无系留气动自适应球果采摘软体手爪设计与实验

为实现球形果实自适应采摘,仿人手触觉传感设计并制作了一种用于球果采摘的无系留智能软体手爪,该手爪采用自循环供气与传感集成,将柔性薄膜触力传感器内嵌于软体手爪内并复合自循环气泵,可实现多尺寸、多类型球果自适应抓取。研究了自循环气泵工作原理,进行了结构优化、压力建模与性能测试。试制了自适应软体手爪原理样机,建立了手爪抓持力模型,并进行了静力学实验,获得了其气压下的弯曲变形和力学特性。建立了球果采摘手爪控制系统与自适应抓取机制,搭建模拟采摘实验平台,进行了自适应抓取实验验证及实验环境下的球果采摘与分拣。结果表明,通过接触力反馈与控制系统,该采摘手爪可安全有效地抓取球果,抓取尺寸范围为48.5～97 mm,最大抓取球果质量为350 g,平均采摘用时15 s,成功率为97.46%。     

基于气动柔性驱动器的球果采摘末端抓持器

为实现球果的安全、可靠采摘,基于气动柔性驱动器(FPA)设计了球果采摘末端执行器,主要由3个FPA驱动的手指和基座构成.建立了手指指端在基座坐标系内的运动学方程,分析了末端抓持器在任意姿态下进行球果抓握的力学过程,建立了球果抓持数学模型.实验结果表明,所设计的球果采摘末端执行器可对成熟球果进行任意姿态的抓握,建立的数学模型可用于实际的采摘过程控制.     

褐菇无损采摘柔性手爪设计与试验

针对娇嫩褐菇自动化无损采摘易损的问题,首先分析了褐菇的生物学特性和力学特性,分别给出拔断和扭断采摘方式抓持力的约束方程,并优选出扭断式采摘方法;通过ANSYS对柔性手指夹持褐菇进行静力学分析,给出柔性手指指节数、褐菇直径及气压与抓持力之间的函数关系,建立评价函数,通过遗传算法优选出3指4指节的柔性手爪结构,以及18.65kPa的最优抓持控制气压;基于此设计3指4指节的柔性手爪,并进行褐菇采摘试验,结果表明,与刚性手爪相比,柔性手爪抓持力减小,为（2.4±0.3）N;刚性手爪采摘褐菇的抓握处切面5mm深度内均有损伤,且表面抓痕明显,而柔性手爪抓握处表面和内部均完好无损。说明所设计的3指4指节柔性手爪适于褐菇的自动化无损采摘。     

气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。     

基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器研究

设计了一种基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器:以气动柔性驱动器作为其弯曲关节,用力学分析的方法对弯曲关节及末端执行器进行建模,分析建立关节弯曲量及输出力与其内腔气体压力之间的数学关系;建立了末端执行器抓取苹果目标的数学模型.实验结果表明:该末端执行器有较大的输出力,能很好地抓持苹果,并具有很好的柔顺性.     

基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器研

设计了一种基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器：以气动柔性驱动器作为其弯曲关节,用力学分析的方法对弯曲关节及末端执行器进行建模,分析建立关节弯曲量及输出力与其内腔气体压力之间的数学关系;建立了末端执行器抓取苹果目标的数学模型。实验结果表明:该末端执行器有较大的输出力,能很好地抓持苹果,并具有很好的柔顺性。     

面向球果抓取的主动式三指手爪设计与试验

为解决球形果实快速、稳定抓取问题,设计了一种主动式三指手爪。该手爪指部机构末端安装有球状主动滚轮,主动滚轮外附着柔性膜以增加手爪柔顺性与摩擦力。每个指部机构具有2个自由度,可实现手指开合以及主动滚轮旋转。工作时3根手指相互配合,在摩擦力作用下球果向手爪内部运动,可在仅接触球果条件下实现球果快速、稳定抓取,无需精确控制手爪位置和姿态。为阐述抓取过程中主动式手爪与球果的交互关系,推导了主动式手爪-球果交互模型。选取番茄、苹果以及橙子为典型球形抓取对象,开展了3款手爪（主动式手爪、鳍状软爪以及平行刚爪）的抓取试验。抓取试验结果表明,所设计主动式手爪平均首次抓取成功率为96.7%,平均抓取无损率为98.3%,平均任务时间为5.9 s,在抓取成功率、抓取质量以及抓取效率3方面均有较好表现,验证了该主动式手爪的有效性。     

采摘机器人执行器气动柔性关节安全性设计

针对气动柔性关节易发生气体泄漏、失压等安全问题,设计了使用多个气囊驱动的安全柔性关节,从而提高了气动柔性关节在实际使用中的安全性.建立了安全柔性关节的静态数学模型,设计了相应的控制系统.并且设计了具有2个安全柔性关节的机器人单根手指.     

气动柔性摆动关节静态模型

提出了一种基于气动柔性驱动器( FPA)的摆动关节,该关节由左、右两个对称分布的弧形FPA并联而成,弧形FPA两个活动端与摆动关节的动平台固定连接,动平台可以绕着转动副摆动.改变两个弧形FPA的内腔气压,驱动左、右弧形FPA输出不同大小的转动角度,从而实现该关节的摆动运动.基于力矩平衡原理建立了摆动关节的静态模型,仿真分析表明摆动关节的转动角度与弧形FPA内腔气体压力基本呈线性关系,并且转动角度随初始角度、FPA平均半径、预拉伸角度的增大而增大,随FPA壁厚的增大而减小.实验结果表明所建立的数学模型能够描述摆动关节的静态特性.     

气动柔性扭转关节动态特性研究

基于力矩平衡原理建立了气动柔性扭转关节的基本动力学模型,基于绝热气体能量守恒方程建立了扭转关节FPA的充放气动态模型.分析了FPA初始壁厚、FPA平均半径、FPA初始角度、管接头出口面积等参数对扭转关节动态特性的影响.仿真结果表明:FPA初始壁厚、平均半径和初始角度对扭转关节转角和动态过程的影响较大,管接头出口面积对扭转关节转角和动态过程没有影响.实验结果与仿真分析基本吻合,表明建立的气动柔性扭转关节模型能够准确地描述其动态过程及特性.     

三指柔性气动夹爪结构设计与实验

针对水果表皮脆弱易损、不适合采用传统刚性夹爪抓取的问题,基于章鱼触手结构特征,结合仿生学原理和增材制造技术,设计并制作了一种结构简单、具有自适应性的由3个柔性手指和固定组件组成的适用于水果采摘的气动柔性夹爪。采用ANSYS模拟和测试柔性手指在不同气压下的弯曲情况,发现柔性手指可在低压下具有较大的弯曲变形,最大弯曲角为22.4°,气压为100kPa时,产生最大压力为2.38N;柔性夹爪的夹持力实验表明,在0~100kPa的压力范围,柔性夹爪可自适应抓取质量564g、直径100mm内的水果,并且水果表面没有损伤,抓取效果良好,达到设计目标要求。     

细长果蔬采摘软体气动抓手设计与参数优化

为实现细长果蔬的无损采摘,设计一种充气呈螺旋运动的软体气动抓手.对该抓手进行有限元静力学仿真分析,采用3因素3水平的中心组合设计与响应面分析方法,研究各因素对软体气动抓手螺旋特性的交互影响.以软体气动抓手的螺旋直径和螺距为响应值,分别建立二次回归模型,得到模型的决定系数分别为0.9987和0.9351,各因素对螺旋直径...     

光固化果蔬采摘气动软体抓手设计与试验

针对目前软体抓手的制造方式(如软体平板印刷、失蜡铸造等)存在成型工艺复杂、粘结不牢靠、接缝处易撕裂等问题,设计了一种光固化成型软体采摘抓手一体式结构,通过正、负压驱动,可实现果蔬的自适应抓取。首先,基于Yeoh模型,研究了软体驱动器弯曲变形运动中的非线性力学特性,得出腔体内部压强与驱动器弯曲角度之间的非线性关系模型。然后,通过Abaqus有限元软件分析软体驱动器的弯曲特性,得到各主要结构参数对弯曲角度的影响规律,并结合正交试验法得到最佳的结构参数组合：软体驱动器的腔体壁厚为1.6 mm、腔体个数7、腔体间隙3 mm、底层厚度3 mm。最后,根据最佳的结构参数组合制造软体采摘抓手样机,并将其安装在试验平台上进行果蔬抓取试验,验证了光固化一体成型软体采摘抓手的实用性。     

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。     

蔬菜移栽机气动下压式高速取苗装置设计与试验

目前,蔬菜移栽机取苗机构单行取苗频率为40~90株/min,取苗频率低已成为蔬菜高速移栽（≥90株/min）技术及装备的发展瓶颈。为实现高速取苗作业,设计了一种气动下压式高速取苗装置及配套组合式穴盘,通过“有序供盘、连续送苗、气动下压取苗、自由投苗”等作业工序,可实现120株/min的高速取苗作业。建立了取苗过程钵苗力学模型,对气动取苗机构取苗单体布置形式、取苗气缸工作压力、顶苗器运动轨迹等进行分析和计算,优化顶苗器U型末端结构,设计并构建高速取苗时序控制系统。以60d苗龄辣椒苗为试验对象,在气缸工作压力为0.26MPa、取苗频率为120株/min条件下,以取苗成功率、基质破损率和茎叶损伤率为取苗效果评价指标进行了取苗试验。试验表明：取苗成功率平均值为100%,基质破碎率平均值为22.46%,茎叶损伤率平均值为3.54%,能够满足蔬菜高速移栽的取苗作业要求。     

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。