拨杆喂入式菠萝采收机构设计与试验

为解决菠萝采收效率低、成本高等问题，该研究根据菠萝果实的几何特征和花萼结合处易折断、茎秆较脆等生物学特性设计了一种拨杆喂入式菠萝采收机构，分析了影响收获效率的主要因素，包括：拨禾轮半径、拨禾轮转速、履带行走机的前进速度等，并确定了关键部件的结构和运动参数。在对菠萝果实与茎秆分离的运动学和动力学分析的基础上，确定了菠萝果实在花萼与茎秆连接处或在靠近花萼的茎秆处断裂的力学依据，其中成熟度较高时，菠萝花萼处的脱落区结合强度较小，受切应力作用而断裂；成熟度较低时，茎秆较细处因弯曲过大而断裂。建立采收过程的多体运动学仿真模型，分析了收获过程中菠萝植株的力学和动力学特征，求解不同运动情况下拨杆接触果实时的接触力峰值。两因素五水平正交台架试验表明，菠萝收获效果最佳的参数组合为前进速度0.4 m/s、拨禾轮转速22.8 r/min。最优参数组合的田间试验结果表明：拨杆喂入式菠萝收获机进行收获作业时工作顺畅，采收后的植株生长状态良好；菠萝果实收获成功率为84%，损伤率为9.53%，综合评价指标为85.94%。研究结果可为菠萝采收机械的研究提供参考。     

手持式花椒采摘机设计与试验研究

针对目前花椒收获机械化程度低、损失率高的缺点,设计了一种手持式花椒采摘机。该机利用梳刷滚筒高速旋转时产生的梳刷作用收获花椒。通过对比试验,研究不同梳刷滚筒转速、梳刷滚筒与喂入口间隙等工艺参数对采收效果的影响。试验结果表明,随着梳刷滚筒转速逐渐增大,花椒损伤程度先减小后增大,随着梳刷滚筒与喂入口间隙逐渐增大,花椒采收率减低。该机的最优工作参数组合为梳刷滚筒转速300 r·min-1、梳刷滚筒与喂入口间隙5 mm,此组合状态下机具采收率高,对花椒果实及枝叶损伤小。     

油菜联合收获机种子籽粒脱粒装置结构及运行参数优化

为探究油菜联合收获机脱粒系统对油菜籽粒的收获效果,寻求较优的脱粒装置结构及运行参数,以喂入量、脱粒滚筒间隙、脱粒滚筒转速和脱粒元件型式种类为影响因素,油菜种子籽粒发芽率、脱粒损失为评价指标,开展油菜联合收获脱粒试验、发芽率试验及无损伤籽粒发芽率对比试验,探究了联合收获油菜籽粒的脱粒损伤机理。结果表明:影响油菜种子籽粒脱粒损伤的主次因素依次为脱粒元件型式、脱粒滚筒间隙、脱粒滚筒转速、喂入量;所选因素水平下,综合考虑脱粒损伤及损失,采用喂入量3.2 kg/s、脱粒滚筒间隙9 mm、脱粒滚筒转速856 r/min、全钉齿时为较优组合。分析表明:联合收获脱粒会对油菜种子籽粒造成损伤,影响脱粒损伤的直接因素为种子籽粒在滚筒内受打击次数及打击力大小;通过调整脱粒系统结构及运行参数,能够显著降低油菜的脱粒损伤及损失,本文为脱粒装置结构及运行参数的优化提供参考。     

梳刷振动式枸杞收获装置设计与运行参数优化

针对目前中国枸杞人工采收效率低、成本高的问题,该文采用梳刷振动相结合的采收方式,设计了梳刷振动式枸杞收获装置,并进行了试验。首先基于ADAMS软件建立了枸杞果实、枝条模型与梳刷振动机构模型。枸杞果实、果柄间连接力采用广义力连接,通过设置传感器来监测果柄断裂条件,实现了枸杞果实、果柄在外力作用下的分离过程控制。通过仿真分析,确定了收获装置的梳刷转速、圆盘转速(振动频率)和振动幅度3个因素为影响采收效果的主要因素。然后以梳刷转速、圆盘转速(振动频率)和振动幅度为因素,以采收效率、成熟枸杞采收率、青果脱落率以及成熟枸杞破损率为评价指标,进行了田间试验,试验结果表明:在梳刷转速80 r/min、圆盘转速100 r/min、振动幅度80 mm的因素水平组合下采收效率为13.12 kg/h,成熟枸杞采收率为87.46%,青果脱落率为13.81%,成熟枸杞破损率为2.82%,采收效果最佳,相比于其他单一原理的采收机构,本装置既达到了较高采收效率与成熟枸杞采收率,也保证了相对较低的青果脱落率与成熟枸杞破损率。该文可为枸杞机械化采收机械的设计提供理论依据与数据支撑。     

基于薄壁圆环理论的机器人用柔性轴承变形特征快速求解

谐波减速器内部柔性轴承是机器人关节的重要传动部件,因在工作中会产生较大的预变形而与普通轴承不同,导致传统轴承理论不适用,所以建立新的研究方法对其各项性能进行分析非常必要。该文通过建立柔性轴承的理论计算模型,求解计算柔性轴承工作时内部应力与变形特征,具体步骤包括:1)建立变形协调方程,并通过莫尔积分定理求解方程,得到变形过程中柔性轴承外圈的弯曲力矩;2)根据薄壁圆环理论,求得外圈的变形特征与内圈弯曲力矩;3)建立三弯矩方程,计算外载荷作用下柔性轴承外圈所承受的最大弯曲力矩。最后,建立柔性轴承有限元仿真模型对比验证理论模型,两者最大误差为7%,其中理论求解时间为5～8 min,有限元计算需4～5 h,通过理论模型可以快速求得柔性轴承内部变性特征与受力情况。计算结果表明,对于CSF-25-80型柔性轴承,外圈厚度设计在1.3～1.6 mm,宽度设计在9 mm左右,都可以有效改善外圈的应力状况。该研究可为对柔性轴承的设计和优化提供理论参考。     

基于电子果实技术的机械振动采收过程果实运动分析

为改善现有收获设备的采收性能,降低伤果率,提高采摘率,必须对果实采收设备引起的果实运动情况进行准确评估,以确定导致果实损伤的主要阶段和关键因素.该文建立和分析了果实—树体的动力学模型,通过试验和计算验证了果实脱落的理论条件是果实所受法向惯性力要大于果柄与果实间的结合力,并设计了一种扁球型电子果实(orange impact recording sensor,OIRS),利用它检测记录三维激振采收系统在收获砂糖桔时所产生的机械冲击,对该系统引起的果实运动进行分析.在野外振动采收试验记录的数据中,电子果实记录到振动阶段的最大机械冲击加速度均值为217g,平均冲击加速度达到123g;而下落阶段的最大机械冲击加速度均值为155g,平均冲击加速度仅为76g.结果表明:在振动阶段果实损伤的可能性更高,可通过调整采收机的工作参数,降低潜在的伤果风险;而下落阶段果实与地面接触时产生的较高冲击也会导致果实损伤,收获设备表面可铺设缓冲减震材料,以此降低果实的坠落损伤.研究结果表明利用电子果实能够有效检测三维激振采收系统在果实收获过程中所产生的机械冲击,用于机器系统的伤果评估.     

核桃青皮剥离过程中影响青皮剥净率和核桃破碎率的因素分析

在气候干燥炎热地区，核桃种仁成熟比青果皮成熟快，为了获得高质量的种仁，在青果皮尚未成熟时进行核桃的收获。未成熟的核桃青果皮剥离非常困难，迫切需要研制适用的机械来进行青果皮的剥离作业。为了提高核桃青果皮剥离质量并尽量降低在剥青皮过程中对核桃硬壳造成的机械损伤，通过对剥皮滚筒和凹板钢丝刷构成的剥皮工作部件结构与工作参数的正交试验方法，对影响破碎率和剥净率的3个因素——剥皮滚筒转速、钢丝直径、钢丝顶端与滚筒之间的间隙进行了分析。结果表明，破碎率受钢丝直径的影响最大，受钢丝顶端与滚筒之间的间隙的影响次之，受滚筒转速的影响最小。剥净率受钢丝直径的影响最大、受钢丝顶端与滚筒之间的间隙的影响次之、受剥皮滚筒转速影响最小。在剥皮滚筒转速为25 r/min，钢丝直径为2.3 mm，物料入口处钢丝顶端与滚筒的间隙在50 mm条件下，可获得较理想的作业质量。     

水稻鼓形纵轴流脱粒滚筒杆齿优化与试验

与传统杆齿式圆柱形纵轴流脱粒滚筒相比,课题组前期研制的杆齿式鼓形纵轴流脱粒滚筒可有效改善轴向负荷,降低脱粒功耗。为进一步提升该滚筒性能,该研究对杆齿进行优化,设计了圆柱杆齿、弯头杆齿和闭式弓齿3种形状杆齿,建立水稻籽粒与杆齿碰撞冲击力学模型,分析了影响功耗的杆齿结构参数。以黄华占水稻为对象,基于EDEM软件构建水稻植株离散元柔性模型,利用仿真试验建立滚筒轴向负荷监测器,探究圆柱杆齿、弯头杆齿和闭式弓齿在不同杆齿直径和脱粒间隙下对滚筒轴向负荷均匀性的影响,得出最佳杆齿结构参数为杆齿直径10 mm,脱粒间隙25 mm。以喂入量、滚筒转速和杆齿形状为试验因素,以脱粒功耗为指标开展三因素三水平Box-Behnken响应面试验,结果表明,最优结构参数下,圆柱杆齿式鼓形滚筒最优工作参数为喂入量1.1 kg/s,滚筒转速900 r/min,功耗最低为4.61 kW;弯头杆齿式鼓形滚筒最优工作参数为喂入量0.95 kg/s,滚筒转速935 r/min,功耗最低为3.58 kW,确定将鼓形滚筒杆齿优化为弯头杆齿形状。分别开展仿真与台架对比试验,结果表明,优化后的弯头杆齿式鼓形滚筒较圆柱杆齿式鼓形滚筒的轴...     

轴流螺旋滚筒式食用向日葵脱粒装置设计与试验

针对食葵脱粒过程中籽粒表皮划伤严重及未脱净率高等问题,该研究设计了一种轴流螺旋滚筒式食葵脱粒装置。脱粒元件为外径32 mm的螺旋管,对物料在脱粒空间的运移过程进行运动学与动力学分析,确定脱粒元件螺旋管螺旋升角为63°,螺距为2 800 mm。以葵花3638为对象进行台架试验,通过单因素试验探索喂入量、滚筒转速及脱粒间隙对籽粒未脱净率和破损率的影响,根据单因素试验结果,以喂入量、滚筒转速、脱粒间隙为影响因素,未脱净率和破损率为响应指标,进行二次回归正交旋转组合试验,利用Design-Expert软件建立响应指标与影响因素之间的数学模型,基于响应面法进行参数优化,获得脱粒装置在喂入量1.4 kg/s,滚筒转速300 r/min,脱粒间隙35 mm的参数组合下脱粒效果较好,此时未脱净率为0.55%,破损率1.76%。以优化参数组合进行验证试验,结果表明,未脱净率为0.59%、破损率为1.77%,与模型预测值的相对误差均小于5%。该装置未脱净率与破损率均低于现有向日葵脱粒机,满足向日葵机械化收获标准。该研究为食葵机械化收获装备的研制提供理论参考。     

柔性梳脱式酿酒葡萄脱粒机构设计与试验

针对目前中国酿酒葡萄人工采摘效率低下的问题,为实现酿酒葡萄机械化采收,提出柔性梳脱式采摘方式,设计了以柔性弓齿为核心部件的酿酒葡萄柔性梳脱式采摘机构。首先基于ADAMS软件建立了弓齿及果梗的柔性仿真模型。采用广义力建立连接力,传感器监测断裂条件,实现了葡萄果粒在外力作用下的脱粒过程控制,解决了面对多对象脱粒仿真过程控制的关键问题。分析了梳脱辊转速、柔性弓齿弯曲刚度和梳脱辊间距对葡萄脱粒过程的影响规律和机理。基于仿真试验选取因素及水平,并以脱粒时间和破损率为指标,进行了正交试验,确定试验因素最佳组合为:梳脱辊转速160 r/min,弓齿弯曲刚度0.067 N·m2,梳脱辊间距280 mm,在该条件下脱粒时间为1.73 s,破损率为3.51%。该文为深入研究收获过程的机理和收获机构的优化提供参考。     

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。     

机器人柔性抓取试验平台的设计与抓持力跟踪阻抗控制

为减小机器人在采摘过程中对果蔬的损伤,设计了机器人柔性抓取试验平台,提出了一种适合末端执行器双指抓取果蔬的抓持力跟踪阻抗控制算法,该算法将末端执行器抓持果蔬系统等效为阻抗-导纳模型,使手指力/位控制等效为期望的惯量-阻尼-刚度模型,可按需调节其参数实现抓持力与位置的动态关系。期望抓持力与采集果蔬实际接触力的偏差作为外环力阻抗控制器的输入,控制器生成对内部位置环参考轨迹的校正量。该算法仅考虑沿末端执行器双指夹持果蔬方向,避免了使用多自由度机械臂阻抗控制算法的复杂性,提高了控制的实时性,同时对抓取系统模型的不确定和力扰动具有较强的鲁棒性。机器人抓取试验证明了双指抓持力反馈阻抗柔顺控制算法的有效性,可实现机器人柔性抓取,减小抓取果蔬损伤和保证品质。该研究可为农业机器人无损抓取和采摘提供关键技术。     

机器人采摘中番茄力学特性与机械损伤的关系

为了减小机器人采摘中番茄的夹持损伤,通过加卸载正交试验对不同结构番茄力学特性与机械损伤的关系进行了研究。试验因素包括加载位置、探头类型、指面材料、压缩率和加载速度。试验结果表明：对番茄5个力学参数影响都显著且最大的因素为压缩率,并且番茄的力学特性参数之间存在一定的相关性。压缩率每增加1%,应变能、塑性应变能、峰值力和压缩斜率约分别平均增加26.16 mJ、19.04 mJ、4.62 N和0.16 N/mm,而弹性度平均减小0.88%。对番茄机械损伤度影响显著的因素依次为压缩率、球度、加载位置和加载速度。压缩率每增加1%,番茄的机械损伤度平均增加2.98%。番茄的机械损伤度与力学参数之间的回归系数为0.7214,其中与番茄机械损伤度最相关的力学参数是峰值力。该研究为采摘机器人夹持机构的设计和稳定夹持控制策略的实现提供了理论依据。     

青香蕉多次敲击力学特性及易损性评估

香蕉通常在绿硬期（即青香蕉）进行采运,在此过程中果指与作业部件和相邻果指之间易发生反复碰撞。为探明果指的机械性质,减少香蕉采运过程中的碰撞损伤,该研究针对不同生长位置的果指进行了敲击试验。通过方差分析检验了敲击次数、敲击能量和生长位置对果指力学特性（加速度峰值和恢复系数）及易损性（损伤尺寸和敏感度）的影响。结果表明,敲击能量越高,加速度越大,恢复系数越小,损伤尺寸和敏感度越大,果指越易损伤;在果指塑性变形对应的敲击能量阈值内,加速度、恢复系数与损伤尺寸随次数以非线性方式增加,但增量主要集中在初始5次,而损伤敏感度则以非线性方式递减,随着敲击次数的增加,果指的易损性呈非线性降低。越靠近果轴底端且在内排生长的果指,越易损伤。该研究成果可为香蕉采运等过程中的防护措施与风险因素的管理提供依据。     

苹果采摘机器人柔顺抓取的参数自整定阻抗控制

为了实现苹果机器采摘过程中的柔顺抓取以减小果实损伤,该文在对苹果抓取过程的力学特性变化规律分析的基础上,提出了苹果采摘机器人柔顺抓取的参数自整定阻抗控制方法。首先,利用Burgers黏弹性模型表征苹果的流变特性,将抓取过程分为匀速加载、夹持减速、应力松弛3个阶段,在此基础上求解获得苹果形变量随时间的变化规律和果实接触力与变形量的变化关系。然后,求解出所设计的基于力的阻抗控制系统的期望输入以及抓取环境接触力模型。最后,针对阻抗控制器参数对接触力的影响,构造阻抗参数自整定变化函数,完成改进阻抗控制系统设计。仿真及试验结果表明:依据果实抓取模型及变形规律求解期望位置的方式来模拟末端执行器对苹果的抓取过程是可行的,所建立的抓取环境接触力模型在一定程度上能够避免将环境模型简化为一阶模型而产生的误差。改进阻抗控制得到的期望抓取力更加平顺,其超调量约为2.3%,接触力调节时间减小到0.48 s,接触力的超调量约为2%,较未改进阻抗控制的接触力超调量减小了37.5%。研究结果可为苹果采摘机器人的柔顺控制方法提供参考。     

林果机械化采收技术与装备研究进展

机械化采收技术是制约林果产业发展的重要瓶颈。实现林果机械化采收是林果产业转变发展方式、节本增效、增强国际市场竞争力的重要途径之一,也是林果产业全程机械化和规模化的研究重点和难点。林果机械化采收的技术重点是高效低损采摘,最终目标是实现林果自动化、智能化、无人化采收。该文总结了中国林果种植分布情况现状,将现有林果机械化采收技术与装备系统地划分为一次性联合摘果采收和振动采收后集果捡拾,并对其研究现状和发展动态进行了阐述和剖析。在此基础上,结合林果产业发展要求和应用场景,归纳了国内林果机械化采收技术面临的机会和挑战,并提出兼顾不同需求发展高性能、高效率、高可靠的林果机械化采收装备建议,以期为促进林果业的现代化和高新技术推广提供参考。     

菠萝采摘机械手的设计与试验

摘要：为实现菠萝自动化收获,以减轻劳动负担、降低收获成本、提高收获效率,该文根据菠萝的生长特性,确定采用2个步骤将菠萝摘取的方案：首先,手爪从水平方向将菠萝抓稳,然后通过旋转将菠萝掰断。按照本方案,设计的菠萝自动采摘手爪包括手部抓取机构,手部驱动机构和手部旋转机构3部分,分别实现对菠萝的抓取和掰断功能,并设计了以AT89C51单片机为核心的控制系统,控制2个步进电机。通过采摘试验,表明该机构和控制系统能够实现对菠萝的采摘,确定手部旋转机构的旋转角度为180°,抓取时间为21～24 s。该研究可为田间菠萝采摘机器人关键部件研发提供参考。     

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。