基于咬合型末端执行器的柑橘采摘机器人采摘姿态研究

针对采摘机器人视觉系统在复杂自然环境中无法准确提供柑橘果实生长姿态,进而导致采摘成功率下降的问题,基于柑橘采摘机器人咬合型末端执行器提出了一种最佳采摘姿态确定方法。该方法依据末端执行器构型参数,建立其采摘姿态对果实中心位置影响的性能评价函数,并使用该函数计算得到执行器最佳采摘姿态。通过搭建采摘实验平台和设计采摘实验,对计算出的最佳采摘姿态进行验证。实验结果表明,与一般的水平采摘姿态相比,采用最佳采摘姿态评价方法优化后的采摘姿态,在进行柑橘采摘时采摘成功率提高26.32%。     

一种多用途采摘机器人末端执行器的设计

我国水果种植面积广大,采摘任务繁重,急需机械代替人工。目前出现的末端执行器均为一对一采摘,为此,设计了一种适合采摘两种水果、且有一定自适应能力的收获机器人末端执行器。该末端执行器采用三指对中定心外夹持采摘方式,预设采摘对象为苹果和梨,具有体积小巧、操作简单、安全可靠、适应性强、成本低廉等特点。研究证明,此末端执行器能够很好完成采摘任务。     

柑橘采摘机器人末端执行器夹持机构设计与实验

改进末端执行器的采摘成功率是提高采摘机器人采摘能力的重要手段。由于在相同剪切速度和果柄直径下,采用简支梁的剪切方式比采用悬臂梁剪切方式更容易剪断果柄,而通过夹持机构夹住柑橘再进行剪切能实现简支梁方式剪切果柄,因此可在末端执行器增加夹持机构来提高末端执行器的采摘成功率。通过对柑橘的极限挤压试验,得出柑橘在受压面直径为14.12 mm的条件下,所能承受的极限载荷为14.0 N。据此结果和柑橘相关参数,设计了夹持机构手指,并确定了其对柑橘的最大夹持力不超过102.41 N,同时根据前期研究成果和果柄受力分析,确定夹持机构的最小加持力不得小于3.79 N。由夹持机构运动特点完成控制系统设计,建立夹持机构三维模型并进行有限元分析与验证。制作了夹持机构样机并进行了不同品种柑橘的夹持实验,并将夹持机构安装在末端执行器上,在室外自然条件下进行无夹持机构和有夹持机构的采摘对比实验。实验结果表明,夹持机构可实现对各品种柑橘的无损夹持,增设夹持机构后末端执行器采摘成功率由70%提升至85%,对末端执行器采摘成功率有显著提升,从而提高了采摘机器人的采摘作业能力。     

基于TRIZ理论的蓝莓采摘机器人设计

介绍了发明问题解决理论(TRIZ)的一些基本原理及应用方法.对其中40个发明原理、冲突解决矩阵、物质-场分析进行说明,并应用到蓝莓采摘机器人进行的具体设计研究.提出了蓝莓采摘机器人的总体设计方案,着重对末端执行器和机械手自由度、手腕、手臂的运动形式进行分析设计.     

温室采摘机器人末端执行器研究进展

采摘是温室果蔬生产工作中最耗费劳动力和时间的环节之一,随着机械化作业水平的提高,越来越多的温室采摘机器人被应用于温室果蔬采摘作业中。末端执行器作为温室采摘机器人的关键部件,在提高采摘机器人采摘效率和作业稳定性方面发挥着重要作用。文章概括了国内外番茄、黄瓜、草莓、甜椒等温室大宗果蔬的采摘机器人末端执行器的研究现状,通过分析已研制的末端执行器的功能、原理和主要结构,总结目前温室采摘机器人末端执行器研究过程中的主要问题以及未来的研究方向。     

基于S7-200 PLC的苹果采摘机器人控制系统研究

通过对采摘机器人控制系统要求的分析,以PLC控制器为核心,对末端执行器、物料收集装置、采摘机械大臂和小臂、移动平台和横向滑移机构等设备的控制,实现苹果采摘的全自动化控制。     

仿生无损吸取式苹果采摘装置的设计与试验

为解决苹果在采摘过程中机械化程度低的问题,根据人手采摘苹果的机理,借鉴章鱼吸盘吸附猎物的方法,研制一种仿生无损吸取式苹果采摘装置。该装置主要由气吸式末端执行器、摆位支撑机构、送果机构、实时在线采摘监控系统以及计重系统等组成。对采摘装置的关键部件进行有限元静力学强度分析和动力学模态分析,以确保设计方案的合理性。模拟采摘和吸取损伤试验结果表明:1)该苹果采摘装置可以采摘3 m高度以下,直径60～90 mm、果梗直径3.3～4.8 mm的苹果。2)该苹果采摘装置采用3关节万向节的气吸式末端执行器便于调整转动,在苹果采摘过程中可以调整末端执行器的采摘位姿与果实的生长姿态保持一致,并避开树叶、树枝造成的障碍,从而以最优位置和最佳角度实现采摘。3)对同一批次大小、质量相近,表面完好的30个苹果进行吸取损伤试验,吸盘吸力不会对苹果表皮造成损伤;对放置了7 d的试验苹果削皮处理后也未发现其内部果肉组织有损伤情况。     

类球果蔬采摘末端执行器设计及分析

根据一般类球果蔬采摘特点,设计了一种基于改进对称双摇杆机构的类球果蔬采摘末端执行器。在ADAMS中建立其虚拟样机,并对其受力关键部位作柔性体处理,得到其运动评估参数的变化曲线,得出该执行器机构运动特性,可知该执行器结构简单、运动关系简易,具有良好的可靠性保证。     

基于稳定抓取力学模型的末端执行器控制器设计

以苹果采摘机器人末端执行器稳定抓取为目标,建立了二指末端执行器抓取苹果的力学模型,提出了利用加速度传感器反馈进行优化控制的方法并设计基于BP神经网络和PID控制的自适应控制器。     

柑橘采摘机器人末端执行器结构设计与仿真分析

针对目前柑橘室外采摘作业难度大、人工采摘效率低,以及对柑橘本身和柑橘果园破坏性大、破坏范围广等问题,提出了一种改进优化柑橘室外采摘末端执行器。通过对柑橘采摘末端执行器采摘机构进行设计和运动学仿真分析,以及对整体结构仿真分析和运动学仿真分析,得到了最优柑橘采摘末端执行器采摘机构部分模型,并在自然环境下对其进行了柑橘采摘试验,试验成功率高达80%,成功实现对室外柑橘自动化采摘,具有较大的应用和推广价值。     

果蔬采摘机器人研究进展

综述了果蔬采摘机器人的国内外研究现状,介绍了目前大部分典型的果蔬采摘机器人的研究成果。通过分析大部分采摘机器人的工作情况、功能、存在问题,指出了目前采摘机器人的应用与研究过程中的主要难点与制约因素,提出了研究开发的方向与关键技术。     

水果采摘机器人视觉系统的目标提取

在田间对作物的果实图像进行实时、准确地目标识别提取，是采摘机器人视觉系统的关键技术，而目标提取的实质是图像分割。大部分水(蔬)果处于采摘期时，表面颜色与背景颜色存在较大差异。而同一品种果实表面颜色相近，体现为在色彩空间果实表面颜色和背景颜色存在着不同的分布特性。根据这一特性，提出了一种基于色彩空间参照表的适用于水果采摘机器人视觉系统果实目标提取的图像分割算法。该算法先由果实样本图像建立色彩空间参照表，再根据色彩空间参照表采用一种类似于“卷积”的方法进行图像分割。与现有其他方法比较，本方法基于彩色的信息处理，可将背景除去得更干净；对背景不做分割处理、无复杂运算，有利于机器人实时图像处理。采用该算法分别对草莓、橙子、西红柿的图像在L^*n^*6^*，Hsv，YCbCr色彩模型下进行了实验，结果显示该算法在这些色彩模型下均可取得理想的图像分割效果。     

番茄采摘机器人机械臂结构设计与参数优化

农业采摘机器人属于非结构环境下作业的特种机器人,果实的采摘易受环境变化的影响,机械臂的结构特点直接决定机器人作业范围。根据番茄的特点及其植株的生长分布,设计了具有平行结构关节的四自由度机械臂,建立了机械臂运动学模型,完成了机械臂的结构参数优化设计,并使用MATLAB平台进行了仿真验证。在满足番茄采摘要求的前提下,实现了实际采摘无效空间最小化,证明了该机械臂结构设计合理。     

香蕉采摘机械的研究现状与发展趋势

采取文献综述与经验总结相结合的方法,对国内外香蕉采摘机械的现状进行研究;从香蕉采摘机械手与自动化采摘机械2个方面对文献知识进行梳理与归纳。结果表明:1)国内外出现众多的香蕉采摘机械手,包括采摘机械夹持装置、支撑装置、切割装置等,可以实现替代人工,降低果实损伤的目的。2)目前集采摘、运动于一体的自动化香蕉采摘机械,极大的提高了香蕉采摘的效率,促进香蕉产业快速发展。3)多功能、智能化香蕉采摘机械仍然是当前香蕉采摘机械的研究重点。针对香蕉采摘机械发展过程中存在的不足,提出如下的发展方向:深入研究香蕉采摘机械的行走装置,实现快速运动与灵活转向;在当前自动化采摘机械的基础之上,全面研究香蕉果实视觉识别系统与计算机决策系统;进一步研究移动小车与机械臂,增强香蕉采摘机械的抗倾覆能力;香蕉采摘、落梳与包装一体机或可更换机械手的多功能化果实采摘机是未来香蕉采摘机械的研究热点。     

手自一体式山核桃采摘机的设计与试验

为提高山核桃采摘效率,降低采摘成本,针对目前我国山核桃高空作业机械化程度低等特点,设计并研制了一款手自一体式山核桃采摘机。文章阐述了该机关键部件的设计,并对偏心轮机构进行数学建模与分析计算。应用ANSYS对果树进行自由模态响应分析,初步确定山核桃树采摘的频率范围为7~20 Hz。根据山核桃采摘试验,结果表明:振动频率对果树的采摘率具有显著影响(P=0.05),果实采摘率随振动频率的增大而增大,当振动频率为22 Hz时,采摘率为95.1%;为了提高采摘率且尽可能减小芽枝和果树的损伤,建议控制采收频率为16~18 Hz,此时果实的平均采摘率为83.9%~88.0%。未采摘的果实通过人工或机械二次采摘。     

番木瓜摘取的接触力学模型构建与试验

【目的】实现番木瓜稳定无损伤摘取。【方法】采用三指对称夹持后扭断的摘取方案,构建摘取接触力平衡方程,依据三指内力汇交原理进行抓取稳定性分析,制定摘取接触力学模型求解方案,并对番木瓜进行摘取试验。【结果】样本表面无明显变形、压痕与裂纹,夹持处果肉室温静置24 h后无明显的颜色变化和伤痕,最大夹持力远小于成熟番木瓜横径方向受压弹性变形阶段压力极限值;质量和摘取扭转力矩与横径、纵径、果柄长度、果柄扭断直径有密切依存关系,质量多元线性回归达极显著水平,扭转力矩多元线性回归达显著水平;依据接触力学模型和回归模型计算的理论夹持力与测量夹持力对比,测量夹持力均高于理论夹持力,两者最大偏差小于20%,两者在趋势上具有较好一致性。【结论】摘取方案能稳定无损伤摘取番木瓜,摘取接触力学模型具有正确性与实用性,可为番木瓜摘取末端执行机构设计与力度控制提供依据。     

摆动式林果采摘头设计与分析

随着我国林果种植的规范化与规模化,林果的机械化采收成为广大果农热点关注的问题。针对这一现状,设计了一种适用于林果采收的摆动式林果采摘头。介绍了摆动式林果采摘头的工作原理及其结构设计,开展了动力学分析工作,并对该采摘头进行了动力选型。