多柔性指滚筒菠萝采收机构工作原理及设计

菠萝机械化收获的研究目前处于初期阶段。该研究设计了一种多柔性指滚筒菠萝采收机构,模拟人工采收方式形成折断力矩使水果与植株分离。首先,提出一种通过两组柔性指与菠萝作用形成折断力矩使菠萝花萼处脱落层断裂的采收方法,并测量了该采收方法下脱落层的折断力矩;其次基于柔性指与菠萝作用时产生大变形的特点,确定了以伪刚体模型表征柔性指大变形的方法;根据采收机构模型和菠萝物理、力学特性建立了采收力学模型,确定了菠萝临界损伤条件下的收获评价函数,并基于所建立的模型求出了采收机构的最佳结构参数和收获可能性区域。最后,结合理论分析试制了样机进行台架试验,试验结果表明：当菠萝处于收获可能性区域内时,两滚筒相对倾角为35°,左侧柔性指长度为120 mm、相邻两指间隙为30 mm,右侧柔性指长度为150 mm、相邻两指间隙为10 mm的采收机构能成功采收菠萝,收获率为85%,损伤率为5%,单个果实平均采收时间约为1 s。该研究结果可用于指导双柔性指滚筒菠萝采收机构的开发。     

旋转剪切式青花椒采摘装置设计与试验

针对基于“下桩”采摘方法的青花椒采摘设备存在喂入困难、易堵塞而造成采摘效率低的问题,该研究设计了一种旋转剪切式青花椒采摘装置。首先基于花椒枝物理、力学特性确定旋转剪切式青花椒采摘过程包括花椒枝旋转驱动、花椒枝导向喂入和剪切采摘,剪切采摘功能由往复式切割器实现。并设计双动刀往复式切割器及其传动机构,确定了剪切采摘装置的结构和运动参数。进一步地,运用ANSYS/LS-DYNA构建花椒枝剪切仿真模型,确定最优齿形参数为：刀齿切割角20°,刀齿刃角50°,刀齿厚度2.5 mm,该条件下峰值切割力为3.739 N。最后通过单因素试验确定了花椒枝喂入角度、花椒枝喂入速度、花椒枝旋转速度的取值范围分别为40°～60°、20～40 mm/s、20～40 r/min;并采用BoxBehnken设计法制定三因素二次回归正交组合试验方案,运用Design-Expert 12对试验结果进行方差分析和响应面分析,得到旋转剪切式青花椒采摘装置的最优工作参数为：花椒枝喂入角度55°,花椒枝喂入速度33.21 mm/s,花椒枝旋转速度30 r/min;通过试验验证得出在最优工作参数下,单人单枝喂入时青花椒平均采摘效率...     

盆栽红掌移栽手爪设计与工作参数优化

为实现盆栽红掌花卉在盆间移栽领域的自动化移栽作业,该文进行了盆栽红掌移栽手爪设计,并采用试验方法对移栽手爪进行了工作参数优化,可实现红掌花苗从110 mm×90 mm规格花盆移栽到至170 mm×150 mm规格花盆的移栽任务。移栽手爪采用两侧同时抱抓的形式,实现对花苗的聚叶、抓取、固定功能,通过机构创新设计,在提高抓取成功率的同时,避免出现伤苗情况。根据红掌花苗生长特点及种植情况,对移栽手爪的工作过程进行了分析,选取升降气缸气压、钢针插入斜度和钢针插入点到中心的距离作为因素,选取花苗脱离花盆后的提取效果作为试验指标,进行盆栽红掌移栽手爪作业性能的二次回归正交旋转组合试验,确定最优工作参数。试验结果表明,针对种植在110 mm×90 mm规格花盆的花苗,当升降气缸气压为0.36 MPa,钢针插入斜度为28°,插入点到中心的距离为38.12 mm时,可达到良好的移栽效果,具有较高的移栽成功率,能够应用到实际生产当中。研究结果可为盆间移栽领域自动化移栽机的研制与开发提供参考。     

双排交替齿形筛菠萝输送机构设计与试验

针对拨杆喂入式菠萝采收机所存在采摘后的菠萝果实在输送过程中容易堵塞、堆积,并在接果板与挡板输送链之间的间隙中挤压损坏导致的输送成功率低、输送损伤率较高的问题,该研究设计了一种双排交替齿形筛输送机构作为输送过程中的缓冲过渡机构。阐述了双排交替齿形筛输送机构工作机理,并根据运动特点确定了其结构参数,如杆件长度和角度、齿形筛板排列间距等。建立齿形筛板各齿端的运动方程和菠萝果实与齿形筛板的接触力学模型,求解了菠萝果实临界碰撞损伤及临界输送弹跳时双排交替齿形筛输送机构转轴的工作角速度分别为23.13和10.56 rad/s,并确定了接果板倾角、采摘装置转轴转速和输送机构转轴转速为影响该输送机构输送效果的3个主要参数。将这3个参数作为试验因素,以果实输送成功率和果实滞留数作为试验指标,依据Box-Behnken试验原理开展了三因素三水平台架试验,建立了试验指标与各影响因素之间的回归模型,并利用回归模型求得了最优参数组合。田间试验结果表明,接果板倾角为14°、采摘装置转轴转速为27 r/min、输送装置转轴转速为70 r/min时果实平均输送成功率为94.87%、平均果实滞留数为2个,输送作业过程中均无果实受损,可满足菠萝果实输送工作需求,提高菠萝果实采收效率。     

茶鲜叶嫩梢捏切组合式采摘器设计与试验

针对条形名优绿茶依赖人工采摘、无专用采摘器的问题,该研究设计了适用于名优茶采摘的捏切组合式采摘器。首先分析人工采摘嫩梢的运动过程及茶叶嫩梢物理特性,设计了基于盘形凸轮的捏切、送、甩、抛循环式采摘机构和柔性捏切一体采摘爪。通过算法控制采摘臂旋转速度,采摘器实现了低振动、准确采摘。样机试验表明：采摘器单次作业最大时间小于0.6 s,实际采摘成功率稳定在100%,说明捏切组合式采摘器符合茶园嫩梢采摘连续、快速的需求。喂入深度和采摘高度越大采摘成功率越高,根据茶叶生长环境和农艺要求确定较优采摘高度和喂入深度均为10 mm、采摘角度为0°。试验结果表明采摘器采摘的茶叶嫩梢与人工采摘品质相同。该研究可为茶叶嫩梢低损、快速采摘提供参考。     

苹果采摘机器人柔顺抓取的参数自整定阻抗控制

为了实现苹果机器采摘过程中的柔顺抓取以减小果实损伤,该文在对苹果抓取过程的力学特性变化规律分析的基础上,提出了苹果采摘机器人柔顺抓取的参数自整定阻抗控制方法。首先,利用Burgers黏弹性模型表征苹果的流变特性,将抓取过程分为匀速加载、夹持减速、应力松弛3个阶段,在此基础上求解获得苹果形变量随时间的变化规律和果实接触力与变形量的变化关系。然后,求解出所设计的基于力的阻抗控制系统的期望输入以及抓取环境接触力模型。最后,针对阻抗控制器参数对接触力的影响,构造阻抗参数自整定变化函数,完成改进阻抗控制系统设计。仿真及试验结果表明:依据果实抓取模型及变形规律求解期望位置的方式来模拟末端执行器对苹果的抓取过程是可行的,所建立的抓取环境接触力模型在一定程度上能够避免将环境模型简化为一阶模型而产生的误差。改进阻抗控制得到的期望抓取力更加平顺,其超调量约为2.3%,接触力调节时间减小到0.48 s,接触力的超调量约为2%,较未改进阻抗控制的接触力超调量减小了37.5%。研究结果可为苹果采摘机器人的柔顺控制方法提供参考。     

基于气动无损夹持控制的番茄采摘末端执行器设计与试验

为实现类球形果实采收过程中稳定夹持和无损采摘,该研究以番茄为研究对象,设计了一款全气动吸-夹一体式无损采摘末端执行器。首先设计空间多连杆三爪机构,采用3个夹持爪单元空间轴向均布的方式构成空间多连杆末端执行器主体机构,实现中心吸盘回拉果实和夹持爪夹持果实两个动作由单一主动气缸驱动并实现顺序动作;其次,建立末端执行器夹持爪单元的数学模型,并确定满足夹持爪尖端张开最大范围156 mm和吸盘回拉移动最大距离38.7 mm条件下的末端执行器结构参数,通过ADAMS软件对其进行运动学和动力学仿真分析,获得各部件间运动速度和加速度的相对关系,以及夹持力与气动系统压力和果实尺寸的关系。最后,设计并搭建具有压力负反馈和气压连续调节功能的电气伺服控制系统,通过分析果实在拉动和转动两种情况的滑移试验,提出基于动态标准差波动上升节点的双阈值滑移判别算法和基于滑移判据及损伤极限压力的无损采摘控制策略。204个不同尺寸番茄果实的实地采摘试验表明,末端执行器采摘成功率为96.03%,采摘过程耗时5 s,采摘过程中的直接损伤率为1.58%,72 h褐变率为1.76%。结果表明该采摘末端执行器具有较好的采摘效果,可满足实际工作需求。     

圆盘切割式蓖麻采摘装置设计与试验

针对现有蓖麻收获装备采摘损失率较高、对低矮植株收获适应性差的问题,该研究结合蓖麻植株的生理特性,设计一种圆盘切割式蓖麻采摘装置。该装置配套于水稻或玉米联合收获机,通过双圆盘刀对蓖麻植株进行切割分离,再经过收割机的清选完成蓖麻收获。通过对装置关键部件的受力及作业原理分析,设计其关键结构参数。并以割茬高度差和采摘损失率为评价指标,以刀盘结构类型、刀盘转速、前进速度为试验因素进行三因素三水平的正交试验,在保证割茬高度差的前提下,以采摘损失率为主要指标,利用综合平衡法确定较优参数组合。田间验证试验表明：刀盘结构类型为波浪形,刀盘转速为600 r/min,前进速度为1.1 m/s时,平均割茬高度差为0.85 mm、平均采摘损失率为3.13%,切割过程平稳、损失率低,对种植农艺适应性好,满足蓖麻收获的田间作业要求。该研究可为蓖麻收获装备的研究和设计提供参考。     

拨杆喂入式菠萝采收机构设计与试验

为解决菠萝采收效率低、成本高等问题，该研究根据菠萝果实的几何特征和花萼结合处易折断、茎秆较脆等生物学特性设计了一种拨杆喂入式菠萝采收机构，分析了影响收获效率的主要因素，包括：拨禾轮半径、拨禾轮转速、履带行走机的前进速度等，并确定了关键部件的结构和运动参数。在对菠萝果实与茎秆分离的运动学和动力学分析的基础上，确定了菠萝果实在花萼与茎秆连接处或在靠近花萼的茎秆处断裂的力学依据，其中成熟度较高时，菠萝花萼处的脱落区结合强度较小，受切应力作用而断裂；成熟度较低时，茎秆较细处因弯曲过大而断裂。建立采收过程的多体运动学仿真模型，分析了收获过程中菠萝植株的力学和动力学特征，求解不同运动情况下拨杆接触果实时的接触力峰值。两因素五水平正交台架试验表明，菠萝收获效果最佳的参数组合为前进速度0.4 m/s、拨禾轮转速22.8 r/min。最优参数组合的田间试验结果表明：拨杆喂入式菠萝收获机进行收获作业时工作顺畅，采收后的植株生长状态良好；菠萝果实收获成功率为84%，损伤率为9.53%，综合评价指标为85.94%。研究结果可为菠萝采收机械的研究提供参考。     

西瓜采摘末端执行器夹持力精确控制

为实现西瓜的机械化采摘,该文提出了采用液压驱动型末端执行器采摘大型果实的思路。在抓取西瓜时,为避免末端执行器夹持力不稳定引起的果实损伤,需对夹持力进行精确控制,该文建立了末端执行器负载模拟平台和AMESimSimulink联合仿真模型,模拟西瓜采摘夹持力的加载情况。针对执行器夹持力加载过程中位置控制系统对力控制系统产生干扰,影响夹持力精确加载的问题,该文基于速度同步控制原理,设计了简化的加载误差补偿环节,开展了加载误差补偿理论、仿真及试验研究。结果表明,速度同步控制方法能够有效地减小加载误差,提高末端执行器负载模拟精度。该研究可为末端执行器输出力的精确控制和抓取控制策略提供参考。     

荷兰黄瓜收获机器人的研究开发

为了降低黄瓜人工收获费用，荷兰农业环境工程研究所已经成功开发出了移动式黄瓜收获机器人样机。重点研究了机器人视觉识别系统软件和机械手运动控制程序。移动式黄瓜收获机器人由4部分组成：行走车、机械手、视觉系统和末梢执行器。试验表明该机器人的行走车能够快速到达初步作业位置，视觉系统能够探测到黄瓜果实的精确位置及成熟度，末梢执行器可以抓取黄瓜果实并将果实从茎秆上分离。     

酿酒葡萄曲轴式振动脱粒收获装置研制

针对酿酒葡萄机械化采收时对植株损伤大、果粒破损率高、脱粒效率低等问题,该文设计了一种曲轴式振动脱粒收获装置,该装置主要由曲轴、弹性夹持振动机构、传动系统、机架等组成。对曲柄摇杆机构的运动和弹性振动杆变形进行了分析,获取了影响作业效果的主要因素。根据Box-Benhnken中心组合设计方法,以夹持间距、转速和偏心距为影响因子,酿酒葡萄脱粒率和破损率为响应函数进行三因素三水平二次回归正交试验设计,建立了响应面数学模型,并进行了参数优化和验证。结果表明,酿酒葡萄脱粒率影响因素的显著性顺序为转速、偏心距和夹持间距,破损率的影响显著性顺序为转速、夹持间距和偏心距;最优参数组合为夹持间距193 mm、曲轴转速720 r/min、曲轴偏心距38.8 mm,在此参数下测得的酿酒葡萄脱粒率为93.06%,破损率为4.57%,与模型优化理论值相比脱粒率降低了1.09个百分比,破损率增加了1.45个百分点。该研究可为酿酒葡萄的机械化收获及其他林果的振动采收装置设计提供参考。     

圆盘式甜菜收获机自动导向装置的参数优化与试验

为了提高圆盘式甜菜收获机的对行收获质量,该文结合导向装置的结构及工作特点,分析了导向机构的受载及运动特性,得到了导向机构在运动过程中的加速度方程,并确定了影响导向对行效果的关键参数。采用响应面优化设计方法,建立了关键参数与导向损失率之间的数学模型,确定了较优的参数组合(弯角为145°,安装角为8°,水平长度为240 mm)。田间试验表明:导向装置可实现甜菜收获机的自动导向对行收获,收获损失率为5.12%,且满足甜菜收获机收获质量的行业标准(NY/T 1412-2007)。研究结果可为同类甜菜收获机的研发和单株块根作物的导向对行收获研究提供参考。     

矮化密植果园多臂采摘机器人任务规划

为提高矮化密植果园多机械臂采摘机器人的协同作业效率,该研究对存在重叠访问域的多臂协同采摘机器人任务规划进行分析,将多臂协同任务规划问题归纳为异步重叠访问域的多旅行商问题,给出了基于遗传算法的优化求解方法.试验结果表明:该研究所提任务规划算法在求解4个机械臂采摘43和90颗果实的任务规划问题时,分别在500和2000次迭...     

三维激振果品采收机构优化设计与试验

振动式采收因其能够快速有效地使果品脱落而成为目前常用的果品采收机构,但其采收效率仍然不高.本文提出通过三维激振载荷对果树同时施加沿树枝径向和轴向的激振作用,利用ANSYS建立果树模型,分析比较了一维、二维和三维激振载荷下果树上各点的加速度响应.根据三维激振位移载荷的生成方法及其果树动力学仿真结果,设计了三维激振采收机构,并基于遗传算法对该机构尺寸进行优化,以达到最大的输出加速度目标.最后加工了三维激振果品采收机构样机,并开展田间果树加速度响应试验,结果显示三维激振果品采收机构与偏心振动电机对果树激振的平均加速度变异系数分别为0.67和0.72,表明用三维激振采收方式能使果树各分支加速度分布更均匀,从而减少逐个树枝激振的次数,提高采收效率.     

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。     

菠萝采收机械低成本双目视觉平台搭建与田间试验

摘要：视觉系统是菠萝采摘机械的关键部件之一,可为采摘终端提供待采果实的位置导航信息。考虑到菠萝果形较大,易于识别,以及系统应用于农业领域,需尽可能降低成本。该研究选取双目视觉技术,采用低成本的CMOS视觉传感器,辅以三脚架、双目云台,以及计算机、软件系统,搭建低成本双目视觉标定平台;研究了标定模型及流程,并基于C++和OpenCV v1.1环境以及Matlab标定工具箱的软件环境平台,采用张正友标定算法,分别对视觉传感器进行标定试验,选取了适合本平台的标定方法。基于此平台和开发的菠萝果实识别算法,在湛江菠萝田间进行果实深度测量试验发现,果实测试距离小于1 m时,深度误差在6～8 cm范围内,经软件算法校正后,误差控制在2～3 cm范围内,该平台试验结果良好,表明低成本试验平台具有可行性。该研究可为菠萝采摘机器人视觉系统的开发提供参考。