猕猴桃果实相向运动采摘模式的研究

目前,国内外对于农业采摘机器人研究的关键仍是效率问题,猕猴桃果实的采摘模式决定了采摘机器人末端执行器的结构形式和工作原理,同时也决定了作业效率。现阶段的果蔬采摘机器人,大都是单个果实包络抓取,然后旋转折断或者切断实现采摘。猕猴桃单个果实抓取旋转采摘时间是22s,其实抓取果实到释放可以简化为一步采摘,对于猕猴桃的采摘作业可以抛弃用手指去夹持猕猴桃的动作。为此,提出了一种上行机构和下行机构相向运动的采摘模式,并采用正交试验以采摘力为评价指标研究了该采摘模式。结果表明:试验因素显著性居前两位的是上行机构作用位置和下行机构行进速度,采摘成功率为96.3%,单果采摘时间约为5.3s。该采摘模式的研究为今后末端执行器的设计提供了基础和依据。     

猕猴桃采摘机器人末端执行器设计与试验

进行了棚架式栽培模式自然生长条件下簇生猕猴桃无损采摘机器人末端执行器的研究。基于果实与果柄的分离特性,提出面向机器人的果实采摘方法和简化几何模型,进行了果实与果柄分离试验的可行性验证;基于果实采摘方法设计了从底部接近、旋转包络分离毗邻果实并抓取、向上运动分离果实的末端执行器,并试制样机,进行了现场评价试验。结果表明,采摘模型能够实现果实与果柄的分离,末端执行器解决了毗邻果实分离问题,能够实现单个果实稳定抓取、无损采摘和采后抓持,成功率达到96.0%,平均单果耗时22 s。     

智能移动水果采摘机器人设计与试验

设计了一种智能移动水果采摘机器人,该机器人主要由智能移动平台、采摘机械臂、末端执行器、横向滑移机构和控制系统组成。用VC++语言编写了系统控制程序,开发了人机交互界面。样机在江苏省丰县果园进行了综合试验,结果表明:该机器人能够完成自主导航、自主采摘及自主装箱作业,移动平台、采摘机械臂及末端执行器能够实现智能协调控制。整个系统工作性能稳定,成熟果实的识别正确率为81.73%,采摘成功率为86.92%,单个苹果采摘平均耗时9.50 s。     

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.     

牵引式果园采摘作业平台果实输送系统的研究设计

为实现矮砧密植化苹果园采收环节机械化作业,设计一种基于人工采摘的"双侧、三高度、六工位"采摘平台,并实现对苹果自动输送和装箱。对采摘作业平台的果实输送系统进行设计,其设计充分考虑果实机械损伤理论,利用三级传送装置实现苹果从采摘工位到果箱的传送过程,对各级传送装置的空间布置、结构尺寸和工作原理进行细致而全面的设计与分析。样机试验结果表明:模拟实际采收条件下,传送带速度小于0.2m/s时,果实损伤率不超过10%,每小时的最大采摘量为9 400个,满足设计和实际作业要求。     

果实采摘机器人设计与导航系统性能分析

设计了一种果实自动采摘机器人,主要包括自动导航系统、采摘系统、运动系统、控制系统及动力系统。自动导航系统主要包括激光雷达导航和GNSS定位导航,可用于建立地图和规划工作路径;采摘系统通过双目立体视觉相机进行果实识别,再通过由六自由度机械臂和两指末端执行器(机械手)组成的执行机构抓紧果梗并剪断,完成果实采摘。试验结果表明,设计开发的机器人可以通过激光雷达导航完成室内工作,剪断并抓取果梗的两指末端执行器可适用于多种果实,上位机软件可以完成图像采集、机械臂控制和机器人工作路线图建立等操作。激光雷达导航试验结果表明,在1m/s的行驶速度下,导航绝对误差小于3.5cm,可满足温室果实采摘的需求。     

果实采摘机器人设计与导航系统性能分析

设计了一种果实自动采摘机器人,主要包括自动导航系统、采摘系统、运动系统、控制系统及动力系统。自动导航系统主要包括激光雷达导航和GNSS定位导航,可用于建立地图和规划工作路径;采摘系统通过双目立体视觉相机进行果实识别,再通过由六自由度机械臂和两指末端执行器(机械手)组成的执行机构抓紧果梗并剪断,完成果实采摘。试验结果表明,设计开发的机器人可以通过激光雷达导航完成室内工作,剪断并抓取果梗的两指末端执行器可适用于多种果实,上位机软件可以完成图像采集、机械臂控制和机器人工作路线图建立等操作。激光雷达导航试验结果表明,在1 m/s的行驶速度下,导航绝对误差小于3. 5 cm,可满足温室果实采摘的需求。     

双断根嫁接机自动搬运与回栽装置设计与试验

为提高嫁接流程的自动化程度,设计了一种适用于双断根嫁接机的自动搬运及回栽装置,以解决嫁接后嫁接苗依靠人工搬运、回栽作业的问题。阐述了搬运及回栽装置工作原理,并对关键机构进行了仿真和运动学分析。通过嫁接苗贴接夹紧区域统计和嫁接苗搬运试验,确定搬运机构对嫁接苗的最佳夹持位置;当机构夹持嫁接苗夹子下端搬运,搬运成功率可达94%,平均耗时为2.5 s/株。通过镇压三因素三水平正交试验,确定嫁接苗镇压效果最优条件;当打孔孔径10 mm、打孔深度15 mm、镇压块形状为对分锥面镇压时,嫁接苗回栽试验成功率可达92%,平均耗时为4 s/株,满足目前全自动嫁接机的嫁接速度要求。试验表明,设计的嫁接苗自动搬运及回栽装置与嫁接机配套使用,可提高嫁接流程的自动化程度。     

番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计

设计的基于多传感器信息融合和开放式控制的智能型番茄采摘机器人末端执行器,其硬件主要包括执行系统、感知系统、控制系统和供电系统,执行系统中真空吸盘装置使果实从果束中分离,手指夹持机构对番茄可靠抓持,果梗切断装置利用激光对果梗进行切断.该末端执行器设计质量为1.2 kg,完成一次采摘动作只需3 s.只需更换联接板,即可与其他机械手顺利联接.     

基于TRIZ的猕猴桃采摘机设计

针对猕猴桃采摘效率低、易损伤果实等问题,应用TRIZ理论指导猕猴桃采摘机的设计。通过需求分析,确定猕猴桃采摘机的作业流程。基于系统功能分析识别旋拧式猕猴桃采摘末端执行器的功能缺陷,应用因果分析、物场分析等TRIZ工具对采摘末端执行器求解创新方案,创新设计出一种自动定位果树—识别果实—剪断果梗—收集果实的猕猴桃采摘机。应用ADAMS对末端执行器采摘动作进行步态仿真、应用MATLAB对采摘机作业空间和采摘轨迹进行动态仿真,结果表明：猕猴桃采摘机采摘轨迹空间范围为X方向行程约1.4 m、Y方向行程约1.8 m和Z方向行程约2.3 m;采摘速度为8 s/个,末端执行器采摘过程作业动作平稳连贯,满足预期设计要求。在产品概念设计阶段应用TRIZ理论,有利于产生高质量、多层级的概念解,提高产品设计效率。     

苹果采摘机器人末端执行器的结构设计与试验

针对目前国内外已开发的果蔬采摘末端执行器存在的不足,结合采摘苹果的具体实际,提出了一种苹果采摘机器人末端执行器.其本体结构主要由夹持机构、切割机构、气动系统和传感控制系统等组成,并制造了样机,其机械本体质量只有1.3kg.在试验室里进行了采摘苹果试验,结果表明:该末端执行器采摘方案合理有效,总体性能可满足机器人采摘苹果的要求,采摘一个苹果只需2.3s,对于采摘其他球状果实具有一定的通用性.     

果园多工位作业平台低损输送系统设计与试验

为实现矮砧密植型果园采收作业的机械化,基于人机工程学和苹果机械损伤理论,设计一种适用于多工位采摘平台的低损输送系统,满足两侧、三高度、六工位的采摘作业要求,并实现对苹果的自动输送与自动装箱。根据种植间距和果树尺寸,确定子、主、垂直输送装置的尺寸、空间位置和作业参数。试验结果表明:子输送带带速为0.018 m/s,主输送带带速为0.038 m/s,垂直输送带带速为0.042 m/s,主输送带接收苹果的方式为每隔一个间隔接收一次时,苹果损伤率为8.67%,输送系统的最大输送效率为8 640个/h,满足采摘作业要求。     

高枝水果采摘器设计与研究

为解决高枝水果采摘难以及现有采摘器对不同果品通用性不高的问题,研制一种可针对不同品种的高枝水果采摘与收集的装置。设计底盘动力小车、多自由度定位机构、末端剪切执行器、装箱机构及控制系统,构建多自由度定位机构的坐标系并采用方向余弦矩阵进行运动分析,得出采摘的运动范围,通过对末端剪切执行器的运动分析得出两剪臂的运动角速度关系。运用SolidWorks建立采摘器的结构模型并对其进行运动学仿真,验证水果的采摘范围和末端执行器的等角速特性,利用ANSYS进行采摘杆的应力应变分析,验证采摘杆满足强度和稳定性要求,制造高枝水果采摘器样机并进行采摘试验,试验表明:采摘效率高,水果无损伤,最大采摘高度为3.5 m,每个水果平均采摘时间为6 s。     

番茄采摘机器人真空吸盘装置设计与试验

为实现番茄采摘机器人作业时将目标果实从果束中分离,设计了以微型静音空气压缩机和集成式真空发生器为主体的真空吸盘装置,并依据供气压力-负压关系、吸盘拉脱力和真空吸着响应时间测定结果,确定了其控制策略。试验表明,真空吸盘装置平均单次作业的时间和空气消耗量分别为1.5s和0.6L,拉动果实实现35mm水平位移的成功率达92%,空气压缩机功率可以满足采摘效率360个/h的需要     

关于果蔬采摘机器人机械系统设计与关键技术的研究

本课题组设计的采摘机器人主要用于采摘及搬运果蔬,其采用液压缸和电机进行驱动、PLC进行控制,实现对果蔬的抓取及搬运。果蔬采摘机器人涉及操作机构的设计和操作动作的PLC控制。设计重点为果蔬采摘机器人主要部件的结构设计及尺寸计算和主要技术参数的确定,根据果蔬采摘机器人用途,设计PLC梯形图,并绘制相关的零件设计图、CAD装配图和PLC相关程序。仿真结果表明,该果蔬采摘机器人实现了自动识别与自动采摘,应用前景广阔。     

采摘机器人智能化控制系统设计研究 —基于嵌入式系统和物联网

近年来,采摘机器人被逐渐地投入到农业生产过程中,受作业环境复杂性及本身控制系统的精度影响,采摘机器人的作业效率和质量很难到达预期的设计要求。为了提高采摘机器人的控制精度和智能化程度,将嵌入式系统和物联网引入到了采摘机器人控制系统的设计上,并采用无线传感网络实现机器人和远程端的通信,利用三边测量定位提高其定位精度。为了验证方法的可靠性,以西红柿采摘作为实验环境,对采摘机器人的响应速度、定位精度以及果实的采摘质量分别进行了测试,结果表明:采用嵌入式系统和物联网设计采摘机器人的控制系统,采摘机器人具有较高的响应速度和定位精度,果实的采摘质量较高,可以满足果实智能化采摘的设计需求。     

基于机器视觉和PLC的猕猴桃分级控制系统设计

针对传统的猕猴桃采摘后人工分级费时费力、效率较低的问题,基于S7-300 PLC控制器、MATLAB图像处理以及组态软件实时监控等技术,设计基于面积的猕猴桃大小分级控制系统。系统采用USB摄像头对输送带上的猕猴桃进行图像采集,在PC端用MATLAB对采集的猕猴桃图像实时处理,并通过OPC将处理结果传送给组态王开发的上位机监控系统中,上位机通过PLC控制分级执行系统。经试验测试,该分级控制系统执行效率高,平均分级速率可达2.5 s/个,正确率可达100%,能够满足猕猴桃果实分级要求。     

轨道平移式果蔬采摘机器人作业质量测试方法

基于轨道平移式果蔬采摘机器人作业原理,建立了果蔬柔性采摘机器人作业质量测试方法,确定了采摘效率、果实采摘尺寸范围、最大抓握输出力、抓取成功率及果实破损率等作业指标的测定方法。依据提出的方法对FHR-2型柔性果蔬采摘机器人进行了设施温室大果番茄采收试验,结果表明,采摘效率8个/min,果实采摘尺寸范围30～92 mm,最大抓握输出力22.5 N,抓取成功率72.9%,果实破损率0,能够满足大果番茄的采摘要求。建立的测试方法能够对番茄采摘机器人进行作业质量测试,机器人的图像识别系统参数需进一步优化,以提高作业质量。     

番茄采摘机器人系统设计与试验

为了提高鲜食番茄采收的自动化水平,减轻人工采摘劳动强度,设计了一种番茄智能采摘机器人。该采摘机器人包括视觉定位单元、采摘手爪、控制系统及承载平台,并基于各部件工作原理制定了采摘机器人的工作流程。基于HIS色彩模型进行图像分割,提高了果实识别的准确度;通过气囊夹持方式确保果实采摘过程中对果实的柔性夹持。试验结果表明:视觉定位、采摘手爪等模块运转良好,采摘单果番茄耗时约24s,成功率可达8 3.9%以上。     

猕猴桃果实物理参数与损伤因素的研究

猕猴桃果实的物理参数和损伤因素为采摘机器人的末端执行器设计与控制提供了理论依据。统计分析了115个收获期"海沃德"猕猴桃果实的物理参数,采用正交试验以果实微损伤的力学特性参数为评价指标研究了果实的损伤因素。结果表明:猕猴桃果实厚度方向尺寸变化最小,球度均值为0.84。果实的几何平均直径与质量存在显著线性相关,相关系数R为0.964。正交试验结果表明,猕猴桃果实存在延迟损伤,早期的微损伤会导致后期果实品质下降。猕猴桃果实的损伤因素,显著性居前3位的为压缩量、加载位置和压头类型。相比前3个损伤因素,加载速率和压头材料相对影响较小。采摘机器人的末端执行器采用两个仿生弧形面、厚度方向抓持,机构简单,受力均匀,抓持稳定。