面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性

为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据,对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明:峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小,随着切割角度的减少而减少,凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小;除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度;切割角度每减少1,峰值切割力和切割强度分别减少4.45N和0.16MPa;相比平刃的峰值切割力和切割强度,凸刃分别减少166.90N和2.11MPa,而凹刃分别减少167.39N和4.21MPa。随着夹持力增加,荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加,夹持物为橡胶时,摩擦力最大,夹持力对摩擦力的影响大于夹持材料;试验范围内,最大摩擦力为44.54N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力,平均弹性模量为867.15MPa;试验范围内,最大弯曲力的平均值为118.95N,抗弯强度的平均值为56.03MPa。该研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。     

荔枝采摘器优化设计与仿真

为改善荔枝的采摘条件,提高其采摘效率,通过分析荔枝的栽培生长特性,设计了一种简易且不伤果的荔枝串果采摘器具;建立了采摘器剪切运动和剪切力模型,利用Matlab进行了结构参数优化;应用Adams和AN-SYS构建了采摘器虚拟样机及有限元模型,进行了运动仿真分析和强度分析,验证了采摘器整体设计和结构参数的合理性。采摘试验表明,采摘器样机可快速采摘且柔性接果。     

荔枝鲜果挤压力学特性

为减小荔枝在收获、储运过程中的机械损伤,给荔枝作业装备设计提供依据,试验测定了荔枝鲜果的几何特征,对其果实进行了不同加载条件的挤压试验,并对其果壳进行了拉伸试验。试验得到妃子笑、桂味2种荔枝鲜果在5种加载速率和2种压缩方向下的破裂力分别为76.46～112.90?N和38.67～53.83?N、破裂相对变形分别为27.93%～32.57%和18.87%～21.27%、弹性模量分别为2.52～4.69×105?Pa和4.26～5.93×105?Pa。试验表明,荔枝果实的抗挤压能力具有各向异性,其纵向大于横向;妃子笑的各向异性比桂味显著,且抗挤压能力大于桂味;试验范围内加载速率对果实的抗挤压能力影响不显著。荔枝果实可简化为果核呈长椭球体、厚度均匀薄壳球体,利用其简化结构及果壳强度各向异性对其挤压力学特性和裂壳特征的力学原理进行了分析。研究结果可为荔枝收获、加工和运输等提供理论依据。     

荔枝整果压缩力学特性试验

为减少机械损伤,水果采摘机械的设计与控制需充分考虑水果整体力学特性。对荔枝整果进行压缩试验,分析研究荔枝在压缩载荷下的变形规律和重复加载时其刚度的变化,根据Hertz接触理论求得整体荔枝压缩时弹性模量与变形量的关系曲线,通过对试验曲线的拟合求得荔枝刚度与变形的二次关系式。试验范围内得到的荔枝果壳破裂力为30～40N,其受载时趋于稳定的刚度值为6.3954×103N/m。该研究为采摘机械的设计、减少采摘损伤控制最小的载荷提供了参考依据。     

荔枝的力学特性测试及其有限元分析

为减小荔枝在收获、储运过程中的机械损伤,对荔枝的宏观和微观力学特性进行了研究.试验测定得到荔枝各部分的弹性模量;通过压缩试验,测得荔枝整果垂直受压的力学参数大于水平,垂直与水平受压的破裂力、弹性模量和破裂相对变形分别为101.69N和81.25N、0.37MPa和0.27MPa、30.33％和28.86％,并观察得到荔枝受压的裂壳特征.运用有限元法建立荔枝压缩力学模型,比较荔枝垂直和水平受压的试验值和仿真值,二者比较一致,其相关系数均达到0.999以上;研究荔枝在压载作用下的应力分布规律,分析其垂直与水平受压的抗挤压能力和裂壳特征,验证仿真数值解的可行性.试验结果表明:荔枝的抗挤压能力具有各向异性,相同压力下,垂直方向所能承受的压力和变形均大于水平方向;受压时在果壳拉应力作用下发生破裂,裂纹沿外力方向延伸,且出现的截面与压缩方向一致;采用所建立的荔枝有限元模犁可以分析研究荔枝的微观力学性质.研究结果可为荔枝作业装各的设计以及预测和减少其机械损伤提供依据和帮助.     

机械损伤对荔枝生理与果皮形态的影响

为探讨荔枝机械损伤机理,对损伤后荔枝的生理和果皮形态进行了研究。采用压缩试验对荔枝进行不同条件的模拟挤压,测定机械损伤荔枝的呼吸强度和失重率,用扫描电镜观察其果皮形态变化。试验结果表明:机械损伤后,荔枝的呼吸强度和失重率增加,挤压力越大,荔枝损伤程度越大,呼吸强度和失重率增加越迅速;相同挤压力下,荔枝横向受压后的呼吸强度和失重率大于纵向受压,且随着挤压力增大,差异性越明显。机械损伤荔枝果皮破裂始于外果皮,终于内果皮,其破裂位置可发生在龟裂片的纹沟或中央突起处;裂口附近的果皮细胞被拉长,挤压力越大,果皮裂口越大。该研究可为减小和控制荔枝的机械损伤提供帮助。     

采摘机械手对扰动荔枝的视觉定位

为了解决采摘机器人在自然环境中对扰动状态荔枝的视觉精确定位问题,该文分析机械手采摘过程中荔枝产生扰动的因素,设计制造了模拟荔枝振动的试验平台,该试验平台通过改变方向、振频、振幅等振动条件来模拟采摘过程中的扰动环境;结合振动平台运动参数,提出了双目立体视觉系统采集扰动状态的荔枝图像方法,在HSI颜色空间中对预处理后荔枝图像利用模糊C均值聚类法(FCM,fuzzyC-means)分割荔枝果实和果梗,然后利用Hough变换算法进行直线拟合确定有效的果梗采摘区域和采摘点,对多帧图像中采摘点坐标取平均值,然后进行三维重建确定空间采摘点坐标。荔枝扰动状态的视觉定位试验结果表明,空间定位深度值误差小于6cm,荔枝采摘机械手能实现有效采摘,该研究为机械手实际作业提供指导。     

试验数据在线采集处理系统的开发

为了探讨水果机械损伤与其干燥的关联变化影响,开发了微波干燥试验数据在线采集处理系统.系统由传感器、仪表、计算机和软件系统组成.软件系统采用VB与Matlab混合编程,并利用DLL动态链接库方法实现在VB中调用Matlab.该系统可以实时采集干燥室内的温度、物料的质量,并可对采集的数据实时处理、生成图形曲线,以实现干燥过程的动态监测.