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。     

柑橘采摘机器人末端执行器设计与试验

作为采摘机器人的重要组成部分,末端执行器是与采摘对象直接接触的最后执行部件,由于其采摘对象的特殊性,末端执行器的研制成为了农业机器人尤其是果蔬采摘机器人的关键技术之一,它的性能优异程度直接影响机器人的收获效率。基于仿生学理念,以蛇的吞咽动作和上颚结构为构型设计原型,提出末端执行器设计的机构构型,并完成末端执行器的初步模型设计。完成其控制系统设计与气压驱动系统设计,实现下位机控制器Arduino与PC上位机的通信。根据柑橘果实的生长情况与该型末端执行器作业状态分析,设计了末端执行器采摘试验,完成其采摘成功率分析与采摘执行系统优化。     

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。     

柑橘采摘软体末端执行器的设计与试验

为实现柑橘的无损采摘,本文设计了1款采摘软体末端执行器。基于Yeoh本构模型建立软体手指弯曲变形力学模型;借助有限元仿真进行中心组合设计试验,最终取最优组合参数为：气囊高度为7 mm、限制层厚度为3.5 mm、气室厚度为3 mm;通过MATLAB拟合ANSYS有限元仿真结果,进行了力学模型修正;制作软体手指进行弯曲试验,验证了力学模型与有限元仿真可靠性;通过ANSYS有限元仿真得到软体手指充气压强为0.035～0.07 MPa,软体机械手即满足刚度要求又不损伤柑橘。搭建试验平台,得出最大气压下最大挤压力为18.13 N,试验证明采摘软体末端执行器无损夹持柑橘成功率为96.67%,平均采摘1个柑橘需要耗时3.54 s。     

苹果管道输送装置参数优化与试验

针对果农采摘果树高层苹果效率低的问题,设计了一种辅助人工采摘的管道输送装置。为优化该装置的输送参数,建立了撞击力测试试验台,并以‘富士’苹果为研究对象,分析果径为80～90 mm的苹果从3 m高度沿管道输送至果箱处的撞击力及受到的机械损伤。以管道内衬种类、内衬厚度、防撞垫厚度为试验因素,以苹果落入果箱时的撞击力及损伤体积为指标,在单因素试验的基础上进行响应面试验。单因素试验结果表明,珍珠棉内衬材料对苹果的保护作用相对较好,撞击力与损伤体积均分别随内衬厚度和防撞垫厚度的增加呈逐渐减小的趋势。响应面试验结果表明,内衬种类为珍珠棉,内衬厚度为10 mm,防撞垫厚度为8 mm是最优输送参数组合,在该条件下,苹果落入果箱时的撞击力为4.99～5.47 N,损伤体积为275.02～300.52 mm³。经过试验验证,苹果的撞击力与损伤体积的误差均在5%以内,说明管道输送参数优化结果可靠。     

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%。     

钙果采摘装置技术参数的试验研究

为实现钙果的机械化采摘,根据钙果果实的生长特性及种植方式,设计了一种钙果采摘机。该机构利用旋转的钢丝碰撞果实进行脱果,通过调整双摘果辊轴心距,可适应不同形状和尺寸钙果的采摘。为确定机构的最佳工作参数,在分析机构特点和工作原理的基础上,对研制的样机进行了三因素混合的正交试验研究。根据因素的不同搭配对摘不净率的综合影响效果,得到各指标的最佳参数:摘果辊直径140mm,转速300r·min-1,进给速度80mm·s-1。研究结果可为钙果采摘装置的后续优化设计与改进提供重要的依据和技术基础。     

高处林果辅助人工自动扭摘装置设计与试验

针对当前高处林果无损采摘装置缺乏,传统人工拍打、果剪采摘方式效率低、劳动强度大、果体易损伤和攀爬采摘危险系数高等实际问题,设计了一种高处林果辅助人工自动扭摘装置,对装置的林果夹持机构和动力传动机构进行了理论分析与关键部件设计,并基于单片机技术开发了自动扭摘装置的控制系统.为检验装置对高处林果的自动扭摘功能及理论扭摘果径范围,进行了苹果和梨子2种水果的果林采摘试验.试验结果表明:苹果和梨子的采摘成功率分别为88%、82%,适宜采摘果径范围为6.3～8.3cm,单果采摘平均耗时为6.7s.装置扭摘机构与控制系统能自动协调作业,满足高处林果安全无损采收要求.     

苹果管道气力输送装置参数优化与试验

针对苹果在管道输送过程中的撞击损伤问题,对管道气力输送装置的参数组合进行研究。以输送管道内径、管型和进风口风速为影响因素,以苹果迎风面风速为响应值,通过单因素仿真试验确定各因素对响应值的影响规律;基于单因素仿真结果利用多因素仿真试验获得最优输送参数组合,通过验证试验检验最优组合的可靠性。单因素仿真试验结果表明:当管道内径分别为88、96、104、112和120 mm时,随着输送管道内径的增大,苹果迎风面风速呈先增大后减小的趋势;管型对苹果迎风面风速大小影响的排序为,下圆弧管>螺旋管>S型管>上圆弧管>反S型管;当进风风速分别为14.07、15.83、17.59、19.35和21.11 m/s时,随着进风风速的增大,苹果迎风面风速呈先增大后减小的趋势。多因素仿真试验结果表明:最优输送参数组合为,管道内径112 mm、下圆弧型管型、进风风速19.35 m/s,此时苹果迎风面风速为18.46 m/s。验证试验结果表明,基于最优输送参数组合的管道气力输送装置输送苹果时苹果损伤率为14%,苹果损伤面积0~14.82 mm²,损伤体积0~23.84 mm³,86%的苹果为一等及以上果,14%的苹果为二等果。管道气力输送装置可有效降低苹果采摘后落入果筐时的损伤。     

振动式蓝莓采摘机槽型凸轮传动装置的设计与分析

为研制振动式蓝莓采摘原理样机,对蓝莓采摘机的凸轮传动装置进行设计与分析,选择凸轮结构类型及轮廓曲线种类,建立凸轮曲线方程。在MATLAB环境下,依据槽型凸轮设计参数对其进行运动学、动力学仿真分析,以此为基础研制蓝莓采摘原理样机。并对槽型凸轮传动装置运行卡点问题进行研究,提出解决方法:将凸轮滚子双边倒角,并使其能够绕轴转动。经测试,修整后的采摘装置运行平稳,满足振动式蓝莓采摘机设计要求。     

对玉米收获中籽粒破碎和损失的影响因素试验研究

为了降低玉米的收获损失,本研究通过摘穗板式摘穗机构的正交实验的方法,对在玉米摘穗过程中影响籽粒破碎和籽粒损失率的4个因素—摘穗板的型式、拉茎辊转速、籽粒含水率、机具前进速度进行了分析。结果表明:籽粒破碎率受籽粒含水率的影响最大,受摘穗板型式和拉茎辊转速影响次之,受前进速度的影响较小。籽粒损失率受拉茎辊转速的影响最大,受摘穗板型式的影响次之。籽粒的含水率较低(30%左右)、摘穗板的型式为弯板、拉茎辊转速为中速度(600～700r/min)时进行玉米的摘穗作业时,综合指标较好。     

影响板式玉米摘穗机籽粒破碎和损失的因素分析

采用摘穗板式摘穗机构正交实验方法,对在玉米摘穗过程中影响籽粒破碎和籽粒损失率的四个因素—摘穗板的形式、拉茎辊转速、籽粒含水率、机具前进速度进行了分析。结果表明,籽粒破碎率受籽粒含水率的影响最大,受摘穗板形式和拉茎辊转速影响次之,受前进速度的影响较小;籽粒损失率受拉茎辊转速的影响最大,受摘穗板形式的影响次之。籽粒的含水率较低(30％左右)、摘穗板的形式为弯板、拉茎辊转速为中速度(600～700rpm)时进行玉米的摘穗作业时,综合指标较好。     

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。     

新疆野苹果(Malus sieversii)受苹小吉丁虫危害程度与树皮厚度、径阶的关系

为了解新疆野苹果(Malus sieversii)树皮厚度、径阶对苹小吉丁虫危害程度的影响,以具有不同抗苹小吉丁虫(Agrilus mali Matsumura)特性的新疆野苹果类型单株为试验材料,利用相关性回归法找出树皮厚度、径阶与总虫数之间的关系。结果表明:不同野苹果单株受苹小吉丁虫危害差异较大,其中XY-101单株羽化孔数最高11.2个,而XY-49单株最低为0个,总虫口平均数在0.3~11.2头之间,差异均极显著;径阶、树皮厚度分别与总虫数的回归方程为:Y=1.236+0.119Z和Y=1.049+2.071H,在P0.05显著水平下两个方程均通过了t检验,其中变量Z的回归系数为0.119,即径阶每增加1 mm,总虫数就增加0.119个。变量H的回归系数为2.071,即树皮厚度每增大1 mm,总虫数就相对应增加2.071个。因此,新疆野苹果的径阶、树皮厚度与总虫数在一定范围内呈正相关线性关系,随着树皮厚度、径阶的增大,总虫数也明显增大。