簇生番茄果梗超声切割过程仿真与试验

为揭示超声技术应用于簇生番茄切割采收的机理及优势,比较了簇生番茄果梗材料在常规切割和超声切割中的切割力和去除特性。首先测定了簇生番茄果梗和自制超声切割刀的参数,然后基于Abaqus进行仿真,将果梗纤维化,在宏观和微观仿真中对比常规切割和超声切割过程中的应力及去除机理。最后,自制试验台,通过改变超声切割刀的激振频率、输入电压、切割速度和切割角度进行切割力测定试验并采用响应面法的Box-Behnken进行四因素三水平分析,随后观察果梗断面形貌。结果表明：在自制超声刀工作频率(35～37 kHz)和电压(340～380 V)内,切割速度、角度对切割效果影响最显著,激振频率和输入电压在特定值附近时切割效果最好;在36 kHz、360 V、0.125 cm/s、0°的条件下,仿真中超声切割耗时约为8 s,平均最大切割力为0.635 N,相对于常规切割(1.019 N)降低37.7%;试验中超声切割耗时约为5.3 s,所需切割力最大为0.543 N,相较于常规最大切割力(1.017 N)降低46.6%,同时表面粗糙度降低20.9%,试验与有限元仿真的切割力结果误差为8.9%,基本吻合。超声切割可以...     

番茄果实串采摘末端执行器设计与运动仿真

为解决单果采摘效率低、果实易损伤等问题,设计了用于番茄果实串采摘的具有夹持与切割功能的末端执行器系统。夹持系统采用平行夹爪气缸结构,切割机构采用钢丝软轴带动圆形锯片的切割方式,并对末端执行器进行了静力学和运动学的分析与仿真。试验结果表明:末端执行器采摘时,夹持果梗动作需要0.5s,切割果梗动作约需7s,切割机构回到初始位置需5.5s,完成番茄果实串采摘动作共需13s,夹持机构行程12mm,切割机构行程40mm,末端执行器能够符合番茄果实串采摘要求。     

白芦笋选择性收获机末端执行器作业分析与试验

为实现白芦笋高效、低损伤采收,设计了一种适用于白芦笋选择性收获机的末端执行器,并推导出一种驱动力的计算方法。为驱动末端执行器完成入土、剪切、夹持、拔取等动作,需对其入土驱动力、剪切力以及夹持力等控制参数给出定量描述。首先,针对入土驱动力问题,利用DEM仿真建立末端执行器-土壤离散元模型,研究末端执行器与土壤作用过程,分析末端执行器入土驱动力;其次,从切割白芦笋和土壤两方面分析末端执行器的剪切力,利用万能试验机与DEM仿真建立白芦笋-末端执行器-土壤的互作用模型,借助万能试验机模拟末端执行器的刀片切割白芦笋过程,确定白芦笋剪切强度,结合从DEM仿真角度测得末端执行器刀片切割土壤所需的剪切力,确定末端执行器剪切力参数范围;再次,通过万能试验机模拟末端执行器夹持白芦笋过程,确定白芦笋抗压强度,结合从DEM仿真角度分析末端执行器在土壤中完成夹持动作所需的夹持力,确定末端执行器夹持力参数范围。最终,确定末端执行器入土驱动力FRT195 N、剪切力FJQ1.8 N、夹持力FJC13 N的参数范围。根据确定的末端执行器的参数范围,选取几组参数组合进行田间采收试验,试验结果表明:在入土驱动力200 N、剪切力2 N、夹持力11 N的参数组合下,白芦笋的采收率大于99%,损伤率小于3%,损伤率的数值在可接受范围内,符合白芦笋低损伤采收的要求,为白芦笋选择性收获机实现选择性、低损伤采收提供了一定的理论支持。     

番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计

设计的基于多传感器信息融合和开放式控制的智能型番茄采摘机器人末端执行器,其硬件主要包括执行系统、感知系统、控制系统和供电系统,执行系统中真空吸盘装置使果实从果束中分离,手指夹持机构对番茄可靠抓持,果梗切断装置利用激光对果梗进行切断.该末端执行器设计质量为1.2 kg,完成一次采摘动作只需3 s.只需更换联接板,即可与其他机械手顺利联接.     

大容差高效草莓采摘末端执行器设计与试验

针对目前草莓果实视觉识别中的定位重叠和被遮挡果实的算法复杂、耗时长,末端执行器对定位精度要求高且无法采摘重叠果实和被遮挡果实等问题,设计了一次可采摘多粒果实的大容差末端执行器。该末端执行器采用从下向上拢起果实、在避开障碍后再进行夹持和切割果梗的采摘方式,主要由机械爪拢夹切断机构和垄壁仿形机构组成。将末端执行器安装在采摘机械臂上进行了果实采摘试验。试验结果表明：该末端执行器在定位误差±7mm范围内都能完成采摘,容差范围大;无需进行重叠成熟果实的分割和目标果梗位置的计算,可一次采摘3粒重叠成熟草莓;对含1、2、3粒果实的果实域,采摘一次平均耗时分别为2.00、2.13、2.28s,采摘成功率不低于97.7%。     

红花采收机双动对切式末端执行器设计与试验

针对红花采收机械存在的花丝破碎率高,采收效果差的问题,基于低速对切与分段切割的设计思想,研究设计了一种红花采收机双动对切式末端执行器,利用双动刀和多工作段凸轮实现低速夹持切割与分段作业。构建刀具-花丝切割力学模型,对切割过程进行理论分析,确定影响末端执行器性能的关键因素为：切刀进给速度、刃口倾斜角和切刀刃面倾角;并以凸轮转速（切刀进给速度）、刃口倾斜角和切刀刃面倾角为试验因素,以花丝采净率与花丝破碎率为评价指标,进行了三因素五水平二次正交旋转组合试验,得到试验因素与评价指标间的数学模型,对回归模型进行多目标优化,确定最佳参数组合为：凸轮转速27.9r/min、刃口倾斜角16.1°、切刀刃面倾角19.7°,对应花丝采净率为91.78%,花丝破碎率为5.32%。在最佳参数组合下进行田间验证试验,结果表明,花丝采净率为91.25%,破碎率为5.57%,与优化结果误差不超过5%,表明所设计末端执行器能实现花丝的低破碎率采收。     

果蔬采摘机器人末端执行器研究进展与分析

农业机器人是未来智能农业机械的发展方向之一.末端执行器的工作直接关系到采摘机器人整个采摘作业能否准确、高效.分类综述了果蔬采摘机器人末端执行器的特点和国内外研究现状,介绍了几种典型的果蔬采摘机器人末端执行器的研究成果.分析了影响果蔬采摘机器人末端执行器实用化的因素:采摘准确率、采摘速度、工作环境适应性和通用性等.指出了研究开发末端执行器的方向与关键技术.     

剪切夹持一体化水果采摘末端执行器的设计与分析

【目的】推进水果采摘机械化,同时减少机械采摘中水果的损耗。【方法】本研究设计了一种剪切夹持一体化的通用采摘末端执行器,该执行器采用直流减速电机推拉螺杆套接的法兰盘来改变连杆与导轨滑块间的角度,从而带动移动刀台的往复运动,实现剪切夹持与松开的动作;刀片下端配备硅胶材质的柔性夹持体,可以在剪切力增大时夹紧果梗,便于剪断;同时使用SolidWorks软件对该执行器进行了动力学分析。【结果】电机转矩与刀尖剪切力在连杆与导轨夹角最大处的比例系数为3.697,结合选定的电机型号,该末端执行器的剪切力大于小型水果的果梗剪切强度,满足一般水果的采摘要求。【结论】该末端执行器通过改变微动开关的位置及刀片夹持体的相对位置可适用于不同类型的水果剪切果梗采摘,具有轻便、操作简单、适用性强等优点。     

果实采摘中果梗激光切割分析与实验

为探讨机器人果实采摘中应用激光进行果梗切断的可行性,以黄瓜果梗为对象,利用基于30 W光纤耦合半导体激光器构建的果梗切割实验平台,分别进行了激光穿透时间与果梗直径、激光束功率、离焦量、入射角的关系实验和果梗激光切割速度实验。实验发现,激光焦斑热功率密度0.75 W/mm2即可实现果梗的穿透和切割,且对果梗直径变化、焦斑定位与入射角度误差具有良好的适应性。但半导体激光器在垂直照射、零离焦量、光输出功率14.94 W条件下的最短切割时间达到23.73~28.13 s,应通过选择更高光束质量的光纤激光器等实现快速气化切割以满足实际作业的需要。     

川麦冬往复切割式剪果装置设计与仿真试验

麦冬为我国大宗中药材品种,道地产区为四川和浙江,地下部分的块根为入药部位。本文针对麦冬块根采后人工脱果劳动强度大,缺乏成熟机械化脱果装置等问题,设计了一款川麦冬剪果装置。该装置采用两组阶梯式的往复切割器、输送夹持带、限果导须板和机架结构。结合麦冬剪果农艺要求和植株物理参数测量计算,确定了整体结构尺寸、限果导须板间隙、输送速度、切割间距、往复行程等参数。基于ADAMS软件对麦冬与脱果刀具之间进行了刚柔耦合仿真分析,以刀刃与麦冬植株接触力大于峰值切割力为条件,模拟切割效果;利用ADAMS/view中Flex模块对麦冬植株进行柔性化处理,分析在接触碰撞过程中两者接触力与麦冬植株形变的变化规律。选取切割速度、切割倾角、刀具构型三因素进行三水平正交试验,结果表明,影响切断的因素主次顺序为切割倾角、切割速度、刀具构型;切割速度与刀刃类型呈显著相关关系;当进行高速切割时,直齿型刀具所产生的峰值切割力大于其他两种刀具构型。综合考虑切割稳定可靠性、切割力和刀具构型最简化原则,得到优化工作参数为：切割速度0.41m/s、切割倾角0.3°、刀具构型为三角光刃型。经仿真验证,该装置结构参数合理,满足麦冬脱果技术要求,可为麦冬脱果机械装置的优化设计提供理论和试验依据。     

自走式油菜薹收获机设计与试验

针对现有油菜薹收获机械匮乏,人工采摘效率低、成本高等问题,结合油菜薹生物学特性与农艺要求,研制了一种自走式油菜薹收获机,可实现自走、自动升降、茎叶统收,一次性完成油菜薹切割、输送与收集等工序。基于动力学与运动学分析了油菜薹收获切割、输送及收集过程,得出了影响收获效率的主要因素,开展了切割装置、拨禾装置、输送装置、割台双升降系统的设计与参数分析。以前进速度、切割线速度、输送带线速度及拨禾轮转速为因素,油菜薹收获漏割率、输送失败率及茎叶破损率为评价指标,开展了二次回归正交旋转台架试验,应用综合评分法确定了最优作业参数组合为：前进速度0.56 m/s、切割线速度0.50 m/s、输送带线速度0.79 m/s、拨禾轮转速49.70 r/min,在最优参数组合下,油菜薹收获效果较优。田间试验结果表明收获机作业后割茬整齐,在最佳参数组合下,漏割率为4.28%,输送失败率为3.42%,茎叶破损率为6.39%,可满足油菜薹实际生产需求。     

机器人采摘葡萄果穗振动仿真与试验

针对机器人摘取及移送过程中导致的果穗振动与果粒脱落问题,提出了一种面向穗轴激励输入的果穗振动仿真模型。以葡萄为研究对象,在果穗"梗-果"结构特性基础上,提出了"挠性杆-铰链-刚性杆-质量球"复合果穗模型,并由试验确定了模型中各级梗间铰链弹性系数与阻尼系数、果粒尺寸与质量的正态分布规律,获得了主穗轴的抗弯特性。进而利用激光3D扫描重构得到梗系统,根据试验结果分别进行刚性、挠性杆件定义和果粒与梗间铰链的添加,构建得到果穗振动仿真模型。通过仿真精度验证试验发现,在激励作用的加速、匀速和减速阶段,经正态分布统计仿真与实测中果穗的各果粒摆角均值与标准差相差均在2%和6.6%以内,表明不同阶段其精度均良好。最终利用该模型分析了不同激励方式及不同采摘阶段对果穗振动的影响。果穗振动仿真模型的建立,为实现各类果穗的机器人"减振低脱"采摘提供了有力的分析工具。     

单偏心式油橄榄振动采收机仿真优化与试验

为提高油橄榄的振动收获效率，针对油橄榄密植果园的种植环境，设计一种单偏心块悬挂式油橄榄采收机。通过对果实进行受力分析得到果实脱落加速度可简化为果实果柄结合力与果实质量的比值，测量得到脱落加速度的90%分位数为1 113.35 m/s²。通过正交试验仿真研究果树树形参数(主干直径、主干高度、主枝夹角)和激振参数(激振频率、激振力)之间关系，并对仿真与试验相关性进行分析，表明仿真与试验的平均相关系数为0.73,平均相对误差为26.5%,主干直径和主干高度对激振参数有显著影响。使用采收样机对油橄榄(莱星)进行了试验，结果表明：夹持点振幅与激振频率呈正相关关系；果树侧枝3个监测点的共振频率为22.5 Hz,与响应面试验结果的21.8 Hz相近；油橄榄树的平均采净率约为91.22%,且无果实损伤。     

基于滑觉检测的农业机器人果蔬柔性抓取控制研究

果蔬采摘是水果蔬菜生产种植中最繁琐、最耗时间、最费精力的部分之一,直接影响果蔬日后的价值和销售。随着经济的快速发展、外出务工人员增多及农业劳动力减少,劳动力在果蔬种植成本所占比例越来越大。实现果蔬自动化采摘是降低成本、释放农业劳动力的重要举措。20世纪80年代,美国成功生产了世界上第1台西红柿采摘机器人。近年来,随着信息技术和自动化技术的高速发展,农业采摘机器人的研究和开发取得了很大进步,但对果蔬柔性抓取的研究进展较慢。为此,基于滑觉传感检测技术与果蔬损伤机理,以农业机器人采摘控制系统为研究平台,运用离散小波变换算法,从传感器和抓取力控制着手,深入研究和设计了农业机器人柔性无损采摘控制系统。试验表明:系统运行稳定,可靠性强,对实现果蔬柔性采摘具有十分重要的应用意义。     

龙门式电驱动油菜薹收获机设计与试验

针对油菜薹机械化收获装备匮乏的问题,设计了一种龙门式电驱动油菜薹收获机,实现油菜薹切割、夹抛、输送、收集、跨厢面遥控自走功能。阐述了收获机整机设计方案,设计了立式回转夹抛切割装置,确定了分禾器、割刀和夹抛辊结构参数;通过割台夹抛过程力学与运动学分析,明确了油菜薹切割、夹抛输送作业影响因素,确定了割刀、夹抛辊结构和运动学要求;搭建油菜薹收获试验台,以切割效果、输送效果为评价指标开展单因素试验和正交试验,结果表明当割刀转速为234r/min、夹抛辊转速为120r/min、喂入速度（机具前进速度）为0.56m/s时综合收获效果最佳。田间收获验证试验表明,设计的收获机作业效率可达到0.41hm2/h,综合切割效果为95.6%,综合输送效果为95.2%,满足油菜薹收获要求。该研究可为油菜薹机械化收获装备的结构设计优化提供参考。     

选择性收获机器人技术研究进展与分析

鲜食果蔬成熟度不一致,需依据着色、尺寸等指标有选择地收获,是人工消耗最大、影响产业发展的瓶颈环节。选择性收获技术是农业机器人的重要研究领域,能降低人工成本并提高果蔬利润,已成为国际上果蔬收获技术发展的重要方向。近年来,以白芦笋为代表等地下部和苹果、草莓、番茄等为代表地上部的鲜食果蔬选择性收获技术进展加快,成为农业机器人的研究热点。本文阐述了近年具有市场化前景的选择性收获技术发展与应用情况,梳理出技术研发的实现路径、应用对象和发展脉络。着重分析了末端执行器与收获机构、收获目标识别与定位技术、选择性收获协同控制技术的共性关键问题,归纳了该领域技术研究的开放性问题。最后,总结了我国选择性收获技术面临的挑战和机遇,针对少人化或无人化果蔬生产的应用场景,指出了产业未来发展与技术产品化需考虑的平衡点。     

Ti6Al4V超声振动切削机理研究

加工钛合金Ti6Al4V时,常规切削的性能往往不能满足要求.鉴于此,比较了不同条件下加工Ti6Al4V的切削加工性能,研究超声振动切削钛合金机理.结果表明,积屑瘤增长阶段,随着速度的升高,积屑瘤逐渐变大,但积屑瘤并不会随速度的增加而无限增大,当积屑瘤增大到一个极限值时会随着速度的增加而逐渐减小.与常规切削相比,在积屑瘤...     

高架栽培草莓采摘机器人系统设计

为了提高草莓采收自动化水平,针对高架栽培草莓设计了自动采摘机器人系统,其采用无线遥控和语音提示相结合的人机交互方式,可以对机器人本体两侧果实同时进行采摘。该系统采用机器视觉和声纳测距相结合的方式实现了自主导航,通过双目视觉相机对果实进行识别和空间定位,由关节型机械臂操纵末端执行器进行定位。系统末端执行器采用果实吸附、果柄夹持和电热切割的方式对果实进行柔性操作。针对系统控制方案,制定了采摘机器人系统作业流程,并对机械臂末端运动路径节点和时间节拍进行规划,防止与周围环境发生运动干涉,保证机器人作业效率。试验结果表明,草莓采摘机器人系统末端定位平均误差小于2.2mm,单次采摘作业平均耗时10.99s。     

喂入角对玉米茎秆切碎效果的试验分析

搭建了喂入角可调式玉米摘穗切茎试验台,对影响玉米植株切碎合格率的主要因素进行了正交试验,较优组合为喂入角90°、行进速度0.7m/s、摘穗辊转速1 000r/min、动刀轴转速1 980r/min、喂入角对其有显著影响:喂入角0°时,玉米植株运动发生90°转向,出现严重喂入不畅,切碎合格率约为72.8%;喂入角30°时,在喂入过程中,依然有喂入不畅通,产生间歇性,影响了茎秆切碎效果,切碎合格率约为87.6%;喂入角90°时,摘穗辊旋转有助于玉米植株的喂入及切碎,切碎合格率约为97.6%。同时,通过分析玉米植株受切运动,推导出数学模型,并运用高速摄像技术对运动轨迹进行同步捕捉追踪,经MatLab拟合处理,找到了喂入角对切碎效果影响的关键因素。