基于外旋轮线轨迹的果品振动采收机构研究

为进一步提高果品振动采收效率,降低振动损伤,针对振动式果品采收机构的工作方式,提出了理想果树激振形式假设,并通过ANSYS软件仿真研究不同形式位移载荷对果树模型的影响。根据仿真结果,设计了基于外旋轮线轨迹的果品振动采收机构,分析了该机构的结构特点和工作原理,并建立其运动学模型,推导了机构振幅和加速度方程。在满足激振振幅和加速度的前提下,采用"参数导引"优化方法对外旋轮线机构进行尺寸优化。根据仿真结果与理论分析,加工试验样机,利用高速摄影系统捕捉样机的实际运动轨迹,并与理论轨迹、虚拟仿真轨迹对比,从而验证了外旋轮线机构设计的准确性。进行室内活立木动力学响应试验,并统计各测试点的最大合成加速度平均值和标准差,由此验证了外旋轮线机构可实现对果树的有效激振。     

基于振动试验台的果树枝运动规律的试验研究

结合大规模种植的乔木类果品采收要求,完善果树连续式机械振动采收问题。介绍连续激振式采收过程中影响树枝振动效果的试验,通过振动试验台夹持果树主干不同位置,施加不同类型激振力进行振动实验;利用动态信号测试分析系统进行数据采集和输出,获得不同激振频率、激振位移下果树树冠不同位置的加速度数据及曲线,进行分析和对比。夹持主干的位置距离果树固定端为60cm,振动测试系统输出振动频率为20Hz、激振位移为5mm时,果树枝端获得加速度较大,树枝和果实之间的相对加速度也较大;保证振动采收装置在采收中果实净采收率高,果树损伤小的要求。     

振动参数对果树采收影响的试验研究

从乔木类果品采收实际要求出发,旨在解决乔木类果树的连续机械振动采收问题。为此,进行了连续激振式采收过程中影响果树振动效果的试验。通过电动振动试验系统对果树主干不同位置进行夹持,施加不同类型激振力进行振动试验,利用动态信号测试分析系统进行数据采集和输出,获得不同振动频率、振幅下果树不同位置的加速度数据及曲线,并进行分析和对比。结果表明:当夹持主干的位置距离果树固定端为60cm、振动测试系统输出振动频率为25Hz、激振位移为5mm时,果树获得加速度较大;树枝和果实之间的相对加速度也较大。该试验为振动采收装置的研究提供必要的理论依据。     

大型核桃树振动响应特性与落果试验研究

为确定大型核桃树的振动响应特性,探究大型果树机械化摇振采收方法,以南疆大型核桃树为研究对象,利用ANSYS进行有限元分析获取各分枝振动响应特性;应用自主研发摇振收获设备进行扫频试验及落果试验研究,对各主枝进行共振频率检测,通过各分枝上的传感器获取的频率-加速度幅值曲线,确定曲线峰值对应的共振频率;最后,进行摇振落果试验,对比各主枝在不同共振频率下的落果情况。结果表明：大型果树同一主枝及其上侧枝共振频率相同,各主枝共振频率在22～26 Hz之间;同一主枝上的各检测点加速度响应曲线整体呈现先增加后减小的趋势,距离激振位置越远,加速度响应幅值越大;在共振条件下收获,能够获得更高的落果率。为此,提出一种基于大型核桃树主枝共振频率的摇振采收方法,通过获取主枝处的共振频率,以各主枝共振频率进行多次摇振收获作业,实现共振条件下以较低激振能量获得最大振动响应收获,可有效提高收获效率和采净率。研究结果可为大型果树摇振采收方法提供理论基础。     

红枣收获机激振装置激振频率优化与试验

为提高红枣收获机振动收获效率,对激振装置激振频率进行了优化。首先,建立激振装置与枣树振动系统动力学模型,获得激振装置曲柄转动角频率为2.7rad/s,激振频率为16.9Hz;其次,在ADAMS环境下进行运动学仿真分析,当曲柄转动角频率为2.7rad/s时,机构运动较平稳、无剧烈振动现象,装置机构运动满足要求;最后,对激振装置工作性能及作业效果进行田间试验。试验结果表明:当液压马达转速为25.0~26.5r/min时,即激振频率为16.5~17.4Hz,红枣采净率大于90%,红枣损伤率小于8%,装置各项性能均满足要求,可为红枣收获机激振装置激振频率设定提供理论依据和技术支持。     

自激振动力补偿红枣振动采收试验装置设计

针对传统的树冠强迫振动方法作业过程中采收效果差及伤树(枣)率高等问题,提出一种将自激振动理论与力补偿理论相结合的振动采收方式,并设计出一种基于自激振动力补偿的红枣采收试验装置,以提高振动采收效果,降低红枣与果树的损伤。为此,介绍了试验装置的结构与工作原理,并对关键工作部件进行了设计。通过对激振装置主要运动部件的运动过程进行理论分析,获得了拨杆滚筒的运动学方程,得出了拨杆滚筒的振幅表达式并分析了主要影响因素,同时计算出拨杆滚筒需要力补偿控制系统进行激振力补偿的扭转角度阈值为1 9.4°,为红枣采收试验装置的试验研究提供了理论基础。     

离心泵水力诱导激振试验研究

离心泵的水力诱导激振影响泵的安全稳定运行。为了揭示离心泵水力诱导激振特性,以一台单叶片离心泵为试验对象,采用两个垂直布置的涡电流位移传感器测量离心泵空转及抽水时叶轮口环的瞬态位移,获得了叶轮口环瞬态位移的时域图、频域图以及口环位移轨迹图。基于霍尔感应器的键相信息,采用华科水力机械综合测试仪获得了离心泵在不同流量工况的水力诱导激振特性。试验结果表明,离心泵空转及抽水时时域图、频域图相似,波形均为周期性重复的畸变正弦曲线,主频均为叶轮转频,口环位移轨迹图均为畸变的椭圆形,但抽水时口环位移幅值有所减小。离心泵的水力诱导口环位移轨迹图在不同流量工况下均为畸变的椭圆形,在210°~300°之间出现一个突变区域,水力诱导激振在小流量工况显著增强,在额定工况及大流量工况水力诱导激振基本不变。     

树冠振动式核桃采收装置的设计与分析

为提高核桃采收效率、降低果树损伤,针对新疆核桃种植模式,设计了树冠振动式核桃采收装置。该装置通过拨杆圆盘的直线往复运动产生的激振力实现核桃振动采收。通过对曲柄滑块总成进行运动分析,推导出了滑块速度和加速度的表达式,并对装置产生的激振力进行求解,得出振动频率为2Hz时装置对核桃最大激振力为134N,验证了该装置进行采收作业的可行性。同时,对采收装置进行惯性力分析,推导出了不同组数曲柄滑块总成的合力表达式,得出了该装置所受惯性力最大为8.69N,为新疆核桃收获机的进一步研究提供了理论基础。     

种子清选机电磁变频激振清筛装置设计与试验

清筛装置对筛片的振动激励是提高物料透筛概率、减少筛孔堵塞以及有效清筛的根本因素。现有清筛装置多使用随机弹跳的橡胶球完成清筛作业,但其清筛效果易受到结构与工作参数制约。为解决橡胶球激振力难以精准调控问题,设计了电磁变频激振清筛装置,阐述了总体结构与工作原理,设计了激振清筛单体与变频激振控制系统,分析了振动激励作用机制;以加速度为指标,研究了弹簧预压缩量与激振频率对振动激励的影响规律,结果表明两者均与振动激励正相关;以净度、筛分效率、筛分时间、卡种数量为指标开展了16组玉米种子清选试验,试验结果表明弹簧预压缩量为2 mm、工作频率为3.5 Hz、清筛频率为50 Hz时清筛装置具有较好的作业效果,种子净度99.1%,筛分效率88.6%,筛分时间70 s,卡种数量为0;通过分段设置工作频率与清筛频率,实现了清筛装置激振力的精准调控,能够满足不同工况下正常筛分与强振清筛的作业要求。     

Y型果树动力学模型假设与分析

果树振动动力学模型分析是果树振动动态特性研究的基础。通过对Y型果树(变侧主干形果树)在不受外部载荷作用下的自由振动及受激振力作用下的受迫振动,进行动力学模型分析;在参考Y型果树形态特征的前提下,对模型进行简化,建立振动微分方程,并给出求解微分方程的方法,得到了Y型果树自由振动下振型函数的解析解表达式及系统的各阶响应。在此基础上,对模型进行等截面处理,建立Y形果树受迫振动的动力学模型,对其建立微分方程,给出求解微分方程的方法,得到了Y型果树受迫振动下振型函数的解析解表达式及受迫振动的各阶响应,为果树动态特性研究和果树振动采收机械的工作参数设定提供理论数据。     

机器人采摘葡萄果穗振动仿真与试验

针对机器人摘取及移送过程中导致的果穗振动与果粒脱落问题,提出了一种面向穗轴激励输入的果穗振动仿真模型。以葡萄为研究对象,在果穗"梗-果"结构特性基础上,提出了"挠性杆-铰链-刚性杆-质量球"复合果穗模型,并由试验确定了模型中各级梗间铰链弹性系数与阻尼系数、果粒尺寸与质量的正态分布规律,获得了主穗轴的抗弯特性。进而利用激光3D扫描重构得到梗系统,根据试验结果分别进行刚性、挠性杆件定义和果粒与梗间铰链的添加,构建得到果穗振动仿真模型。通过仿真精度验证试验发现,在激励作用的加速、匀速和减速阶段,经正态分布统计仿真与实测中果穗的各果粒摆角均值与标准差相差均在2%和6.6%以内,表明不同阶段其精度均良好。最终利用该模型分析了不同激励方式及不同采摘阶段对果穗振动的影响。果穗振动仿真模型的建立,为实现各类果穗的机器人"减振低脱"采摘提供了有力的分析工具。     

单偏心式油橄榄振动采收机仿真优化与试验

为提高油橄榄的振动收获效率，针对油橄榄密植果园的种植环境，设计一种单偏心块悬挂式油橄榄采收机。通过对果实进行受力分析得到果实脱落加速度可简化为果实果柄结合力与果实质量的比值，测量得到脱落加速度的90%分位数为1 113.35 m/s²。通过正交试验仿真研究果树树形参数(主干直径、主干高度、主枝夹角)和激振参数(激振频率、激振力)之间关系，并对仿真与试验相关性进行分析，表明仿真与试验的平均相关系数为0.73,平均相对误差为26.5%,主干直径和主干高度对激振参数有显著影响。使用采收样机对油橄榄(莱星)进行了试验，结果表明：夹持点振幅与激振频率呈正相关关系；果树侧枝3个监测点的共振频率为22.5 Hz,与响应面试验结果的21.8 Hz相近；油橄榄树的平均采净率约为91.22%,且无果实损伤。     

水稻插秧机异形非圆锥齿轮宽窄行分插机构研究

针对现有旋转式高速宽窄行分插机构取秧过程总传动比无法进一步增大而限制了对秧针直取秧姿态作出进一步改善的问题,提出一种基于球面节曲线的异形非圆锥齿轮传动机构,与交错齿轮组合成空间行星轮机构并应用于高速宽窄行分插机构中。以首尾连接两段光滑的非均匀B样条曲线建立封闭的异形非圆锥齿轮节曲线理论模型,调节节曲线过渡段齿形高度以实现齿轮连续传动。建立了分插机构理论模型,分析了异形非圆锥齿轮对插秧轨迹形状与姿态的影响。基于优化后的结构参数建立了分插机构三维模型和加工实物模型,分别对机构仿真轨迹和速度以及高速摄影获取的试验插秧轨迹和速度进行对比分析,同时,完成了基于旋转土槽的实际栽插试验,验证了分插机构建模的正确性以及机构的可行性。最后,通过与斜齿交错-非圆锥齿轮行星系宽窄行分插机构的插秧轨迹速度进行对比,得出该机构在取秧过程具有更优的直取秧动作。     

基于节曲线凸性判别的行星轮系移栽机构解析

为了建立非圆齿轮凸性与理想移栽轨迹之间的直接联系,使行星轮系移栽机构更好地满足作业要求,提出一种基于非圆齿轮节曲线凸性指标的不等速行星轮系机构参数求解方法。根据给定的运动轨迹,建立全局坐标系;将轮系简化为二杆二自由度开链机构（2R机构）,建立基于移栽轨迹的机构运动求解模型,提出非圆齿轮节曲线凸性判定指标,确立轮系中心位置变化范围即解析区域。根据运动学原理,由二杆二自由度开链机构复演理想移栽轨迹,求解轮系传动比,建立不等速传动比计算与分配模型,得到杆长、杆长比、轮系传动比、非圆齿轮节曲线凸性值等移栽机构参数,建立可以形成给定移栽轨迹的移栽机构参数信息图。避免了调试非圆齿轮节曲线的盲目性、优化机构尺寸和结构设计中双臂干涉等问题,为设计可形成特定轨迹的轮系机构提供参考。对几种常见移栽轨迹进行计算分析,以“鹰嘴形”水稻钵苗移栽轨迹为例进行非圆齿轮行星轮系钵苗移栽机构的设计仿真与样机试验,仿真轨迹、试验轨迹与给定理想轨迹基本一致,验证了计算模型的正确性与设计机构的可行性。     

枸杞果实振动脱落特性模拟仿真及试验研究

为深入研究枸杞果实-果柄振动分离特性,确定成熟枸杞果实-果柄分离用时最短的激振振幅与频率组合,研究了枸杞果实振动脱落机理,并通过仿真试验得到了最佳振幅和频率、枸杞脱落数量与时间的关系曲线、振动杆加速度和枸杞果实的加速度。搭建了枸杞振动试验台,以脱落所需时间为指标,分别对成熟和未成熟枸杞进行了振动脱落正交试验,获得了不同激振组合参数下振动杆的加速度及枸杞的脱落情况,最终确定了试验因素的最佳组合为:激振振幅12mm,激振频率16Hz。该条件下成熟枸杞脱落用时为1. 39 s,激振方向最大加速度为162. 81m/s2。本研究可为振动式枸杞机械收获装置的设计提供理论依据与数据支撑。     

四足机器人静步态轨迹规划与仿真分析

以四足机器人为研究对象,针对四足机器人在正常行进过程稳定性不高的问题,提出一种基于重心移动的间歇性walk步态规划。利用SolidWorks建立四足机器人的三维建模。首先利用D-H算法推导出单腿的运动学方程,然后借助MATLAB采用摆线曲线进行轨迹规划。同时,利用五次多项式曲线借助MATLAB、ADAMS搭建联合仿真平台,采用联合仿真的方法,通过不断调整轨迹参数,实现了该机器人稳定的静步态行走,验证该结构的合理性以及轨迹算法的稳定性。     

变化光照下树上柑橘目标检测与遮挡轮廓恢复技术

遮挡是自然场景中普遍存在的问题,为在变化光照条件下正确检测出自然环境中的树上成熟水果目标,从而为全天候的机械采摘提供运动参数,研究了基于彩色信息和目标轮廓整合的树上遮挡柑橘检测方法。在对自然光照条件下的可见光彩色图像进行颜色特征分析的基础上,建立了利用R-B色差图融合归一化RGB颜色空间的方法,对树上水果目标区域进行了初分割。然后提取R-B色差图的主边缘构造边缘片段集,根据边缘片段长度、弯曲程度以及凹凸性来选择有效边缘片段集,对每个有效边缘片段进行拟合,最后根据水果形状知识选择出有效拟合目标椭圆。根据对不同光照条件和遮挡程度的场景处理的结果表明,所提算法能有效恢复出树上存在遮挡的水果目标,最后遮挡轮廓恢复结果的相对误差为5.34%。     

基于压电效应的果实采收超声切割机理分析

主流果蔬采收末端执行器根据采收的果蔬品种和果梗木制纤维材质的不同,结构差异较大,均存在占据空间大、结构笨重、易碰撞果实和易造成损伤等问题,不利于果梗切割,因此研究一种结构灵活、占据空间小、切割省力的适用于不同果梗木制纤维的超声切割刀应用于果蔬采收末端执行器非常重要。本研究采用理论-有限元-试验相结合的方式对超声切割刀切割果梗的机理进行分析。首先建立了超声刀具切割果梗的物理场模型,通过对切割过程进行时空分析,建立了其位移、速度、加速度等数学模型,分析了切割过程的时空不连续性,基于断裂力学对果梗切割机理进行研究并绘制Matlab响应面图,可以发现超声切割所需要的力小于常规切割。利用有限元分析软件,对超声刀具进行了模态分析和谐响应分析,得到了刀具在不同频率下的振动模态和利于切割的最佳频率。最后,利用自制试验台采用不同切割速度分别对不同直径的橘子和橙子果梗进行了超声切割试验。试验结果表明：切割速度和激振频率与采收切断力有关,在高频和低频振动下,随着果梗直径增加,切割时间变化在0.4s内,切割效率稳定;试验中超声切割的最大切断力远小于常规切割,且小于1N,超声切割可以很有效地降低切断力,减小切割时的冲击作用,相对于常规切割切断能力更强,适合将其应用到采收末端执行器,从而获得更高的采收效率。