脐橙采摘机器人末端执行器设计与试验

针对脐橙无损采摘的需求,基于欠驱动原理设计了一种双V型手指脐橙采摘机器人末端执行器,主要由吸附机构、夹持机构和旋切机构3部分组成,吸附机构可以实现果实与果簇快速分离,夹持机构能够对果实进行无损稳定夹持,旋切机构可以将果实与果梗快速分离。建立脐橙数学模型并分析了手指工作空间。依据夹持机构的受力分析,并对关键部件进行了选型。结合电阻式薄膜压力传感器设计了手指的力反馈系统,使夹持机构达到稳定无损采摘要求。搭建末端执行器实体样机,以步进电机转速为因素,以单果采摘时间、采摘成功率和损伤率为指标,进行了105次采摘试验,根据试验结果,选取250 r/min作为最佳步进电机转速,此时单果采摘时间为1.76 s,采摘成功率为94.28%,损伤率为0。该文研究的脐橙采摘末端执行器采摘速度高、控制难度低、与机械臂集成度高,可为脐橙采摘机器人的整体研发提供参考。     

欠驱动关节型柑橘采摘末端执行器设计与试验

末端执行器是水果采摘机器人的核心部件，由于目前水果采摘对象种类繁多，结构及参数固定的采摘末端执行器无法适应多场合采摘作业需求。该研究设计了一种欠驱动关节型采摘末端执行器，模拟人手包络采摘动作，并以柑橘为对象模拟球型果实对末端执行器进行结构设计。为改善此类末端执行器重复设计情况，并提升采摘适用性，提出一种基于改进遗传算法的参数化设计方法。运用 Microsoft Visual Studio 2012开发平台设计参数化界面，采用改进遗传算法结合NX的二次开发模块 NXOpen对末端执行器进行结构参数优化，并基于Adams对优化后的采摘末端执行器进行动力学仿真分析，验证了优化后的末端执行器采摘范围较优化前提升了29.1%。制作物理样机并分别进行室内与果园柑橘采摘试验，果径68～106 mm的柑橘采摘成功率达到92.9%，平均采摘单个柑橘用时7.3 s。所设计的末端执行器针能够针对不同果径的球形果实时做出快速变形反应，适合苹果、梨等不同种类球型果实采摘作业。采用遗传算法应用至优化机构工作参数，提高了机构设计的准确性与适用性。     

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。     

苹果采摘机器人末端执行器恒力柔顺机构研制

为了减少采摘机器人末端执行器在夹持过程中对果实造成的损伤,该文通过在末端执行器上设置柔顺机构,并对柔顺机构力学性能进行计算,求解果实无损采摘所需的柔顺恒力特性。首先,基于形状函数建立边界条件约束下的柔顺梁非线性常微分控制方程;然后,利用打靶法将上述边值问题重新描述为初值问题,并结合遗传算法进行初值优化求解,采用序列二次规划法优化梁的形状函数,使其在一定变形范围内实现恒力输出;最后,在给出求解所需参数和柔顺机构初始形状参数基础上,以苹果采摘为例,通过优化计算,使柔顺梁对果实的夹持力维持在7.9 N左右,非线性有限元计算和力-位移特性试验验证了计算结果的准确性,多次苹果夹持试验的抓取完好率为95%,验证了该柔顺机构无损夹持苹果的可行性。研究结果可为不同类型果实的恒力夹持提供参考。     

气动柔性末端执行器设计及其抓持模型研究

针对目前刚性结构的农业果实采摘机械手柔顺性不足而易损伤抓取目标的缺点,设计了一种柔性末端执行器结构。该末端执行器由3个气动柔性弯曲关节作为手指部分、1个气动柔性扭转关节作为腕部,给出了手指部分和腕部的数学模型。分析了该末端执行器抓取圆柱形目标时的夹持模式和抓取球形目标时的抓握模式。仿真分析并试验研究了抓取目标物体重力和半径变化对末端执行器内腔压力的影响。结果表明建立的抓持模型能够反映该末端执行器的基本特性,研制的柔性末端执行器能够应用于农业果实的采摘作业。     

果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤,提出了一种基于广义比例积分(GPI,generalized proportional integral)的抓取力矩控制方法。首先,对由电机驱动的末端执行器建立模型,推导出电机输入电压与负载力矩之间的数学关系;然后,利用积分重构器设计GPI力矩反馈控制器,将力偏差转化为电机的输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算,避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和实物抓取试验结果表明,采用GPI的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到10-3量级,具有良好的力矩跟踪能力,与传统PI(proportional integral)控制方法相比,其控制力矩和电机控制电压输出平稳,降低了末端执行器抓取时对果蔬的损伤,无损采摘效率达到90%,比PI控制的采摘完好率高出8个百分点,适合于对果蔬的柔顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。     

黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究

为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器,首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。针对黄瓜抓持模型进行了力学分析,建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。最后,研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器,由抓持器和切割器组成,抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成,切割器由旋转气缸和刀片构成。该采摘执行器机械结构简单,输出力较大。试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%,黄瓜果柄割断成功率为100%,采摘时间为3 s。该采摘执行器采摘黄瓜效果良好,具有较好的实际应用前景。     

子叶期钵苗补苗末端执行器设计与试验

针对穴盘育苗由于受种子质量和育苗环境因素等影响导致空穴多的问题,为消除穴盘苗空穴,该文研制了蔬菜子叶期钵体苗补苗末端执行器。以72孔标准穴盘培育的子叶期番茄钵体苗为移取对象,以育苗基质配比与含水率、苗龄为因素,以子叶期钵体苗补苗末端执行器从穴孔取出基质的取净率为指标,进行了正交试验,结果表明:幼苗苗龄、基质配比对基质取净率影响显著,基质含水率对基质取净率影响不显著,对常见的基质配比、适宜基质含水率、苗龄16-26 d的穴盘苗基本均能完整、无损地取出,基质取净率最大的较优组合苗龄为26 d、基质配比2∶2∶1、基质含水率74.1%;对苗龄26 d、基质配比2∶2∶1、基质平均含水率75.5%的番茄钵体苗进行取苗、补苗试验,取出无苗基质和钵体苗的成功率均为100%,补苗成功率为100%,为子叶期蔬菜钵体苗补苗提供了性能优良的末端执行器。     

苹果采摘机器人关键技术研究现状与发展趋势

目前国内苹果基本采用人工采摘方式,随着劳动力资源短缺以及机械自动化技术的迅速发展,利用机器人采摘替代人工作业成为必然趋势,开发苹果采摘机器人用于果园收获作业具有重要意义。由于苹果采摘作业环境复杂,严重制约了采摘自动化的发展。目标识别、定位与果实分离是苹果采摘机器人的关键技术,其性能决定了苹果采摘的效率及质量。该文概述了具有市场化前景的苹果采摘机器人发展和应用现状,综述了在复杂自然环境光照变化、枝叶遮挡、果实重叠、夜间环境下以及同色系苹果的识别方法,介绍了多种场景并存的复杂环境下基于深度学习的苹果识别算法、遮挡、重叠及振荡果实的定位方法,并对采用末端执行器实现果实与果树的分离方法进行了分析。针对现阶段苹果采摘机器人采摘速度低、成功率低、果实损伤、成本高等问题,指出今后苹果采摘机器人商业化发展亟需在农机农艺结合、优化识别算法、多传感器融合、多臂合作、人机协作、扩展设备通用性、融合5G与物联网技术等方面开拓创新。     

移动式采摘机器人研究现状与进展

采摘机器人是21世纪精准农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向。移动式采摘机器人由机械手、末端执行器、移动机构、机器视觉系统以及控制系统等构成。机械手的结构形式和自由度直接影响采摘机器人智能控制的复杂性、作业的灵活性和精度。移动机构的自主导航和机器视觉系统解决采摘机器人的自主行走和目标定位，是整个机器人系统的核心和关键。该文对移动式采摘机器人的研究现状进行综合，提出目前采摘机器人技术发展中面临的技术难题及相应的对策，包括采用开放式控制系统。     

悬挂振动式油茶果采摘执行机构设计与试验

为促进油茶果产业的健康发展,提高油茶果采摘效率,降低成本,该文设计了一款悬挂振动式油茶果采摘机。在分析采摘执行机构的机构组成和工作原理的基础上,建立了采摘执行机构-油茶果采收动力学模型,得出了该系统稳态响应下的振幅表达式以及影响因素。通过对油茶树实地尺寸测量,对油茶树进行三维建模,利用ANSYS对油茶树建立柔性体模型,运用ANSYS和ADAMS对采摘执行机构-油茶树采摘系统进行刚柔耦合仿真分析,得到侧枝加速度与夹持高度和频率之间的关系以及果树夹持位置的运动轨迹,分析表明,果树在受到双偏心块式激励时,侧枝加速度呈周期性变化,夹持位置做往复直线运动,和采收动力学模型分析一致。利用油茶果采摘机进行采摘试验,试验结果表明,激振频率和夹持高度对树干振幅有影响,落果率和落花率随着采摘频率增加而增加,落果率随着加持高度增加而增加,落花率随着夹持高度增加而减小,在15 Hz和夹持高度1 300 mm时,能得到较高的落果率和较低的落花率,分别为95.1%和4.8%。     

基于模糊PID控制的棉花采摘性能试验台测控系统研制

为了确定棉花采摘过程中的采摘效果,研究各因素对棉花采摘效果的影响,该文基于模糊PID控制理论,利用图像化编程语言LabVIEW,研制了一套能够进行多通道数据采集的棉花采摘参数测控系统。该系统主要由工控机、数据采集系统及驱动控制系统3部分组成,可实现棉花采摘速度、输送带速度和风机速度的连续可调,采摘过程中主轴扭矩、采摘滚筒速度、输送带速度和风机速度等信号能够实现高速、实时采集与显示,并具有数据保存等功能。试验结果表明,该测控系统能够较好地实现棉花采摘速度与输送带速度在0～2 m/s范围内的任意匹配以及采摘扭矩和转速分别在0～5、10～15 kHz采集频率下的测量与分析。研究结果可为采摘头性能参数的优化和棉花采摘收获装备的国产化提供理论依据与技术支持。     

夹茎式番茄钵苗取苗机构设计与试验

为避免取苗机构在夹取钵苗过程中对钵体与根系造成损伤,该研究针对夹茎取苗方式,提出一种基于二阶椭圆齿轮行星轮系以及凸轮摆杆机构的夹茎式番茄钵苗取苗机构。依据二阶椭圆齿轮传动特性与机构工作原理,建立机构运动学理论模型,并对凸轮轮廓曲线进行设计,结合番茄钵苗取苗作业要求及机构特点,基于MATLAB软件开发机构分析软件对机构参数进行优化,并进一步分析优化后取苗轨迹与凸轮各工作段的对应位置关系,建立了夹茎式取苗机构虚拟样机模型,利用ADAMS软件对取苗机构运动过程进行仿真分析,验证机构参数优化结果及零部件结构设计的准确性与合理性。试制取苗机构物理样机开展高速摄影试验,通过对比分析实际工作轨迹与理论分析及仿真轨迹的一致性,验证了取苗机构设计的正确性。搭建自动取苗试验台进行取苗试验。试验结果表明,取苗机构工作性能可靠、稳定,取苗频率为80株/min时,取苗成功率为92%,投苗成功率为94.2%,伤苗率为2.9%。研究结果可为番茄钵苗全自动移栽机自动取苗机构的研发提供参考。     

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...     

番茄果实串采摘点位置信息获取与试验

针对番茄收获机器人在采摘过程中果实串采摘点位置难以确定的问题,提出了基于果梗骨架角点计算方法,并利用该算法对番茄果实串果梗采摘点进行位置信息获取:首先采用最大类间方差分割法进行目标果实串分割,通过形态学方法和阈值法去除干扰,提取出目标果实串分割图像;根据果实串的质心和果串的轮廓边界确定果梗的感兴趣区域,采用快速并行细化算法提取果梗的骨架,利用Harris算法检测得到果实串第一个果实分叉点与植株主干之间果梗骨架角点,通过计算获得采摘点位置信息。然后进行验证试验,利用双目视觉图像采集系统采集了60组果实串图像并获取果梗采摘点位置信息,结果表明,采摘点位置成功率为90%,为采摘机器人提供准确的采摘位置信息。