我国油茶果采摘装备研究进展与趋势

近年来,我国油茶产业发展迅速,但采摘环节仍相对滞后,油茶果机械化采摘装备的研究对油茶产业大力发展有着显著地推进作用.重点研究目前国内已研制的油茶果机械化采摘装置和采摘机,系统地比较各自在采摘过程中的机理机制和性能参数等,可以看出当前研究技术不够成熟,采摘装备机械化程度普遍较低.分析油茶果机械化采摘时的科学问题和关键技术...     

油茶果采摘机械臂工作空间分析与仿真

为了强化油茶果采摘机器人工作的稳定性,以自行研制油茶果采摘机器人为研究对象,通过对采摘机械臂结构进行分析,综合运用D-H表示法和圆柱坐标表示法建立机械臂数学模型,应用MatLab求解以该模型为基础建立的机械臂正运动学方程,仿真得到油茶果采摘机械臂工作空间。     

影响油茶果机械化采摘的生物环境特性

针对油茶种植面积迅速增长和油茶果机械采摘水平的落后情况,提出研究低损伤花苞采摘技术的必要性。研究和开发油茶花苞低损伤采摘技术应结合其环境特性和生物特性,满足安全性、实用性和经济性等要求。环境特性包括地理分布,未来增长区域分布;生物特性包括油茶的花期物候,油茶果与花苞的生物力学特性,适时采收等。分析油茶果机械采摘的制约因素,指出研究油茶的生物环境特性是开发低损伤花苞采摘技术的前提。     

基于Matlab的油茶果机械采摘平台设计与试验

针对目前我国油茶果采摘主要以人工为主、采摘效率低、采摘中易对油茶花苞造成损伤等特点,本文提出了一种基于CCD视觉机械臂定点采摘的方法,设计了油茶果机械采摘平台,通过Matlab工具箱对机械臂进行运动学模拟分析,并控制机械臂实际采果动作。试验表明,仿真结果与试验效果基本一致,验证了该采摘平台对油茶果定点采摘的可行性。     

基于ADAMS的油茶果采摘机械臂试验设计及优化

针对目前我国油茶采摘主要以人工为主,劳动强度大、采摘效率低等问题,设计了一种适合园艺化栽培的履带式油茶果采摘机,并在Adams软件中对机械臂进行试验设计和优化仿真。试验数据表明:油茶果采摘机工作区间与各机械臂的长度和液压缸安装距离呈线性相关,最佳组合处的机械臂长度总和减小25.67%,可为油茶果采摘机的机械臂设计提供参考。     

齿梳拨刀式油茶果采摘装置设计与试验

油茶果机械采摘是一个亟待解决的难题。为此,针对油茶果机械采摘难、效率低、易损伤花苞的现象,设计了一种齿梳拨刀式油茶果采摘装置,并通过对采摘装置工作原理和拨果原理开展理论分析,得出影响拨刀采摘效果的主要因素。同时,使用ADAMS软件模拟其运动过程,分析拨刀前端点速度、加速度、角速度和角加速度,绘制相应曲线,并对采摘装置关键零部件进行设计。采摘试验表明:设计的齿梳拨刀式油茶果采摘装置能够有效提高采摘效率并减少花苞损伤,可为油茶果的机械采摘设计提供新的思路。     

基于高速摄影的油茶果机械采摘受力分析

目前,我国油茶果采摘机械尚不成熟,油茶果与机械装置作用受力情况较为复杂,难于分析。为了探索油茶果与机械装置作用机理,分析其受力情况,采用高速摄影相机PCO1200S和Image pro plus软件对旋转式胶辊、齿梳拨刀式和平行胶辊3种不同机械采摘方式下的油茶果所受的冲击力进行分析,得到旋转式胶辊、齿梳拨刀式和平行胶辊的动量大小分别是0. 05、0. 02、0. 13kg·m/s,所受冲击力分别是2. 06、2. 65、2. 7N。结果表明:旋转胶辊动量较小,采摘时受力最小,采摘效率最高,综合采摘性能最佳。研究结果可为阐明油茶果机械采摘机理及装置设计提供参考。     

油茶果采摘机器人机械臂伺服系统选型设计

油茶是我国重要的经济林,然而人工采收油茶效率低、作业条件差等缺陷严重制约着我国油茶产业的发展,实现油茶果采摘的机械化与自动化成为急需解决的问题。为此,根据油茶果生长环境与采摘特性,设计了一种能够有效采摘油茶果的采摘机器人,并对采摘机器人机械臂的伺服系统进行了选型设计。     

电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器设计与试验

油茶果机械化采摘是目前亟待解决的难题,其中花苞损伤又成为机械采摘难以克服的问题。设计了一种电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器,分析了胶辊机构采摘油茶果的过程和原理,得到了油茶果碰撞脱落的临界条件。通过对采摘头回转架组件参数设计,确定了回转架组件上对辊间距有效调节范围为20~65 mm,初步拟定回转架转速范围为20~40 r/min。在江西农业大学油茶林进行了油茶果采摘试验,并对电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器作业中油茶花苞损伤进行了研究。结果表明:当胶辊直径为30 mm,间距为25 mm,胶辊旋转速度为30 r/min,胶辊线速度为0.833 m/s时,直径大于25 mm的油茶果能全部被采摘,漏采率为13.6%,且未开的花苞未见明显损伤。     

油茶果与油茶花苞生物力学特性试验研究

为探究油茶果与花苞的机械物理特性,降低花苞在采摘时的机械损伤,以种植面积最广的普通油茶为研究对象,进行油茶果与花苞的生物力学特性试验。测得油茶果和花苞的横向扭断力均值分别为11.082、6.941 N;纵向拉断力均值分别为7.979、5.706 N。分析结果表明:油茶果横向扭断力和纵向拉断力的均值分别大于花苞的均值;油茶果和花苞横向扭断力的均值大于其纵向拉断力的均值。试验结果可为寻求花苞低损伤采摘技术提供数据参考。     

便携式油茶果分层采摘装置设计与试验

目前，油茶果采摘基本靠人工，采摘效率低，采摘成本高。为提高油茶果采摘效率，设计了一种便携式油茶果分层采摘装置。工作时，与油茶果、花苞长轴方向夹角为0°、30°、60°、90°方向分别施加拉力，油茶果和花苞的拉断力随着角度的增大而减小，且呈一定的线性关系，同方向的油茶花苞拉断力小于油茶果拉断力。采用ADAMS软件仿真分析了平行胶辊速度、平行胶辊间距和平行胶辊直径对油茶果脱落过程的影响规律，结果表明：油茶果受到的冲击力随平行胶辊速度和平行胶辊直径的增加而增加，随平行胶辊间距的增加而减少。采摘试验结果表明：当平行胶辊间距为21mm、胶辊直径为30mm时，油茶果采摘效率为42kg/h,为人工采摘的3倍左右。研究结果可为便携式油茶果采摘装置的研发提供参考。     

手持冲击梳刷式油茶果采摘装置设计与试验

针对丘陵山地油茶果人工采摘效率低、大型机械采收难且花苞损伤大等问题,设计了一种手持冲击梳刷式油茶果采摘装置,通过冲击指的碰撞作用和指间梳刷作用采摘油茶果,可有效降低花苞损伤率。以采摘装置质量最小化为目标,利用Ansys Workbench拓扑优化模块进行轻量化设计,机架减轻近30.59%;建立“冲击指-油茶果”碰撞模型和“主枝-细枝-茶果”三摆动力学模型,明确影响油茶果采摘效果的主要因素为油茶果的质量和压入变形量、冲击指质量和转速、枝条长度和质量;进而以冲击指转速和指间夹角、装置梳刷次数为试验因素,以采摘速率、采净率和花苞损伤率为评价指标,开展油茶果采摘试验并采用响应面分析法处理试验数据。结果表明,冲击指转速对采摘效果的影响最为显著,且当冲击指转速为409.8 r/min、指间夹角为4.1°、装置梳刷4.5次时,装置的采摘性能最佳;此时,油茶果采摘速率为43.67 kg/h、采净率为86.42%,花苞损伤率低于8.89%,满足高油茶果采净率和低花苞损伤率的工作要求。     

油茶果采摘机器人采摘手伺服系统选型设计

随着油茶种植面积的迅速增长,实现油茶果采摘作业的机械化与自动化成为急需解决的问题。根据油茶果生长环境与采摘特性,设计了一种能够有效采摘油茶果的采摘机器人,并对采摘机器人采摘手的伺服系统进行了选型设计。     

农机农艺融合农机人才培养实践——以江西农业大学丘陵山区油茶果机械化采摘研究为例

为了探讨农机农艺融合农机人才培养的重要性,立足我国油茶等经济作物生产机械化发展落后现状,以江西农业大学丘陵山区油茶果机械化采摘研究为例,分析了团队10余年来在油茶产业机械化装备研究方面的工作进展,得出农机农艺融合在南方丘陵山区特色农产品机械化及农机人才培养中的重要作用,为农产品机械化装备研究及人才培养提供了参考。     

基于D-H法油茶果采摘机器人正运动学分析

油茶作为一种绿色植物,其产业在中央、地方的大力支持下得到了较快、长足的发展,但限于目前油茶果采摘机械化程度低,致使人工采摘效率低,严重制约了油茶产业的发展。以机器人坐标系建立最为常用的D-H坐标系法为基础,并对D-H坐标系的建立予以介绍,以自行研制的油茶果采摘机器人为研究对象,建立油茶果采摘机器人正运动学模型,为今后进一步研究实验提供理论依据。     

油茶果分层采摘机构花苞损伤有限元分析及试验

针对目前油茶果采摘机花苞损伤率高的问题，设计了一种油茶果分层采摘机构。利用Adams软件对油茶果与胶辊的接触碰撞进行仿真分析，得到油茶果的临界脱落速度为105mm/s;根据油茶花苞的生长特性，建立花苞与胶辊相互作用的有限元模型，在ANSYS Workbench软件中仿真分析了花苞与胶辊的碰撞过程。研究结果表明：在油茶果临界脱离速度条件下，花苞与胶辊发生碰撞接触后等效应力和等效应变的值随着胶辊速度和胶辊直径的增加而增加，随着胶辊间距的增加先增加后减小，且花苞均未与果柄发生分离；分层采摘机构室内试验结果与仿真结果基本吻合，研究结果可为油茶果采摘装置的设计提供参考。     

液压驱动式油茶果采摘机设计与试验

为提高电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器的采摘效率,设计了一种液压驱动式油茶果采摘机。通过分析油茶果与胶辊相互作用力的影响因素,确定了采摘机的主要工作参数。仿真分析了不同工作参数对油茶果与胶辊相互作用力的影响规律,并以上下组胶辊间距、旋转架转速、胶辊直径为影响因素,以油茶果采摘率和花苞损伤率为评价指标,在江西省林科院和江西农业大学分别进行了室外、室内采摘试验。结果表明,影响采摘率的因素由大到小依次是上下组胶辊间距、旋转架转速和胶辊直径;影响花苞损伤率的因素由大到小依次是胶辊直径、上下组胶辊间距和旋转架转速。结合室内、室外试验,运用综合评分法得出油茶果采摘率较高且花苞损伤率较小的最佳参数组合为:上下组胶辊间距15 mm、旋转架转速55 r/min、胶辊直径30 mm。与电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器相比,液压驱动式油茶果采摘机旋转架转速提高了83. 33%,采摘效率明显提高,其平均采摘效率为210个/min。     

油茶果分层采收装置设计与试验

降低花苞损伤是油茶果机械采摘中的难点,为此,设计了一种油茶果分层采收装置。分析了分层采摘装置和果枝的相互作用原理,并运用ANSYS Workbench对分层机构与果枝作用模型、分层采摘机构与果枝作用模型进行应力仿真,随着分层胶辊距离增大,果枝弯曲程度越大,果枝横截面上的正应力和切应力增加;随着采摘胶辊间隙减小,果枝横截面所受的正应力和切应力增加,通过试验验证了分层采摘的可行性。以分层厚度、分层深度、胶辊间隙和胶辊转速为影响因素,以油茶果漏采率和花苞损伤率为评价指标,对赣无1油茶果进行了采摘试验。结果表明,影响油茶果漏采率的因素依次为胶辊间隙、分层深度、分层厚度、胶辊转速;影响花苞损伤率的因素依次为分层厚度、分层深度、胶辊转速、胶辊间隙;运用综合评分法,得到采摘赣无1油茶品种的最佳参数组合为：分层厚度360mm、分层深度290mm、胶辊间隙18mm、胶辊转速65r/min。在此工况下,油茶果漏采率为13.33%,花苞损伤率为6.33%。与未加分层机构的采摘装置相比,分层采摘装置的花苞损伤率降低了6.22个百分点。     

农业采摘机器人视觉感知关键技术研究

为了提高农业机器人在复杂野外环境下采摘油茶果的速度和准确性,针对机器人视觉感知的关键技术,设计了一种农业机器人果实检测、定位和采摘系统。首先,使用双目相机采集油茶果的左右图像;然后,应用先进的目标检测网络YOLOv4-tiny检测出左右图像中的油茶果;再次,不同于传统的双目相机图像的立体匹配技术,根据YOLOv4-tiny网络生成的预测框提取出油茶果图像的感兴趣区域,并根据预测框的生成机制自适应地进行立体匹配以求解出视差,为后续使用三角测量原理求出油茶果采摘点提供参考;最后,使用基于Eye-in-Hand手眼标定的农业机器人进行采摘试验,验证了本研究的可行性和准确性。试验结果表明：YOLOv4-tiny网络能够精确和实时地检测油茶果,提出的定位方法满足采摘机器人的应用需求,验证了本研究的可行性和准确性。研究可为果园环境中作业的农业采摘机器人视觉感知关键技术提供参考。     

摇枝式油茶果采摘机设计与试验

针对油茶果机械化采摘漏采率高、损伤率大的问题,设计了一款摇枝式油茶果采摘机。根据摇枝式采摘工作原理,完成了关键部件的结构设计,计算分析了采摘头夹持油茶枝的夹持力,对油茶枝和油茶果振动过程进行力学分析,建立力学方程并求解。结果表明,夹持油茶枝时最大压力为2826N,振动对树枝产生的径向力约为57.5N、法向力约为78.2N,夹持和振动都不会对枝条造成损伤。为保证采摘机安全性,对横梁架进行了静力学分析,经计算其弯曲变形为0.0005mm,远小于最大许用弯曲挠度。设计了四因素三水平正交试验,结果表明,最佳作业参数组合为：采摘装置的采摘时间10s、电机输出频率35Hz、采摘头的振幅5cm及采摘爪的夹持位置（夹持油茶枝的夹持中心到油茶树冠层距离）10~20cm,此时油茶果采净率为95.2%,花苞损伤率为17.2%。对摇枝式油茶果采摘机进行了田间试验,对枝条的损伤基本符合采摘要求。