摘要：荔枝是我国南方特产佳果，其栽培面积和产量均居全球之首。采摘是荔枝生产作业的重要环节，使用机器人采摘...荔枝是我国南方特产佳果，其栽培面积和产量均居全球之首。采摘是荔枝生产作业的重要环节，使用机器人采摘，可提高采摘效率，降低采摘成本和改善劳动条件。但是，荔枝皮薄、肉多，含水量高，受到外力作用后容易产生机械损伤。为发展荔枝采摘机器人，减少荔枝采摘回收中的机械损伤，本文对采摘机器人重要执行部件末端执行器进行仿真优化设计，并采用实验与仿真的方法对其采摘回收减损策略进行了研究，主要完成的研究工作有： 1）荔枝串果母枝的剪切特性研究。搭建了接近实际采摘工况的夹持剪切试验平台，对荔枝串果母枝进行了不同刀具刃口形式和剪切速度的剪切试验。结果表明：剪切速度越大，串果母枝的峰值剪切力越低，剪切断口截面越平滑；弧刃刀具对串果母枝的峰值剪切力和剪切功率总体上均小于直刃刀具，且剪切断口截面也更平滑，但随着剪切速度的增大，2种刀具对串果母枝剪切性能的差异性减少；直刃刀具比弧刃刀具更便于母枝到达刀具剪切点位置。 2）夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计研究。结合荔枝串果的采摘方式及其串果母枝的剪切特性，对夹剪一体化的荔枝采摘末端执行器进行了整体设计，包括各组成模块和控制系统的具体设计；分析了末端执行器剪切模块结构组成，构建了剪切力学模型；对夹持模块的设计形式进行了力封闭性分析，建立了串果母枝稳定夹持的力学模型。 3）末端执行器仿真优化设计及其工作性能测试研究。对末端执行器各组件进行有限元分析，同时基于ADAMS对其进行运动学和动力学仿真，仿真结果表明：剪切（夹持）运动平稳；夹持剪切串果母枝的动作耗时少，采摘时具备高效性；夹持力先于剪切力，采摘时，可对串果母枝实现预夹紧预定位。根据优化结果研制了末端执行器物理样机，并对其进行了工作性能测试，测试结果表明：末端执行器抗遮挡干扰能力中等，具有较好的负载能力，可有效稳定夹持荔枝串果，其总体平均采摘成功率为84%、平均夹剪时间为2s。根据性能测试结果对末端执行器关键零件采取进一步的拓扑结构优化和剪切与夹持模块的结构改进。 4）荔枝采摘回收放置减损策略试验研究。以“槐枝”荔枝为研究对象，通过跌落碰撞和堆叠放置的损伤试验，分析研究了不同跌落碰撞条件、堆叠放置条件对荔枝损伤指标（果壳褐变指数、果实失重率）的影响，提取了荔枝采摘回收放置的减损策略。跌落碰撞试验结果表明，试验范围内，碰撞接触材料为 PVC板时荔枝的损伤大于瓦楞纸板；试验范围内，有利于减小荔枝跌落碰撞损伤的机器人采摘回收的最大起始下放高度：回收装置采用塑料框，储藏2天为60 c m、储藏一周为30 c m；瓦楞纸果箱，储藏2天为75 c m，储藏一周为45 c m；回收装置底层布满荔枝后，储藏2天下放高度可提高到90 c m，储藏一周可提高到60 c m。堆叠放置试验结果表明，试验范围内，放置容器材质为塑料时荔枝的损伤大于瓦楞纸材质，最小为EPS泡沫材质；储藏2天，有利于减少荔枝堆叠损伤的最大堆叠层数：塑料材质为8层、瓦楞纸材质为8层、EPS泡沫材质为10层；储藏一周，均降至为6层（不含第6层）以下。 5）荔枝跌落碰撞和堆叠损伤有限元分析。测定了荔枝各组分的力学参数，推导了堆叠放置底层荔枝受挤压的力学模型，构建了荔枝跌落碰撞和堆叠有限元模型，模拟了荔枝的跌落碰撞和堆叠放置过程，通过等效应力云图分析了不同跌落碰撞和堆叠放置条件对荔枝损伤的影响。结果表明：碰撞接触材料为 PVC板时，荔枝果壳和果肉的内部等效应力最大且损伤最快，其次为瓦楞纸板，最小为荔枝；放置容器为塑料材质时，底层荔枝果壳的内部等效应力最大且更快达到微观破裂损伤，其次为瓦楞纸材质，最小为EPS泡沫材质；3种碰撞接触材料下的荔枝碰撞损伤预测结果和3种放置容器材质下的底层荔枝堆叠损伤预测结果均分别与其跌落碰撞和堆叠放置试验后储藏2天的损伤指标分析结果相一致。显示全部
