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%。     

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。     

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.     

番茄果实串采摘末端执行器设计与运动仿真

为解决单果采摘效率低、果实易损伤等问题,设计了用于番茄果实串采摘的具有夹持与切割功能的末端执行器系统。夹持系统采用平行夹爪气缸结构,切割机构采用钢丝软轴带动圆形锯片的切割方式,并对末端执行器进行了静力学和运动学的分析与仿真。试验结果表明:末端执行器采摘时,夹持果梗动作需要0.5s,切割果梗动作约需7s,切割机构回到初始位置需5.5s,完成番茄果实串采摘动作共需13s,夹持机构行程12mm,切割机构行程40mm,末端执行器能够符合番茄果实串采摘要求。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能试验

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3 mm和7 mm时,动态最大负重质量分别为1.33 kg和3.01 kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5 mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7 mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能测试

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能测试试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3mm和7mm时,动态最大负重量分别为1.33kg和3.01kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

设施番茄采摘机器人设计与研究

针对设施番茄采摘存在用工难、用工贵、劳动强度大等问题,文章设计了一种温室番茄采摘机器人。该番茄采摘机器人主要由视觉系统、末端执行器、机械臂、底盘和辅助照明机构等组成,并基于各设计结构完成温室番茄采摘的工作流程设计。该采摘机器人通过ZED 2i双目立体相机对番茄果实进行识别与定位后,机械臂引导末端执行器完成番茄果实的采摘。试验结果表明,视觉系统与各模块之间运行良好,单果采摘耗时约为18 s,采摘成功率达88%。     

多末端苹果采摘机器人机械手运动学分析与试验

提出了一种多末端采摘机器人机械手结构方案,设计了机械臂、末端执行器及其控制系统。机器人机械臂采用主从两级结构,从臂前端可挂接多个末端执行器。末端执行器能进行果实连续采摘,其结构紧凑、驱动简单、通用性好,可适用于苹果、柑橘、梨等球形水果的自动化收获。针对设计的采摘机械手具有多末端的特点,提出了果树分区采摘作业策略,一个采摘区内各个末端执行器同时连续采摘、果实集中回收。在此基础上建立了机器人机械手运动学模型,采用D-H法推导了运动学方程,运用Matlab Robotics Toolbox进行了运动学仿真验证。制作了机械手物理样机并在实验室环境下进行了机械手运动学及采摘试验,结果表明,机械手各从臂末端位置误差小于9 mm,采摘成功率为82.14%。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能测试

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能测试试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3mm和7mm时,动态最大负重量分别为1.33kg和3.01kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能测试

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能测试试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3mm和7mm时,动态最大负重量分别为1.33kg和3.01kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

便携式采茶机切割器运动仿真与试验

利用ADAMS软件对双动割刀往复式切割器进行运动仿真研究,依据仿真结果,应用响应面法对一次切割率、重割率和漏割率进行分析,确定齿距20mm、齿高19mm、刀机速比1.05为最优组合。此时,一次切割率、重割率和漏割率分别为76.45%、21.34%和2.50%。利用双动割刀往复式切割器进行田间试验,并与仿真结果进行对比分析。结果表明,一次切割率实测值与模拟值绝对误差小于6%,漏割率实测值与模拟值绝对误差小于2%。此方法可为便携式采茶机切割器的参数优化提供理论依据     

单人背负式采茶机的设计分析

茶叶源于中国,有着悠久的历史,原为宫廷饮料,后普及民间。随着时代的发展,茶叶已不再是一种单纯的嗜好,而成为人类期望健康的饮品。大规模现代化的茶叶生产需要以茶叶机械化为后盾,而传统手工收茶不仅效率低下,且食品安全也受到影响。为满足大规模制茶的需求,研制了一种单人背负式采茶机,并对采茶机进行性能分析实验。实验结果表明:该采茶机割幅600mm,漏采率小于2%,芽叶完整率大于85%,往复式切割器工作稳定、切割效果良好,满足了茶农对于采摘的需求;采后蓬面整齐,芽叶完整,不影响下次采摘,适用于多种类型的茶园采摘作业。     

手持式名优茶嫩梢采摘机械手设计与试验优化

针对名优茶机械化采摘难的问题,根据茶叶采摘农艺要求和手工采摘动作的分析,设计了一种手持式名优茶嫩梢采摘机械手,模拟人手指夹住茶叶并通过提拉进行采摘。通过采摘机械手的运动分析,得到了影响采摘效率的因素磁钢距离、主动手指角速度和主动手指转角的参数变动范围。采用Box-Behnken响应面分析方法,研究影响因素对采摘成功率的交互影响,以采摘成功率为响应值建立二次回归模型,各因素对采摘成功率的影响显著性主次排序为：主动手指角速度、磁钢距离、主动手指转角;运用Design-Expert 11.0软件的优化模块,以采摘成功率为优化目标对各因素进行优化,得到优化参数为：磁钢距离40.04 mm、主动手指转角153.0°、主动手指角速度3.38 rad/s。以优化后的参数进行采摘试验,结果表明采摘成功率为74.3%,3次采摘平均速度为25.2个/min,试验值与预测值的相对误差小于5%,优化模型结果可靠。     

推剪式樱桃采摘器设计与试验

新鲜樱桃果实娇嫩,收获期短,并且要求带柄采摘。然而目前主要采用人工采摘方式,劳动强度大、作业危险且效率低,难以满足当前新鲜樱桃产业发展的要求。针对这一问题,仿照理发的原理,研制一款推剪式樱桃辅助采摘器,通过连续快速地推剪樱桃果柄,从而实现樱桃的快速带柄采摘。同时,还分析影响樱桃果柄剪切效果的因素,并通过果柄剪切对比试验,得出在静刀片齿距为3.5 mm,动刀片齿距为3.0 mm,动刀片行程为3.5 mm以及电机转速为7 000 r/min时,采摘器的采摘效果最佳。果园试验表明,使用该装置辅助人工采摘樱桃,平均半小时内采摘樱桃9.7 kg以上,带柄合格率98%以上,损伤率1%以下,实现快速高效带柄采摘樱桃,并且不碰伤樱桃果实及果树,具有较好的参考与应用价值。     

螺纹管吸附式名优茶采收器设计与试验

针对名优茶选择性采摘时，因茶叶附壁导致收集成功率低的问题，根据一芽二叶的物理参数设计了一种螺纹管吸附式茶叶采收器。通过预试验得到了影响茶叶收集成功率的因素：负压、螺纹线数和螺纹导程的参数范围；采用Fluent仿真和Box-Behnken响应面分析法，研究各因素对茶叶收集成功率的影响。试验结果表明：3个因素改变管内近壁面处的空气切向速度；各因素对收集成功率的影响显著性主次排序为：负压、螺纹导程、螺纹线数；以茶叶收集成功率为优化目标对各参数进行优化并对优化后的参数取整，得到参数为：负压H=120 Pa、螺纹线数N=9、螺纹导程S=95 mm。以优化后的参数进行吸附式收集试验，结果表明收集成功率为98%,即优化后收集成功率相较于优化前提高26个百分点，试验值与预测值的相对误差小于5%,优化模型结果可靠。     

单驱双夹式草莓末端执行器设计

针对温室高架栽培草莓自动化采收需要,设计了一种单驱双夹式采摘末端执行器。该末端执行器采用单气缸驱动,通过在剪短果柄的同时夹持近果实端果柄的方式完成草莓果实采摘,结构紧凑、控制方便、且通用性好。通过对草莓果实生长形态参数和果柄力学参数的测量分析,优化设计了采摘末端执行器结构模型,并对其果柄夹持和剪切性能进行力学模型验证。     

链齿式残膜回收机捡拾机构参数优化及试验

针对链齿式残膜回收机捡拾效率不高、工作性能一般等问题,设计了一台链齿式残膜回收机。首先,介绍了工作原理和结构设计;然后,运用Design-Expert8. 060软件,采用Box-Behnken试验方法,以捡拾转速、入土深度、捡拾齿周向间距、捡拾齿轴向间距为影响因素,以捡拾率为响应值,进行了四因素四水平的响应面试验及回归方差分析,分析各因素对链齿式残膜回收机捡拾装置的捡拾率的影响程度,并对各个因素进行优化。试验结果表明:影响捡拾率程度的大小依次为捡拾转速>捡拾齿轴向间距> C捡拾齿周向间距>入土深度;当捡拾转速91. 41r/min、入土深度143. 48mm、捡拾齿周向间距91. 49mm、捡拾齿轴向间距32. 31mm时,残膜的捡拾率达到91. 02%,相对误差较小。     

茶叶嫩芽机器视觉识别算法研究

针对自主采茶机器人,研究了在茶园自然光环境下如何高效识别茶叶嫩芽。针对自然光条件下采集的茶叶图像含有大量噪声的情况,为了避免一些像素值变化剧烈的像素点,根据分析,最终选用双边滤波去噪算法,对茶叶原始图像进行平滑滤波的同时,还能有效保留图形的边缘等有用信息。采用一种新的基于颜色通道调换的算法来增大茶叶嫩芽和老叶以及环境的对比度,然后提取茶叶的颜色特征,进而分割提取出茶叶嫩芽。实验结果表明:基于颜色通道变换的算法具有高效稳定等优点,能够很好地识别茶叶嫩芽,可以满足自主采茶机器人对茶叶嫩芽识别的要求。该算法为后续自主采茶机器人的研发提供了技术支持。     

蔬菜自动移栽机对置秧盘交替自动取投苗机构研究

针对现有蔬菜自动移栽机茎秆夹持式和钵体顶出式取苗方式的缺点,基于顶出-夹取结合式取苗方式,设计了一种适用于对称布置可弯曲秧盘的交替式取投苗机构。阐述了该机构工作原理、关键点运动轨迹和结构组成。分析了关键因素对秧苗夹持点运动轨迹的影响方式并优选了取值：驱动曲柄转速10r/min,取投苗摇杆长度为 309mm,驱动气缸伸出速度25mm/s,0.8s内完成拔苗,伸出时刻为提前0.4s。该参数组合下秧苗夹持点在拔苗阶段最大横向位移9.6mm,累计横向位移0mm,理论提升高度44mm,满足取投苗作业理论要求。以苗龄45d的辣椒秧苗为作业对象,进行了栽植频率70~120株/(min·行)的取投苗性能试验,试验结果表明,该交替取投苗机构在栽植频率100株/(min·行)时可实现取苗成功率93%,投苗成功率95%,总体成功率88%,满足取投苗作业要求,验证了该取投苗机构的可行性。     

基于DEM-MFBD的辣椒移栽机取投苗装置设计与试验

针对现有辣椒移栽机取苗成功率低、损伤率高、稳定性差的问题,设计了一种插夹联动式末端执行器,基于整排取苗、间隔投苗的取投苗作业形式设计了气动控制系统,分析了取投苗装置结构及工作原理,建立了末端执行器运动学、动力学模型,以薄皮椒钵苗为研究对象开展力学特性试验,结合取苗过程边界条件确定了末端执行器主要参数范围;通过ADAMS运动轨迹仿真与FluidSIM-P 3.6气动系统仿真分析,验证了取投苗装置结构设计与气动时序的合理性;通过DEM-MFBD联合仿真对取苗情况进行了可视化分析,为末端执行器关键参数优化提供依据。通过单因素试验明确了各关键因素对取苗成功率与基质损失率的作用规律;设计正交试验,通过方差分析、响应面分析与多目标寻优得出最优参数组合为：取苗针间距12.25 mm、取苗针入土角50.37°、取苗针行程14.21 mm。台架验证试验得出：取苗成功率为97.92%、基质损失率为2.21%,与回归模型预测值误差分别为0.49%、3.8%,无茎秆损伤现象,取投苗效果良好。