番茄采摘机器人真空吸盘装置设计与试验

为实现番茄采摘机器人作业时将目标果实从果束中分离,设计了以微型静音空气压缩机和集成式真空发生器为主体的真空吸盘装置,并依据供气压力-负压关系、吸盘拉脱力和真空吸着响应时间测定结果,确定了其控制策略.试验表明,真空吸盘装置平均单次作业的时间和空气消耗量分别为1.5 S和0.6 L,拉动果实实现35 mm水平位移的成功率达92%,空气压缩机功率可以满足采摘效率360个/h的需要.     

番茄采摘机器人真空吸盘装置设计与试验

为实现番茄采摘机器人作业时将目标果实从果束中分离，设计了以微型静音空气压缩机和集成式真空发生器为主体的真空吸盘装置，并依据供气压力-负压关系、吸盘拉脱力和真空吸着响应时间测定结果，确定了其控制策略。试验表明，真空吸盘装置平均单次作业的时间和空气消耗量分别为1.5s和0.6L，拉动果实实现35mm水平位移的成功率达92%，空气压缩机功率可以满足采摘效率360个/h的需要     

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%。     

基于负压吸力的便携式苹果采摘装置的设计与试验

由于末端执行器直接接触果实,往往会因为夹持力过大而压伤果实,因此研究一种更加可靠的末端执行器显得至关重要。本研究创新地设计出一种能够满足苹果采摘需求的机构—基于负压吸力的便携式苹果采摘装置。通过一系列方案分析和采摘试验验证此采摘装置的可行性,结果表明:用本装置进行采摘作业时,每个果实的采摘时间均值为3.19s,与人工采摘时间相近[1];收获果实损伤率低,1级特等品占85%。     

猕猴桃果实物理参数与损伤因素的研究

猕猴桃果实的物理参数和损伤因素为采摘机器人的末端执行器设计与控制提供了理论依据。统计分析了115个收获期"海沃德"猕猴桃果实的物理参数,采用正交试验以果实微损伤的力学特性参数为评价指标研究了果实的损伤因素。结果表明:猕猴桃果实厚度方向尺寸变化最小,球度均值为0.84。果实的几何平均直径与质量存在显著线性相关,相关系数R为0.964。正交试验结果表明,猕猴桃果实存在延迟损伤,早期的微损伤会导致后期果实品质下降。猕猴桃果实的损伤因素,显著性居前3位的为压缩量、加载位置和压头类型。相比前3个损伤因素,加载速率和压头材料相对影响较小。采摘机器人的末端执行器采用两个仿生弧形面、厚度方向抓持,机构简单,受力均匀,抓持稳定。     

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。     

采摘机器人末端执行器研究现状与展望

简述了国内外末端执行器的发展现状,对非夹持与夹持类的果实获取方式和拉、折、剪、热切割等不同分离方式进行了分析与比较,对吸盘、推杆、安全杆等附加机构的功能与配置方式进行了归纳,并介绍了末端执行器中视觉、距离、接近等传感器的集成应用情况,进而指出了末端执行器研究中仍存在的问题。同时,对采摘机器人末端执行器的发展进行了展望。     

猕猴桃采摘机器人末端执行器设计

为实现猕猴桃的自动化采摘,设计了猕猴桃采摘机器人末端执行器.测定了猕猴桃抗压特性和其他相关物理特性,提出了一种机器采摘方案,设计了末端执行器的机械装置、感知系统和控制系统.试验结果表明,该末端执行器对猕猴桃的抓持成功率为100％,采摘成功率为90％,完成一次采摘动作耗时9 s.     

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。     

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.     

基于“淹没法”的双孢菇检测及直径测量方法

随着双孢菇种植面积和产量的增长,智能化采摘机器人的需求已迫在眉睫。为了给采摘机器人提供作业目标和参数信息,通过对双孢菇(白菇)深度图像进行处理和分析,实现了目标检测和直径测量。首先,根据双孢菇三维纵深结构特点,开发了“淹没法”双孢菇-菇床基质分割方法,实现了双孢菇的准确检测;然后,通过坐标变换,得到双孢菇菇盖边缘点的世界坐标,利用Hough圆检测实现双孢菇的直径测量。试验结果表明:此方法双孢菇检出率89%以上,漏检率低于11%,错检率低于2.26%,直径测量误差为2.15%~3.15%,单个蘑菇运算耗时约0.26~0.37s,可为双孢菇机械化采收提供在线、实时的信息决策支持,提高了双孢菇采收质量和效率,并有助于提高双孢菇采收机器人的智能化水平。     

鲜食葡萄袋中袋包装装置设计与试验

为解决鲜食葡萄采摘、收集和运输过程中的损伤问题，设计了鲜食葡萄袋中袋包装装置，采摘作业时与机械臂协同工作，通过袋中袋包装避免损伤，包装完成后葡萄可直接落入收集筐，提高鲜食葡萄机械采收效率。首先，基于葡萄表面硬度、质量损失率、表面破裂指数和穿刺破裂力等损伤指标，确定袋中袋包装装置最佳充气气压为4kPa，通过撑袋过程袋中袋受力分析与袋口形状分析，确定吸盘直径、撑袋距离和同侧吸盘距离为30、125、95mm；然后，建立葡萄果实图像大小与充气时间关系模型，自动调节充气时间，保证不同大小的葡萄在充气包装完毕后都能达到最优的保护效果。最后，以巨峰葡萄为试验对象，试验结果表明无损收集成功率为95%，平均包装时长为28.4s，最大气压偏差为0.2kPa，平均气压偏差率为1.1%，平均损伤破裂率为1.5%，平均脱粒率为0.2%，包装效率为126串/h。袋中袋包装装置作业性能稳定，鲜食葡萄无损包装成功率高，避免了损伤，确保了新鲜度，提高了采摘收集效率。     

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。     

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%。     

基于人工抽薹原理的蒜薹采摘机设计与试验

针对目前我国蒜薹采摘机械化程度低的问题，本文基于传统人工采摘蒜薹的原理，设计一种蒜薹采摘机，通过划茎夹薹装置完成大蒜植株的划茎及将蒜薹从底部夹断的过程，通过拔薹装置完成蒜薹的拔出与输送过程。根据蒜薹及大蒜植株的物理特性参数，对划茎夹薹装置和拔薹装置的结构进行设计；通过理论分析，确定了机器前进速度与关键部件转速的关系；对硅橡胶板夹薹过程进行ANSYS仿真分析，确定了夹薹间隙为2mm。选取针链间隙、滚筒转速和夹手闭合起始角为试验因素，成功拔薹率、拔薹损伤率和留叶合格率为试验指标，进行了三元二次正交旋转组合试验。结果表明：当针链间隙为3.92mm、滚筒转速为48.32r/min和夹手闭合起始角为78.53°时，成功拔薹率、拔薹损伤率和留叶合格率分别为89.10%、20.55%和77.34%。     

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。     

基于SolidWorks的浮动仿形机构设计与试验

针对牧草收获过程中集拢成条时花叶损失多、对土地破坏大的问题,设计研制出一种左右对称布置浮动仿形机构的牧草捡拾集条机。利用SolidWorks软件建立了浮动仿形机构的三维模型,通过Motion插件对浮动仿形机构进行运动学模拟仿真,以浮动仿形机构上的浮动弹簧为主要研究对象,获取了浮动弹簧作用力、浮动弹簧位移的变化规律。为考察样机的作业性能指标,对样机进行了田间试验,将样机的相关技术指标进行测定。运动学模拟仿真与田间试验结果表明:浮动仿形机构满足设计要求,可保证整机具备良好的田间通过性,牧草捡拾集条机相关技术指标达到标准及设计任务书要求,工作性能稳定可靠。     

双孢蘑菇主动气调包装试

通过L9(3)4正交试验设计,研究了不同温度、包装材料、初始O2体积分数和CO2体积分数对双孢蘑菇主动气调包装中贮藏保鲜效果的影响.分别于贮藏后的第3d、第5d、第7d、第9d和第11d测定各个试验处理双孢蘑菇的失重率、硬度、褐变度、呼吸速率、细胞膜透性、可溶性固形物、PPO活性和POD活性.试验结果表明:温度是影响双孢蘑菇贮藏品质的最重要因素,较低的贮藏温度有利于双孢蘑菇贮藏品质的保持;贮藏过程中能保持双孢蘑菇贮藏品质的较优处理组合为贮藏温度为2℃、包装材料为PVC2、O2和CO2体积分数分别为15%和10%.     

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。