决传统夹苗机构伤苗现象;采用前后对称的双压辊式压苗机构,解决压苗过程中易造成子叶根部折断的问题。对压苗机构的运动进行静力学分析,并运用ADAMS运动学仿真软件对压苗机构进行分析,结果表明:气缸速度为40~60 mm/s时,后压辊位移曲线较平稳,无明显波动。通过对150株葫芦苗进行砧木夹持与压苗试验,验证可知夹持损伤率和压苗损伤率均为0%,砧木夹持与压苗机构结构合理。该研究可为蔬菜嫁接机的设计提供参考。     

瓜类嫁接机上苗定位夹持装置的设计

设计了一种新型嫁接机上苗定位夹持装置,可实现嫁接苗的定位、断根和夹取功能。新型上苗定位装置由滑块摇杆收拢机构和夹取断根机构两个部分构成,针对幼苗定位连杆末端需形成包络轨迹将嫁接苗包住的农艺要求,进行机构的数学建模和仿真优化,得到了最佳的结构参数。以“拿铁砧”葫芦苗为对象取苗进行试验,其定位夹持的成功率达93%以上,符合自动嫁接需求。     

葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人设计与试验

基于葫芦科营养钵苗的“贴接法”嫁接技术,设计了由穗木夹持搬运机构、穗木切削机构、砧木夹持搬运机构、砧木旋切机构、嫁接夹自动排列输送机构、嫁接钵苗自动排列摆放机构组成的葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人。通过试验得出,该机器人的理论嫁接速度可达440株/h,实际操作嫁接速度达到285株/h,嫁接成功率为92%,与同类型的双人操作营养钵苗嫁接机相比,人均作业效率提高36%。增加了嫁接钵苗的后续自动排列摆放机构,提高了嫁接生产自动化程度。     

一体式蔬菜钵苗取苗爪夹持力检测传感器设计与试验

针对入钵夹取式全自动蔬菜钵苗移栽机取苗爪体积小，夹持力检测传感器结构与安装方式干涉取苗爪正常取投动作、影响自身精度与使用寿命等问题，本文选用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)薄膜作为传感器介电层，设计了一种内置式钵苗夹持力传感器，并通过嵌入方式实现取苗爪与传感器一体化设计。建立穴孔、钵体基质、取苗爪仿真模型，应用LS-PrePost软件对取苗过程进行耦合仿真，得到取苗爪与钵体基质接触部位最大受力区域，确定了取苗爪与传感器的结构与尺寸；设计夹持力信号检测系统，将硬件电路与采集软件结合，完成电容量-电压转换、信号放大、噪声滤除，实现夹持力信号的采集、处理、显示与保存等功能。为验证传感器性能，进行传感器标定试验与室内验证试验。标定试验表明，在不同振荡频率下，夹持力传感器平均灵敏度为0.372 8 N/V,平均线性决定系数为0.989 2,精度为7.548%,量程为7 N,满足移栽过程中夹持力检测的准确度要求；室内验证试验表明，夹持力检测传感器具有良好的稳定性与适应性，可用于移栽机取苗机构夹持实时精准检测。     

植物茎秆柔性夹持装置刚柔耦合仿真与试验

针对现有植物茎秆夹持装置存在夹伤茎秆、夹持行程及夹持力不可调等问题,设计一种植物茎秆柔性夹持装置,夹持手内置弹簧可实现植物茎秆柔性夹持,能进行夹持力与夹持行程双调节,更好适应植物茎秆在力学试验、嫁接、茎秆切割试验等领域夹持需求。基于所建立夹持装置刚柔耦合仿真模型,进行夹持力、夹持行程、弹簧刚度等多因素动力学对比仿真与试验分析,以弹簧刚度为设计变量进行灵敏度及稳定性分析,研究不同弹簧刚度对柔性夹持装置夹持性能的影响。仿真与试验结果表明：装置最大夹持直径为68.8 mm,基于所构建夹持装置精准夹持力模型,可平稳调控夹持行程、速度及夹持力;随着弹簧刚度的增加,夹持力逐渐变大,夹持稳定性增加,综合比较发现当弹簧刚度为10 N/mm时,可满足装置施加400 N切割力时植物茎秆稳定夹持需求,柔性夹持力波动较小,能有效避免损伤植物茎秆。     

单人工上苗式半自动蔬菜嫁接机关键机构设计与试验

半自动嫁接机价格低、适用蔬菜种类广,但其生产能力相对低。为简化操作、提高嫁接效率,设计一种单人工补给砧木和接穗苗的贴接式半自动蔬菜嫁接机。嫁接机关键部件包括砧穗木夹持旋转机构、旋转持苗防回转机构、切削机构等;其中,旋转持苗防回转机构采用了双棘轮反向止动,实现单电机驱动双轴间歇反向旋转,保证上苗和夹持工序有序配合;确定了砧穗木上苗位、夹持、切削、嫁接工位的较优布局,可实现单人工同时上砧、穗木苗。对南瓜和丝瓜穴盘苗进行嫁接试验表明:嫁接成功率达到89%,与人工相近;嫁接效率达到846.3株/h,是人工嫁接效率的3.3倍,证明该单人工上苗操作的贴接式嫁接机满足工厂化嫁接作业要求。     

取苗机械手双气缸三位置的驱动及优化

自动移栽机取苗机械手是实现自动移栽机的关键,而取苗机械手的驱动是实现自动移栽的前提。为实现平行夹式取苗机械手的自动驱动,参考穴盘苗茎秆所能承受的夹持力,设计了基于双气缸驱动的摆臂3位置控制结构,使摆臂能在居中位置准确停止进行对穴取苗和放苗,在夹苗行程开始时运动迅速,还能在摆臂摆动到夹苗位时以适当的夹持力分别夹持对应位置的穴盘苗。通过计算分析,确定了l为130mm、h为130mm与长度为60mm的摆臂形成的Y字型结构,使平行夹在夹苗时具有不大于23N的夹持力,保障能够夹持取苗且不伤苗。     

茄果蔬菜六株同步嫁接双向夹持定位装置设计

针对茄果蔬菜多株同步嫁接装备的结构要求，在对典型茄科嫁接苗几何参数和力学参数测定的基础上，设计了一种用于六株蔬菜同步嫁接机的双向夹持定位装置。装置由横向夹指机构与纵向夹指机构组成，由气动装置驱动夹指从横、纵两个方向实现对苗株的精准夹持定位。同时，确定了苗株夹指斜面张角为40°,并根据番茄和辣椒苗径参数和临界压力试验参数，确定了番茄和辣椒苗夹指口直径。采用自行研制的2JS-6型一组六株蔬菜自动嫁接机开展了夹持定位性能试验，结果表明：番茄和辣椒苗株的夹持合格率≥96%、夹持损伤率≤3%,均满足了设计要求。由于番茄与辣椒苗株几何形态和力学特性差异，番茄苗株的夹持合格率要低于辣椒的夹持合格率，且辣椒苗株的夹持损伤率低于番茄苗株。     

瓜类砧木子叶压苗块气流场特性分析与试验

为解决现有嫁接机子叶定位机构缺乏柔性仿形设计,人工压苗容易造成叶柄劈裂或子叶破损,影响嫁接苗成活。首先测定瓜类嫁接常用砧木——白籽南瓜苗的外部形态几何参数和子叶压缩特性,子叶破裂点压力为1 616 Pa。设计一种正压气流压苗的砧木上苗定位机构,利用取点拟合法获得白籽南瓜苗子叶展开曲线轨迹方程,用于压苗块和定位块作业面的仿形设计。利用CFD构建压苗块气流场仿真模型,分析进口流速、吹气距离对子叶压苗特性的影响,以吹气孔直径A和深度B、进口流速C为影响因素,进行三因素三水平正交仿真试验,分析得出压苗块压力出口的平均压力影响显著性次序为R_A>R_C>R_B,压苗块影响因素最优组合为A_1B_2C_2。子叶压苗试验结果表明,压苗块吹气孔直径1 mm、孔深2 mm、进口流速20 m/s、吹气距离30 mm工况条件下,子叶压苗成功率为98.67%,无伤苗现象,表明砧木上苗定位机构设计可行,作业参数选择合理,压苗块和吸附块作业面仿形设计对子叶具有柔性保护作用。     

2JC-500型自动嫁接机砧木夹持机构

通过对嫁接用砧木苗尺寸参数和力学特性的测定,得出砧木苗压缩形变量的安全范围不超过30%的结论.根据砧木苗的物理参数,使用计算机仿真技术(CATIA P3V5R14软件)对2JC-500型自动嫁接机的砧木夹持和压苗片机构进行设计.夹持方式采用弹性夹持,夹口采用仿形设计、刚性加紧及可更换式,适用于不同砧木的嫁接,提高了砧木的利用率.压苗片机构与砧木夹持机构联动,张角可达40°,便于嫁接操作,压苗效果明显,使砧木苗两子叶保持平整,提高了砧木苗的打孔精度和嫁接成功率.     

油菜基质块苗移栽机取苗装置设计与试验

针对现有油菜基质块苗取苗装置在取苗过程易脱苗和基质损失率高等问题,设计了一种往复夹取式取苗装置。根据垂直苗盘取苗、平行铅垂线投苗的取苗臂位置要求,确定了取苗装置各构件尺寸关系,构建了取苗臂的运动学模型,得出其位移方程及相对运动轨迹。以减小取苗轨迹水平间距及取苗轨迹高度为优化目标,基于Matlab软件优化取苗装置各构件参数为：主动杆长度75.10mm,取苗臂长度335.26mm,从动杆长度100.42mm,机架长度171.32mm,该参数组合下,取苗轨迹水平间距为173.20mm,取苗轨迹高度为29.56mm。构建了取苗回程苗块的动力学模型,分析了苗块临界脱苗方程,结合苗块力学特性参数测定试验,得出最小取苗夹持力为7.07N,确定了末端执行器气缸缸径为20mm。应用ADAMS软件获得仿真取苗轨迹,运用高速摄影技术测定实际取苗轨迹高度和取苗轨迹水平间距,经对比分析,实际值与理论值、仿真值的相对误差均小于3%,验证了取苗装置设计的合理性。台架试验表明,取苗成功率为93.33%,脱苗率为2.86%,基质损失率为3.75%,满足油菜基质块苗移栽要求。     

烤烟烟苗物理特性与自动取苗方案分析

通过对不同品种的烤烟钵苗的断裂拉力和拔苗拉力进行了试验研究,结果表明烤烟钵苗从钵盘中拔出的拉力远小于烤烟钵苗在移栽期的断裂拉力,得出机械拔苗的可能性,并论述了烤烟钵苗机械手夹苗取苗、夹土取苗和自动排苗三种不同方案的特点,分析表明,机械手夹苗方案难以正确定位不易采用;机械手夹土取苗方案夹持机构结构简单,工作可靠可实现机械化取苗;自动排苗方案结构紧凑,一体化程度高,但自动排苗系统结构复杂,成本高.     

2ZSJ-4型挠性圆盘高速移栽机力学特性试验

根据挠性圆盘高速移栽机工作原理,选用西兰花、白菜花、辣椒3种蔬菜钵苗为试验对象,针对成排顶苗、垂直基质块夹持输送、圆盘茎秆夹持输送环节设计了力学特性试验,为顶苗杆顶出力、纵向输送带安装间距、栽植圆盘安装参数提供设计依据。采用质构仪分别进行钵体顶苗力试验、钵体柔性压缩试验、茎秆压缩特性试验,结果表明,西兰花、白菜花、辣椒的平均顶出力分别为10.8、13.57、9.97 N,取最大值13.57 N作为设计依据,每排顶出10棵苗,综合考虑导轨摩擦力等影响,选择顶出力约196 N的气缸规格。当夹板间距20 mm时,西兰花、白菜花、辣椒钵体基质平均损失率分别为6.13%、6.39%、11.82%,对栽后钵苗生长影响较小,确定输送带硬橡胶层间距为20 mm。西兰花、白菜花、辣椒钵苗茎秆U段的屈服强度分别为0.933、0.931、0.928 MPa,选取最小值0.928 MPa作为设计依据,以保证对不同钵苗茎秆都能适应。      

整排穴盘苗移栽机取送苗装置的设计与研究

针对目前新疆半自动移栽效率低、取苗机构轨迹复杂及取苗机构与苗盘运动协调困难等问题,设计了整排夹持式辣椒穴盘苗移栽机取送苗装置;阐述了取送苗装置整体工作原理及工作过程,并对其整体结构及整排夹持部件进行了设计。工作时,步进电机驱动送苗机构完成整排取苗手从取苗位置到放苗位置的往复运动,由接近开关对各关键位置进行标定,气缸驱动整排取苗手完成取放苗动作。在ADAMS中建立取送苗平台仿真模型,分析了不同运动规律下的定位精度,并构建电气控制系统,以PLC为核心,设计触控屏界面,完成控制系统搭建与调试。     

蔬菜嫁接机秧苗夹持机构的设计与试验

针对以育苗穴盘为单元进行每行六株秧苗自动嫁接作业中夹持定位精确率差、损伤率高等问题,设计了用于自动嫁接装备的秧苗夹持机构。该机构主要由整行秧苗纵向夹紧装置和单株秧苗横向夹持定位装置组成,因而分别设计了两部件的结构方案并确定了结构参数,可实现对穴盘内每行六株嫁接秧苗准确定位夹持,为精确秧苗切削和嫁接提供准备。以茄子、番茄、辣椒3种典型茄科蔬菜为对象进行了夹持试验,结果表明:茄子、番茄和辣椒的平均夹持损伤率分别为2.5%、3.3%、1.5%,平均夹持合格率分别为97.6%、96.5%、99.0%,测试指标均达到了设计要求。     

嫁接用穴盘砧木苗预切装置试验研究

针对嫁接用砧木冠幅影响嫁接生产率的问题,提出通过砧木苗预切进一步提高生产率,设计了一种嫁接用穴盘砧木苗预切装置,实现对砧木冠幅流水线式整盘快速预切。进行输送带速度与切刀速度匹配试验,确定输送带速度为60m/h。进行砧木苗冠幅切削的切下物运动轨迹特性试验,结果表明:滾板线速度范围在80～95m/h内时,可获得较理想的切削成功率和推苗成功率,成功率均达95%以上;在对标准72穴穴盘砧木苗进行预切时,整机生产率约为111盘/h。     

自动取苗末端执行器的设计

蔬菜嫁接栽培是克服连茬病害和低温障碍的有效途径。为了实现瓜科嫁接供苗工序的自动化,根据穴盘和嫁接用苗的实际尺寸,设计了一种自动取苗末端执行器,并介绍了其工作原理,阐述了各部分的组成及各部分部件的设计方案。该方案采用气动方式驱动气缸运动到穴盘的穴孔中心位置,通过电机运动带动曲柄滑块机构运动,实现拢苗定位手指的闭合,完成嫁接用苗的拢苗、定位和剪切作业。     

辣椒穴盘苗茎秆力学特性试验与仿真研究

针对夹茎式取苗过程中移栽机构造成穴盘苗漏苗、伤苗等问题,通过对适栽期的辣椒穴盘苗形态特征参数进行测量,对穴盘苗茎秆进行拉伸、弯曲及压缩特性试验以及穴盘苗脱盘夹取力试验,获得穴盘苗茎秆在外力作用下的力学特性参数与形变规律.试验结果表明:辣椒穴盘苗茎秆的抗拉断力的范围为3.69～9.95 N,弯曲应力的范围为0.77～6....     

穴盘苗自动移栽机苗钵夹持力检测系统设计与试验

针对夹持力可调式穴盘苗自动移栽机取苗爪安装空间狭小、检测装备布置不当易伤苗或回带钵苗基质等问题,基于聚偏氟二乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)压电薄膜与软硬件融合信号调理技术,提出了一种穴盘苗自动移栽机苗钵夹持力检测系统,该系统由PVDF压电薄膜、信号调理电路、无线通信模块、信号采集软件系统组成。通过PVDF压电薄膜实时监测取苗爪对苗钵夹持力的变化情况,利用压电效应将夹持力转换为电荷量;通过信号调理电路,完成电荷-电压信号转换、信号放大、工频信号消除,以及削弱地面激励与自动移栽机工作产生的振动噪声;通过无线通信模块将硬件调理后的夹持力信号发送至基于Lab VIEW的信号采集软件系统,并采用卡尔曼滤波器滤除残余的振动噪声,最终实现苗钵夹持力的精确测量、显示、存储、报警等功能,达到减少苗钵损伤率、提高移栽成功率的目的。标定试验结果表明,夹持力检测传感器的平均线性决定系数为0. 991 4,平均灵敏度为1. 002 7,精度为6. 024%,满足移栽作业过程中夹持力测量准确性的要求;室内试验结果表明,苗钵夹持力检测系统具有较好的稳定性和一致性,适用于自动移栽取、投苗过程中苗钵夹持力的精准监测。