T型开合槽型辅推机械式取苗末端执行器设计

设计了一种以夹紧取苗、张开推苗为工作模式的单驱动机械多针钳夹式取苗末端执行器,利用一个机械动力控制机械手指开合进行夹钵取苗,并驱动推苗环随动推钵放苗。应用解析法,确定了取苗末端执行器的夹持机构和推苗机构结构参数关系。试制末端执行器,将其安装在凸轮-连杆-滑槽组合式取苗机构上,以番茄穴盘苗为对象,进行对穴夹钵取苗性能测试。当取苗末端执行器对苗钵的夹取深度为30mm、夹取角度为12°、夹持力度为3N时,在40株/min取苗工作频率下,该取苗末端执行器自动取苗平均成功率为92.13%,取苗效果满意。     

基于穴盘苗力学特性的自动取苗末端执行器设计

通过对穴盘苗进行夹苗拉拔试验、钵体摩擦试验、钵体平板压缩抗压试验,研究分析了与自动移栽相关的穴盘苗力学特性,为机构设计提供依据。对穴盘苗自动取苗进行技术设计,得到两针钳夹式取苗末端执行器自动取苗的拉拔力与钵体抗压强度、夹持角度、夹持面积、静摩擦因数等参数的关系。利用建立的夹持参数关系,结合穴盘苗力学特性试验数据,设计了一种适应穴盘苗力学特性的自动取苗末端执行器。试制了物理样机,进行了自动取苗夹持力测试。测试结果表明,夹持力测试数据与理论计算数据无显著性差别,验证了理论设计的可靠性。在所测试的含水率下,当取苗频率为30株/min时,取苗成功率达到95.16%。     

穴盘育苗移栽机两指四针钳夹式取苗末端执行器

设计了一种穴盘育苗移栽机两指四针钳夹式夹钵取苗末端执行器。利用2根气缸机械手指伸出4根夹取针插入苗钵,气缸机械手指闭合夹取针捏紧苗钵来取苗,利用两根气缸机械手指撑开放松夹持苗钵,4根夹取针回缩脱离苗钵来放苗。根据穴盘苗自动取苗力学要求,进行了基于穴盘苗物理力学特性的夹取力设计。试制末端执行器,进行夹钵取苗效能测试。在40 mm/s提取速度下,各试验因素的夹钵脱盘力无显著性差异。取苗效能的正交试验分析发现,苗钵含水率水平高度显著影响根土破坏,入钵角度、深度以及根系等试验因素没有统计学显著性影响。当夹取针入钵角为11°,入钵深度为32 mm,苗数为4株,含水率为55%~60%时,所设计的取苗末端执行器对苗钵的夹取作用达到最小根土破坏程度。     

基于圆柱凸轮的株距可调式取苗末端执行器设计与试验

穴盘苗疏植移栽是设施农业育苗的关键步骤,可为幼苗提供优良的生长环境,实现增产增收。针对疏植移栽环节中,可调株距设备自动化程度低,人工作业效率低下,易损苗伤苗等问题,本文设计了一种基于圆柱凸轮的株距可调式取苗末端执行器,可实现不同株距之间的疏植移栽作业。首先,对末端执行器整体结构进行设计,确定其工作原理;其次,通过理论分析确定圆柱凸轮与取苗手指各关键参数,并分析其作业状态下受力情况;然后,利用EDEM与Recur Dyn建立苗钵根土复合模型,进行耦合仿真单因素模拟试验,确定后续正交试验因素范围;最后,搭建了穴盘幼苗疏植移栽试验平台,以取苗针夹角、入土角、取苗针间距和变距速度为试验因素,以苗钵最大形变量和移栽成功率为试验指标,进行正交试验。在最优参数组合为取苗针夹角10°、入土角4°、取苗针间距8 mm、变距速度5 mm/s下,选取128穴至72穴与72穴至50穴两种疏植移栽要求进行验证试验,移栽后128穴钵体形变量平均值为(1.13±0.68) mm, 72穴钵体形变量平均值为(1.51±0.64) mm。总移栽成功率为93.33%,整机移栽效率为22株/min,满足不同穴盘规格疏植作业...     

温室穴盘苗自动移栽机设计与试验

针对种苗从高密度穴盘移植到低密度穴盘,或者从穴盘直接移植到花盆的温室穴盘苗移栽生产需要,设计了一种轻简型自动移栽机。利用成熟的直线模组和无杆气缸组合设计出自动移栽机械臂,驱动取苗末端执行器往复于来源盘和目标盘进行取苗、移苗、栽苗操作,采用双排链传动实现穴盘和花盆输送,对穴盘苗的夹取操作采用气动两指四针钳夹式夹钵取苗方法。根据所设计的移栽机工作要求,构建电气控制系统。试制样机,开展试验研究。采用直线位移传感器系统检测分析机器取苗移栽移位性能,结果显示对于128/72孔穴盘苗,移栽效率分别达到1 221株/h和1 025株/h,运用单样本t检验法分析得到实测取苗移位间隔与理论设定穴孔间隔无显著差别,标准差低于0.5,整机工作精度准确。以当地自行培育的种苗为移栽对象,进行温室穴盘苗移栽生产试验,对比分析自动取苗移栽效能,结果显示多种穴盘苗移栽成功率平均达到90.70%,苗钵夹取破碎率低于5%,自动取苗移栽效果较好。     

穴盘苗温室多末端移栽机运动定位装置设计与试验

为了提高穴盘苗温室移栽机械的自动化程度和移栽效率,对温室穴盘苗多末端移栽机运动定位装置进行了设计。基于多末端执行器联合作业的要求,对其分散装置进行力学分析计算,以实现多个末端执行器等间距移动。对系统进行移位检测试验,检测移栽过程中位置精度,结果表明:128穴盘、4孔花盆自动取苗移位平均值分别为32.291 1、206.324 6mm;通过单样本t检验发现,在0.05显著性水平下,实测取苗移位间隔与设计的穴孔间隔无显著性差异,验证了所设计自动取苗移位装置的可靠性。     

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。     

茄子穴盘苗形态及力学特性试验研究

为了给茄子穴盘苗移栽机自动取苗机构的设计及试验研究提供理论支持，对茄子穴盘苗形态及力学特性进行研究。为快速、准确地测定茄子穴盘苗的形态特性，采用机器视觉系统对适移栽茄子穴盘苗的苗高、茎秆直径、苗冠直径、叶片长度及叶片位置参数进行测定，得出茄子穴盘苗的苗高范围为134.33～150.20mm,茎秆直径范围为1.83～3.06mm,自然状态下苗冠直径范围为128.57～155.77mm。采用MatLab2018b对试验数据进行分析，得知茎秆直径与苗高正相关；自动取苗机构取苗后，在不改变运动方向的情况下，运动距穴盘至少160mm后，才能进行翻转动作；取苗机构开合距离取10mm;为防止穴盘苗移栽过程中叶片损伤及挂苗现象的发生，需设计防叶片张开机构。力学特性测定试验表明：茄子穴盘苗基质含水率范围为30%～40%,机械手取苗力为3.0N,基质损失率为7%,移栽效果较优。     

移栽机整排取送苗控制系统的设计与试验

针对目前全自动移栽机取送苗机构运动轨迹复杂、伤苗率高和工作效率低等问题,设计一种全自动移栽机整排取送苗控制系统。控制系统采用PLC作为控制核心控制步进电机和气缸驱动取苗机构完成整排穴盘苗的夹持、取送和苗盘的更换。根据装置工作要求,构建电气控制系统。通过台架试验,进行单因素试验验证,得到夹苗气缸的行程和压力分别为0.7 mm、0.6 MPa。在不同取送频率下对控制系统的定位精度以及整机的工作性能进行试验,试验结果表明:当取送频率为8次/min时取送效果最佳,此时取苗成功率为94.8%,送苗成功率为95.3%,综合损伤率为3.9%,说明该控制系统稳定可靠,定位精度高,满足穴盘苗整排取送的控制要求,可为穴盘苗的整排取送的实现提供参考。     

花卉穴盘苗自动移栽机构改进设计与试验分析

为减少花卉穴盘苗取栽一体式自动移栽机构带苗现象,提高移栽效果,对移栽机构末端执行器进行了改进设计,并结合机构自身特性以及移栽工作要求,重新分析和确定了移栽机构优化目标,应用自主开发的计算机分析和优化软件,通过目标导向法,优选出一组机构参数并试制样机。分析了花卉育苗基质物理特性对移栽的影响,选取3组不同育苗基质及含水率的向日癸穴盘苗进行试验,试验表明:基质成分为纯泥炭的穴盘苗,其钵苗根系生长包络性好,便于取苗,取苗成功率为98%,栽苗成功率为83.9%,带苗率为13.8%。比较机构改进前后的试验结果,移栽效果和带苗现象均得到明显改善。基质成分中随着珍珠岩和沙子比例增加,钵苗根系包络性变差,钵体强度降低,取苗和栽苗成功率下降,而带苗现象增加。试验结果验证了改进设计后机构的有效性以及在不同育苗基质条件下的适应性,为解决移栽机构带苗问题提供参考。     

串番茄采摘末端执行器的设计与夹持实验

基于串番茄生长特性和采摘要求,设计了一种适应于采摘成串番茄的末端执行器。基于螺旋理论,建立了夹持接触力学模型,分析了夹持的力封闭性;同时,建立了稳定夹持模型,对夹指的可靠夹持力进行了分析,得出夹持力F≥8.24N。制作了物理样机,并对直径为3~8mm的串番茄母枝进行了负重干扰性能的夹持实验,实验结果表明:夹指所能承受的动态负重随母枝直径的增大而增大,最小动态负重为1.015kg,完全满足采摘串番茄时的夹持能力需求。     

探出取推钵式蔬菜钵苗取苗机构优化设计与试验

为了提高蔬菜钵苗取苗机械化程度和取苗效率,设计了一种探出取推钵式蔬菜钵苗取苗机构,可实现快速取推钵动作。以大果哈椒钵苗作为取苗对象,分析了取苗机构的工作原理,建立了机构运动学模型,确立其优化目标,运用Visual Basic 6. 0开发可视化辅助分析软件,优化得出满足要求的最佳参数,形成相应的理论轨迹。建立三维模型,对模型进行虚拟仿真设计,得出仿真轨迹。采用3D打印技术进行试验样机制造,运用高速摄影技术提取试验样机实际工作轨迹,验证了实际轨迹与理论轨迹、仿真轨迹的一致性。试验测得实际取苗针最大入钵力,运用相似理论原理,推算出试验样机最大入钵力,并得到钵土最佳基质比为0. 4,进行试验样机取苗试验,取苗成功率为96. 87%,满足蔬菜钵苗取苗要求,验证了机构设计的正确性与可行性。     

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。     

蔬菜自动移栽机顶夹拔组合式取苗装置试验研究

针对插拔式取苗机构单靠取苗爪插入钵体夹取苗时,因受钵体与穴盘之间粘附力和盘根性不佳双重影响,造成取苗成功率低、钵体破碎率高的问题,提出了一种顶夹拔组合式取苗技术,阐述了取苗装置结构和工作原理,开展了顶夹拔组合式取苗试验研究。首先以72孔和128孔黄瓜穴盘苗为试验对象,通过顶压脱盘粘附力试验,测试了不同顶苗速度（10、20、30、40mm/s）下黄瓜苗的脱盘粘附力以及顶压脱离位移,试验结果表明：顶苗速度对于苗钵粘附力及脱离位移影响不大,粘附力与苗钵脱离位移呈正相关,两种规格穴盘苗顶苗脱离位移平均值分布在5.5~6.9mm之间,综合考虑苗盘落水孔直径和顶压脱盘粘附力试验结果,确定顶杆直径为6mm,顶杆顶苗位移需大于5mm。其次以生长周期为25d的72孔黄瓜穴盘苗为试验对象,开展了先顶后取、边顶边取、先插后顶3种取苗模式试验,结果表明：先顶后取模式下取苗成功率和钵体完整率最高。最后以顶杆顶入位移、取苗爪插入苗钵取苗深度及插入取苗速度为试验因素,开展了三因素三水平正交试验,通过极差分析和方差分析得出顶夹拔取苗装置的最优工作参数组合为：顶入位移为15mm、插入苗钵深度为35mm,插入取苗速度为225mm/s,此组合下取苗成功率94.12%,苗钵完整率94.12%,满足了自动取苗高质量要求。     

双孢菇柔性仿形采摘末端执行器设计与试验

为解决现有夹持式采摘机械手对双孢菇造成的机械损伤高、采摘损失大等问题,基于颗粒阻塞原理设计了一种双孢菇柔性仿形采摘末端执行器。首先根据双孢菇菇盖外形参数设计柔性仿形吸盘的结构,通过预试验分析末端执行器的关键参数;选定了吸盘材料和颗粒填充物的种类,通过有限元仿真验证柔性仿形吸盘的仿形能力和吸附效果,并得到柔性仿形吸盘最优的开口直径。为明确吸附负压、双孢菇直径、柔性膜厚度、颗粒直径等因素对吸附力的影响,对所试制的末端执行器进行了拉脱力试验,结果表明拉脱力与吸附负压、双孢菇直径、颗粒直径均呈线性关系,与柔性膜厚度呈非线性关系。当末端执行器中柔性膜厚度为9mm、颗粒直径为20目的石英时仿形效果最好,并与标准真空吸盘开展了对比试验,试验结果表明同等吸附力柔性仿形吸盘所需负压更低。针对尺寸范围为25~50mm的双孢菇进行了采摘试验,柔性仿形吸盘的采摘成功率为98.5%,并对采后双孢菇进行了损伤检测,柔性仿形吸盘的采摘损伤率为2.5%。结果表明,所设计的柔性仿形采摘末端执行器具备适应性强、抓取稳定、损伤率低等优点,能够满足双孢菇自动化采摘需求。     

旱地钵苗自动移栽机设计与试验

针对目前国内半自动移栽机移栽效率低、综合经济效益不明显等问题,设计了一种旱地钵苗自动移栽机。该移栽机取苗部件利用齿轮五杆组合机构驱动取苗爪完成取苗动作,取苗爪采用插入基质单株取苗方式进行取苗;供苗部件采用不完全齿轮和螺旋凸轮轴组合的结构形式实现横向间歇进给供苗,利用棘轮棘爪机构保证纵向停顿供苗;栽植部件选用行星齿轮箱和鸭嘴式栽植器完成钵苗定植。试验表明:该旱地钵苗自动移栽机运转良好,工作性能可靠,作业效率为71.7株/(min·行)时,取苗成功率97.1%,漏栽率4.4%,满足预期设计要求,可为后期自动移栽机的设计与研究提供参考。     

智能草莓采摘机器人设计及试验

设计了一套针对地垄栽培模式下的草莓智能采摘机器人。该草莓采摘机器人可在一定范围内基于机器视觉识别成熟草莓位置和精准定位,并以夹持、扭转果柄的方式摘取果实,从而实现草莓的无损伤采摘。设计的采摘机器人由三轴精确运动同步滑台机构,三菱fx3n PLC控制系统,视觉识别系统组成,并采用面向对象编程工具C#编写了控制终端及视觉自动采摘算法。试验结果表明,该机具有精度好,自动化程度高、结构合理等特点。在试验环境下对草莓的平均判别速度为1 s,果实误判率为7%,采摘成功率为90%,达到设计要求。     

欠驱动式柑橘采摘末端执行器设计与试验

为实现柑橘采摘的机械化、智能化,设计了一款欠驱动式柑橘采摘末端执行器。该执行器通过三指充分抓握与偏转的融合控制,实现对不同大小及椭圆度的柑橘的稳定采摘。针对不同尺寸柑橘采摘需求,设计了双连杆并联式手指,在抓握直径差异较大的柑橘时,手指能够自动进行抓取或捏取动作,并实现被动柔顺。通过静力学分析,得到抓取力与电机输出力矩间的关系。针对不同椭圆度柑橘采摘需求,为手指根部添加旋转关节。在建立电机驱动控制系统模型的基础上,提出基于电流反馈的主动柔顺控制策略,指根能够旋转合适的角度使指面与柑橘表面紧密贴合,在防止手指棱边刮伤柑橘表皮的同时,增大接触面积、提高摩擦力。仿真结果表明,该末端执行器结构在运动学方面满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了柑橘抓取试验,试验结果表明采摘执行器针对直径30~100mm的柑橘抓取成功率为98.3%,平均耗时5.3s。该末端执行器能够针对不同尺寸、不同形状的柑橘实现采摘功能,具有适应性强、抓取稳定、不损伤果实等优点。     

蔬菜移栽钵苗检测与缺苗补偿系统设计与试验

为解决蔬菜穴盘苗全自动移栽机因穴盘缺苗、取投苗失败等因素导致的漏栽现象，设计了基于多传感器的钵苗检测及缺苗补偿系统(补苗系统)。补苗系统作为独立功能模块，包括补苗装置、钵苗检测单元和控制系统，使用反射型光纤传感器和激光传感器联合检测的方法，对分行苗杯定位和苗杯内钵苗进行识别。利用光纤传感器分别对辣椒、番茄、甘蓝钵苗进行多高度检测试验，以获取光纤传感器最佳检测高度和最佳缺苗判定阈值。设计了自动补苗装置，并对补苗过程进行运动学分析。使用触摸屏、PLC、EM253位置模块等控制元件设计了控制系统，实现整机及补苗系统的控制。对补苗系统进行不同移栽频率下的性能对比试验，试验结果表明：在单行栽植频率分别为60、70、80 株/min时，补苗系统识别成功率分别为98.15%、98.15%、97.69%，移栽机平均漏栽率分别为1.85%、2.31%、2.31%，比未启用补苗系统时漏栽率分别降低了14.59、14.36、15.52个百分点，为进一步提高蔬菜移栽作业品质提供参考。