基于气动无损夹持控制的番茄采摘末端执行器设计与试验

为实现类球形果实采收过程中稳定夹持和无损采摘,该研究以番茄为研究对象,设计了一款全气动吸-夹一体式无损采摘末端执行器。首先设计空间多连杆三爪机构,采用3个夹持爪单元空间轴向均布的方式构成空间多连杆末端执行器主体机构,实现中心吸盘回拉果实和夹持爪夹持果实两个动作由单一主动气缸驱动并实现顺序动作;其次,建立末端执行器夹持爪单元的数学模型,并确定满足夹持爪尖端张开最大范围156 mm和吸盘回拉移动最大距离38.7 mm条件下的末端执行器结构参数,通过ADAMS软件对其进行运动学和动力学仿真分析,获得各部件间运动速度和加速度的相对关系,以及夹持力与气动系统压力和果实尺寸的关系。最后,设计并搭建具有压力负反馈和气压连续调节功能的电气伺服控制系统,通过分析果实在拉动和转动两种情况的滑移试验,提出基于动态标准差波动上升节点的双阈值滑移判别算法和基于滑移判据及损伤极限压力的无损采摘控制策略。204个不同尺寸番茄果实的实地采摘试验表明,末端执行器采摘成功率为96.03%,采摘过程耗时5 s,采摘过程中的直接损伤率为1.58%,72 h褐变率为1.76%。结果表明该采摘末端执行器具有较好的采摘效果,可满足实际工作需求。     

基于体感交互的仿上肢采摘机器人系统设计与仿真

为提高农业自动化程度,保持农业机械化水平,提高农业生产效率,该文设计了一种基于仿生学,能够实时模仿人类上肢采摘行为的果实采摘机器人系统。该文首先分析了当操作者的采摘动作发生时,系统利用深度相机Kinect采集人体关节骨架信息,通过空间向量计算,计算出关节的位置偏移量和骨骼转动角度等信息,利用这些特征构建人体三维骨架模型;其次分析了人体上肢的生理学结构和自由度,依据仿生学的特点建立了人体上肢五自由度运动学模型。系统将识别到的动作指令发送到动作执行模块,带动机械臂的转动。最后,为了验证模型的有效性,进行了机器人动作模仿仿真试验,统计了系统对动作的识别率。分析结果表明,系统对采摘动作的平均识别率为90%以上,从而验证了原理设计的有效性。该系统设计可为五自由度机械臂模型的开发和控制提供参考。     

黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究

为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器,首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。针对黄瓜抓持模型进行了力学分析,建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。最后,研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器,由抓持器和切割器组成,抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成,切割器由旋转气缸和刀片构成。该采摘执行器机械结构简单,输出力较大。试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%,黄瓜果柄割断成功率为100%,采摘时间为3 s。该采摘执行器采摘黄瓜效果良好,具有较好的实际应用前景。     

茶鲜叶嫩梢捏切组合式采摘器设计与试验

针对条形名优绿茶依赖人工采摘、无专用采摘器的问题,该研究设计了适用于名优茶采摘的捏切组合式采摘器。首先分析人工采摘嫩梢的运动过程及茶叶嫩梢物理特性,设计了基于盘形凸轮的捏切、送、甩、抛循环式采摘机构和柔性捏切一体采摘爪。通过算法控制采摘臂旋转速度,采摘器实现了低振动、准确采摘。样机试验表明：采摘器单次作业最大时间小于0.6 s,实际采摘成功率稳定在100%,说明捏切组合式采摘器符合茶园嫩梢采摘连续、快速的需求。喂入深度和采摘高度越大采摘成功率越高,根据茶叶生长环境和农艺要求确定较优采摘高度和喂入深度均为10 mm、采摘角度为0°。试验结果表明采摘器采摘的茶叶嫩梢与人工采摘品质相同。该研究可为茶叶嫩梢低损、快速采摘提供参考。     

用于草莓收获机器人的果实定位和果柄检测方法

介绍了一种用于草莓收获机器人的果实定位和果柄检测方法。利用基于OHTA颜色空间的图像分割方法从背景中分割草莓通过计算二值化草莓blob的惯性主轴来判断草莓的姿态,根据草莓的成熟度实现了果实的选择性采摘。试验证明这种方法的平均判别速度为1 s,果柄误判率为7%,在采摘过程中仅对5%的果实造成损伤,满足草莓机器人的收获速度和精度要求。     

欠驱动关节型柑橘采摘末端执行器设计与试验

末端执行器是水果采摘机器人的核心部件，由于目前水果采摘对象种类繁多，结构及参数固定的采摘末端执行器无法适应多场合采摘作业需求。该研究设计了一种欠驱动关节型采摘末端执行器，模拟人手包络采摘动作，并以柑橘为对象模拟球型果实对末端执行器进行结构设计。为改善此类末端执行器重复设计情况，并提升采摘适用性，提出一种基于改进遗传算法的参数化设计方法。运用 Microsoft Visual Studio 2012开发平台设计参数化界面，采用改进遗传算法结合NX的二次开发模块 NXOpen对末端执行器进行结构参数优化，并基于Adams对优化后的采摘末端执行器进行动力学仿真分析，验证了优化后的末端执行器采摘范围较优化前提升了29.1%。制作物理样机并分别进行室内与果园柑橘采摘试验，果径68～106 mm的柑橘采摘成功率达到92.9%，平均采摘单个柑橘用时7.3 s。所设计的末端执行器针能够针对不同果径的球形果实时做出快速变形反应，适合苹果、梨等不同种类球型果实采摘作业。采用遗传算法应用至优化机构工作参数，提高了机构设计的准确性与适用性。     

杏果实成熟度特性参数与果柄分离力的相关性分析

为弄清杏收获所需的采收力,从而为杏收获机械的研制提供依据,研究分析了不同品种杏果实各项生理特性参数对果柄分离力的影响,通过试验仪器测定两个品种杏果实各项生理特性参数与果柄分离力,运用SPSS统计软件对试验数据进行相关性及拟合分析。相关性分析表明与果实成熟度相关的特性参数和果柄分离力间有着很高的相关性,其中库买提杏和轮台小白杏果实可溶性固形物含量与果柄分离力相关系数分别为：-0.957和-0.976;果实表面红绿色差值与果柄分离力相关系数分别为：-0.955和-0.942;果实表面硬度与果柄分离力相关系数分别为：0.957和0.904。通过对果柄分离力与生理特性参数进行曲线拟合分析,得到与成熟度相关的各项参数与果柄分离力的二次拟合方程和曲线。成熟期杏果柄分离力的变化范围为2～8 N;果实硬度在4.0～8.9 kg/cm2范围内,等级为软;果实表面红绿色差a*值均在1～5范围内。分析表明杏果柄分离力随果实可溶性固形物含量的升高而减小;随着果实表面红绿色差值升高而降低;果实表面硬度越小分离力越低,即果柄分离力随着果实成熟不断降低。     

苹果四臂采摘机器人系统设计与试验

针对鲜食苹果智能化高效采收需要,该研究设计了四臂并行采摘的“采-收-运”一体式机器人系统,以代替人工采收作业。以中国矮砧密植高纺锤果树为对象,根据树冠内果实空间分布特征,提出了四臂并行采摘执行部件的作业方式;建立了基于多任务深度卷积网络的果实可见区域识别模型,实现受遮挡果实离散区域语义分割及其归属关系的端到端判别;在此基础上,根据果实表面局部点云信息对其质心进行空间定位;提出了基于时间最优的四臂协同采摘任务规划方法,以实现机械臂对树冠内不同区域的高效遍历。最后在采摘机器人关键部件集成的基础上,在矮砧密植标准果园进行生产试验。试验结果表明,机器人对树冠内可见果实的识别率为92.94%,被识别果实中定位精度满足机器人采摘操作要求的比例为90.27%;机器人平均采摘效率为7.12 s/果,其中四臂协同采摘效率约为单臂采摘效率的1.96倍;对可见果实采摘成功率为82.00%,对树冠内全部果实的采收率为74.56%,枝叶遮挡干涉是造成采摘失败的主要原因。该研究可为鲜果智能化采摘模式的探索应用提供技术支撑。     

苹果采摘机器人对振荡果实的快速定位采摘方法

为解决由于果实振荡影响采摘机器人采摘效率的问题,该文研究了苹果采摘机器人在果实振荡状况下的快速采摘方法。首先对振荡果实进行动态连续采集,其次对所采集的图像进行振荡果实识别并提取其二维质心坐标,然后由FFT建模,求取果实的振荡周期,在测得振荡果实的深度距离后,计算出采摘机器人直动关节的行程速度,随即开始采摘,抓取时果实正处于平衡位置。最后通过试验可知,采摘成功率达到84%,对于果实静态状况下采摘速度较快的采摘机器人来说,采摘振荡果实,该研究方法明显优于以往采摘方法,能够显著提高采摘机器人果实采摘的整体速度。此外,该采摘方法简单、通用性好,可满足苹果等类球状果实采摘机器人的需要,对实现其实用化和商品化提供参考。     

基于VenInf模型的梨黑星病侵染测报器的设计

为了能及时预防和有效控制梨黑星病的发生,该文设计了一种能够实时测报梨黑星病菌侵染数量的便携式侵染测报器。该测报器利用STC89C52RC单片机和温湿度智能传感器SHT15作为核心元器件,实现温度和湿度的实时采集,并根据采集的温度和湿度实时计算梨黑星病菌的相对侵染量,根据侵染量实时预警,实现梨黑星病菌侵染的实时预测与预警。该测报器具有操作简单,界面友好,携带方便,性价比高的特点。经试验验证：测报器测报的准确率高,为果农及时用药防治病害提供了科学依据。     

基于力声信号锯齿化多特征融合的香梨脆度评价

为了实现香梨脆度更符合感官评价的检测,该研究采用质构仪与麦克风同步采集香梨果肉破裂时的力声响应信号,然后采用峰值法、傅里叶功率谱法和表观分形维数法对力声响应曲线的锯齿化特征进行度量,分别提取了29个力学锯齿度参数和14个声学锯齿度参数用于香梨果肉感官脆度预测。研究结果表明,在43个锯齿度特征参数中,35个特征参数与香梨果肉感官脆度存在显著相关性（P<0.05）,可反映香梨脆度变化。通过主成分分析提取了前8个主成分解释原变量85.58%的信息,以这8个主成分构建预测感官脆度的多元线性回归模型,模型校正集相关系数为0.862,均方根误差为0.588,表明该模型具有较高的预测精度和稳定性,可为香梨脆度的仪器准确检测提供研究基础。     

新疆地方品种梨果实品质性状综合评价

为了优良品种的筛选、选育及推广应用提供科学理论依据,建立8个新疆地方品种梨的果实品质综合评价体系。以‘鄯善红梨’‘鄯善句句梨’‘鄯善黄麻梨’‘晚熟塔西梨’‘鄯善早熟句句梨’‘诺尕依梨’‘雅格丽克梨’和‘库车句句梨’为试材,测定其14项果实内外品质指标,对14项指标进行相关性分析和因子分析,建立基于因子分析的综合品质评价模型,并根据综合品质得分进行优良度排序。结果表明:8个新疆地方品种梨14项果实品质性状变异系数有所不同,其中色差值a~*(红绿差异)的变异系数较大,其变异系数为225.40%,单果质量、果实纵径、果心质量、色差值L~*、果实硬度、总酸含量和糖酸比的变异系数均中等,在20.0%～45.0%范围之内,其余果实品质指标的变异系数均相对较小(小于20.0%),且各果实品质指标间均存在不同程度的相关性。经因子分析提取出特征根值均大于1的4个公因子,其累计方差贡献率达88.90%,其中第1公因子的贡献率为31.15%,主要由果实纵径、单果质量、果心质量、果实横径和果形指数5个因子决定,主要反映了果实大小、果心大小和果实形状。第2公因子的贡献率为23.31%,由糖酸比、果实硬度、含糖量和总酸含量4个因子决定,主要反映了果实酸甜口感品质和耐运强度的高低。第3公因子的贡献率为18.29%,由色差值L~*、色差值a~*和色差值b~*3个因子决定,主要反映了果实表面颜色色差程度。第4公因子的贡献率为16.15%,由可食率和果柄长度2个因子决定,主要反映了果实可食部分大小和果实抗风能力强度的高低。经综合品质评价模型得出,新疆梨8个地方品种果实综合品质得分的优良度排序依次为‘诺尕依梨’‘雅格丽克梨’‘库车句句梨’‘鄯善黄麻梨’‘鄯善句句梨’‘鄯善红梨’‘鄯善早熟句句梨’‘晚熟塔西梨’,研究结果为新疆地方梨品种的合理应用及科学推广提供参考。     

水平摘锭式采棉机采摘头传动系统优化与试验

为了提高水平摘锭式采棉机的作业效率,针对国产采棉机在高速作业过程中存在采摘速比系数匹配不当、采摘头传动系统不合理的问题,该研究根据水平摘锭式采棉机采摘头结构与工作原理,对采摘头传动系统、采棉机采摘机理进行分析,根据传动系统传动要求和采棉机采摘条件,建立目标函数与约束条件,运用遗传算法和1stOpt软件对采摘头传动系统进行优化分析。优化结果为:滚筒动力齿轮齿数为72,离合器上齿轮变位系数为-0.14,滚筒动力齿轮变位系数为1.208,齿轮顶隙系数为1.25。结合采棉机作业要求搭建棉花采摘性能试验台,选取采摘滚筒转速113～143 r/min、作业速度5.93～7.20km/h,对优化前后采摘头的作业性能进行验证试验。结果表明:优化后的采摘头作业速度由6.4km/h提升至7.2 km/h,工作效率由4.86 hm~2/h提升至5.47 hm~2/h,提高了12.5%;优化后的采摘头在7.2 km/h的作业速度下,采净率由90.4%提升至93.7%,采净率提高了3.6%,含杂率由10.28%降至9.72%,含杂率降低了5.4%,验证了传动系统优化结果的合理性。该研究可为国产采棉机采摘头的研发提供参考。     

花生机械收获中根、茎、果节点的力学试验与分析（英）

为了降低花生挖掘收获、摘果、脱壳作业,特别是花生联合收获中的掉果率、破碎率,该文利用CTM-4503型万能材料试验机及相关测试设备,对花生收获期前后近一个月(28 d)花生的秸秆、根茎节点、果根节点、果壳结合处分别做了拉伸与剪切力学性能试验与分析.通过试验,得到了花生的秸秆、根茎节点、果根节点、果壳结合处最大许用抗拉与抗剪应力;经力学性能理论分析,确定了花生最佳收获期(以鲁花14为例,最佳收获期为播种后的(122±1) d),给出了现行的花生联合收获采用的夹持收获中最大许用夹持力(49.71 N)和最大许用拉力(70.84 N);通过试验分析得出花生挖掘收获中主要机械损失为根茎节点断裂(95.7%),并根据农业部发布的花生收获机作业质量行业标准所给出的作业质量指标,给出了在花生挖掘收获时的最大拉力(9.51 N);通过花生果结合处的剪切试验,给出了不同时期花生果结合处最大抗剪强度.这为花生收获、摘果、脱壳装置,特别是联合收获装置的研制与优化设计提供了参考.     

黄花梨的撞击力学特性研究

农产品在收获、分级、包装、运输和加工中将发生机械损伤,而碰撞是导致机械损伤的主要原因之一。该文以黄花梨为试验对象,进行了不同下落高度、不同梨质量和坚实度等对碰撞参数指标如力峰值、到达力峰值时间、碰撞总时间、力峰值/到达力峰值时间的比值等影响的碰撞特性试验。试验表明3个试验因子对力峰值/到达力峰值时间的比值、损伤体积和力峰值的影响大都为显著。碰撞参数指标内部之间的相关性不尽相同。碰撞损伤预测模型可采用V=β0+β1h+β2m+β3f来表达     

半喂入式花生摘果试验装置的设计与试验

为适应花生分段收获和摘果的需要,通过对中国花生生产机械化现状和摘果方式的调查研究,设计了一种半喂入式花乍摘果试验装置.对摘果试验装置的结构和工作原理进行了分析,重点研究了花生摘果试验装置的喂入、输送和摘果等装置的优化配置,以探索新的工作原理和新的结构设计.进行了半喂入式花生摘果试验装置参数优选试验,求得摘果滚筒转速、夹持输送速度和摘果滚筒直径与摘果指标的关系,得出了影响花生摘果指标的主次因素和各因素的显著性水平,各参数的最优组合为摘果滚筒转速270 r/min,夹持输送速度11.3 m/min,摘果滚筒直径160mm.该研究对半喂入式花生摘果机的设计具有实际指导意义,同时为今后花生摘果机械的研制提供理论依据与科学指导.     

断梗激励下葡萄果粒的振动脱落特性与试验

针对夹剪式鲜食葡萄采摘中的断梗振动激励引起的果粒脱落问题,对断梗激励下鲜食葡萄的振动脱落特性与动态响应进行研究。首先建立葡萄果实-分梗动力学模型,推导果实脱落的理论角速度,分析果实-果梗摆动脱落的临界分离条件。然后利用ABAQUS软件分析单颗粒葡萄在断梗激振下的动态响应与摆动趋势,探索在无挤压状态下果实形变过程,从而预测串型葡萄在断梗激励下的实际振动响应。最后对串型葡萄的简化模型进行振动有限元分析,获得葡萄果实在脱落前瞬间相对于果梗结合处的位移、速度、加速度和应力应变等数据,从而确定葡萄的临界振动脱落参数组合。通过仿真试验和采摘振动试验验证模型的准确性。结果表明：在断梗激励下,葡萄果实出现不确定的各向异性扭转摆动;对整串葡萄进行0～25 Hz的扫频分析可知受振果实的临界脱落频率约为4 Hz;受振果实摆动幅度为49.88 mm,速度峰值0.92 mm/s,加速度峰值39.08 mm/s2时开始脱落;同一激励下,虽然各个果实位置不同,但它们振动特性变化趋势相同。该研究可为防脱落采摘机构参数设计提供理论依据。     

Dissipation of teflubenzuron and triflumuron residues in field-sprayed and cold-stored pears.

Dissipation of residues of benzoylurea insecticides teflubenzuron (TFB) and triflumuron (TFM) under field conditions was evaluated on a pear orchard in Greece. Residues were determined by UV-HPLC analysis, with a detection limit of 0.030 mg/kg for both pesticides. TFB residues in pears were found to persist for 2 weeks and decline thereafter with 48% of the initial deposit remaining 42 days after the last application. TFM residues were found to decline following first-order kinetics and with a half-life of 39(+/-7) days. Residues of both pesticides found in pears collected at harvest maturity were lower than the maximum residue limits (MRLs) set by individual countries. Dissipation of TFB and TFM in cold-stored pears was also evaluated. TFB residues were very persistent for the whole storage period, whereas TFM residues did not dissipate for 6 weeks and then showed a constant decline; 7% of the initial concentration remained at the end of the storage period of 29 weeks.     

采棉机摘锭采摘过程的动力学分析

针对采棉机采棉头核心部件摘锭易磨损、易折断的工程实际问题,根据采摘系统的结构特点和振动特性,建立该系统单自由度干摩擦振动模型,考查摘锭在摩擦力作用下的动力学响应,分析了系统运动中存在的黏滑振动,并通过摘锭速度及结构参数的变化揭示了摘锭在工作过程中实际动力学特性,同时探讨了呈现出的动力学行为对摘锭磨损的影响,并提出抑制摘锭磨损的建议。该文的理论分析与数值结果为采棉机摘锭的结构设计及优化提供参考。