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气动翻转梳齿式菊花采摘装置设计与试验

农业机械学报 2022年第10期53卷 184-193页

作者：王荣炎于慧爽陈安迪李爱潮高磊郑志安中国农业大学工学院北京100083

针对菊花人工采摘效率低、尚未实现机械化等问题,设计了一种气动翻转梳齿式菊花采摘装置。该采摘装置主要由采摘部件、清齿部件、气动抛送机构、丝杠升降机构、行走装置和收集装置等组成,利用梳齿的梳刷作用将花朵采摘下来,借助清齿部... 详细信息

针对菊花人工采摘效率低、尚未实现机械化等问题,设计了一种气动翻转梳齿式菊花采摘装置。该采摘装置主要由采摘部件、清齿部件、气动抛送机构、丝杠升降机构、行走装置和收集装置等组成,利用梳齿的梳刷作用将花朵采摘下来,借助清齿部件和气动抛送机构完成收集工作,采摘部件的工作高度通过丝杠升降机构进行调节。根据菊花的生长特性和采摘要求,确定了采摘部件中偏置曲柄滑块机构和采摘梳齿的结构参数和运动参数。搭建了采摘样机,以曲柄转速、梳齿间距、机器行驶速度为试验因素,以采摘率、损伤率和含杂率为试验指标,进行了三元二次回归组合试验,建立了因素与指标间数学模型并确定了最优的参数组合,试验表明:在曲柄转速为47.94 r/min、梳齿间距为8 mm、机器行驶速度为0.17 m/s的因素水平组合下,采摘效果最佳。此时,采摘率为92%,损伤率为1.83%,含杂率为10%。该气动翻转梳齿式菊花采摘装置运行稳定,通过性良好,满足菊花采摘的农艺要求。

关键词：菊花采摘装置偏置式曲柄滑块梳齿式气动

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圆盘切割式剑麻采摘装置设计与仿真

中国农机化学报 2023年第1期44卷 77-84页

作者：任甲辉支腾李法堂樊秋菊武涛华南农业大学工程学院广州市510642 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室广州市510642

针对剑麻人工收割劳动强度大、效率低、成本高等问题,结合剑麻叶片物理特性和收割工艺特点,设计一种圆盘切割式剑麻采摘装置。首先,简述整机结构与工作原理;然后,对装置关键部件的结构进行设计,通过对刀具在切割过程中的受力与运动分析... 详细信息

针对剑麻人工收割劳动强度大、效率低、成本高等问题,结合剑麻叶片物理特性和收割工艺特点,设计一种圆盘切割式剑麻采摘装置。首先,简述整机结构与工作原理;然后,对装置关键部件的结构进行设计,通过对刀具在切割过程中的受力与运动分析,确定刀具的回转半径和转速等结构与运行参数;最后,运用ANSYS对圆盘刀具进行静力学和模态分析,进而仿真优化刀盘结构,以刀具回转半径和安装角度为试验因素,刀具底部的最大应力和刀具顶部的最大形变量为评价指标进行两因素三水平正交仿真试验。仿真试验结果表明:当刀具安装角度为28°,最大回转半径为105 mm时,刀具的最大变形量为0.09 mm,最大应力为9.38 MPa,远小于刀具材料的最小屈服强度345 MPa;安全系数最小值为15,远大于1,最小循环次数为1010,进入了无限寿命区;根据刀具前6阶模态分析知,刀具的工作转速800 r/min,远小于极限转速。以上研究表明,刀具的刚度、强度和安全系数、疲劳寿命均满足要求,且不会发生共振现象。研究为剑麻收割机的设计及刀具避开共振点频率,减小因振动产生的变形,提供理论和技术参考。

关键词：剑麻采摘装置圆盘刀具静力学分析模态分析

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剪切式红花采摘装置的设计与试验

农机化研究 2023年第10期45卷 166-170,176页

作者：罗丹郭辉高国民董芙楠路昊张振国新疆农业大学机电工程学院乌鲁木齐830052

针对目前红花采摘人工需求量大、劳动强度高和效率低等问题,设计了一种剪切式红花采摘装置。完成了曲柄滑块机构的运动分析计算,得到剪切装置中动刀片的剪切力F_(t)≈98.69N;进行了输花孔的设计,并确定了结构参数;通过剪切性能试验,确... 详细信息

针对目前红花采摘人工需求量大、劳动强度高和效率低等问题,设计了一种剪切式红花采摘装置。完成了曲柄滑块机构的运动分析计算,得到剪切装置中动刀片的剪切力F_(t)≈98.69N;进行了输花孔的设计,并确定了结构参数;通过剪切性能试验,确定了电机转速为300r/min、输花孔锥度为78.9°。红花采摘试验表明:红花花丝平均采净率为94.63%,花球平均损伤率为8.2%,花丝平均含杂率为2.17%,装置满足红花的采摘要求,可为后期红花的机械化采摘提供参考。

关键词：红花采摘装置剪切式剪切力

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罗汉果采摘装置的设计仿真与试验

农机化研究 2022年第3期44卷 65-70页

作者：李俚马甲辰范业增龚雪晗崔建昕孙迪李馨广西大学机械工程学院南宁530004

为了改善罗汉果采摘条件、提高采摘效率,基于罗汉果生长特性和采摘实际需求,设计了一种罗汉果采摘装置。通过UG建立装置模型并进行优化设计,并通过Adams和Ansys进行了运动学和有限元分析,验证了所设计装置的合理性。最后,制造样机并进... 详细信息

为了改善罗汉果采摘条件、提高采摘效率,基于罗汉果生长特性和采摘实际需求,设计了一种罗汉果采摘装置。通过UG建立装置模型并进行优化设计,并通过Adams和Ansys进行了运动学和有限元分析,验证了所设计装置的合理性。最后,制造样机并进行试验,结果表明:采摘装置大大提高了采摘效率,满足使用要求。

关键词：采摘装置优化设计仿真分析罗汉果

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基于红外图谱模型的采摘装置识别系统研究

农机化研究 2023年第9期45卷 189-192页

作者：李丽英王娟江西机电职业技术学院南昌330013

以西瓜采摘过程中的识别定位方法为研究对象,采用红外光谱技术获取西瓜采摘过程中的图像及相关位置信息。通过试验测定出能够有效进行西瓜识别的红外光最佳波段,在不同的光照条件下采集西瓜红外图像,对图像进行滤波和去噪音处理,并采用... 详细信息

以西瓜采摘过程中的识别定位方法为研究对象,采用红外光谱技术获取西瓜采摘过程中的图像及相关位置信息。通过试验测定出能够有效进行西瓜识别的红外光最佳波段,在不同的光照条件下采集西瓜红外图像,对图像进行滤波和去噪音处理,并采用定型模板对西瓜红外图像进行浓缩,实现西瓜果实的识别。进一步计算西瓜采摘过程中的形心坐标,以此作为西瓜采摘点,根据西瓜外观形状,对图像进行分割定位,识别出西瓜采摘时的切割点。对不同条件下的西瓜图像进行识别算法验证,结果表明:该识别系统能够准确识别出有无采摘对象的成功率为98%,能够识别出采摘点的成功率为93.8%,能够识别出切割点的成功率为87.7%。

关键词：采摘装置红外图谱目标识别信息获取

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基于3D打印技术的采摘装置结构优化设计

农机化研究 2023年第2期45卷 211-214页

作者：方方河南林业职业学院河南洛阳471000

通过对果实采摘过程进行分析,设计了一种结构简单、能够对采摘对象外形进行自适应的柔性采摘装置。采用D-H坐标变换的方式建立采摘装置运动学模型,基于3D打印技术进行三维结构设计制造,并对采摘装置进行性能安全测试试验。结果表明:所... 详细信息

通过对果实采摘过程进行分析,设计了一种结构简单、能够对采摘对象外形进行自适应的柔性采摘装置。采用D-H坐标变换的方式建立采摘装置运动学模型,基于3D打印技术进行三维结构设计制造,并对采摘装置进行性能安全测试试验。结果表明:所设计的自适应柔性采摘装置能够在保证采摘对象无损伤的条件下自适应采摘对象外形,并完成抓取动作。研究结果可为柔性机械采摘装置的设计制造提供参考。

关键词：采摘装置 3D打印 D-H变换三维结构

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基于单目图像的苹果目标定位及采摘装置研发

基于单目图像的苹果目标定位及采摘装置研发

作者：高研西北农林科技大学

学位级别：硕士

中国是苹果生产和消费大国,采摘作为一项极具季节性的劳动密集型工作,对后续生产加工都有着直接影响。然而,传统人工采摘需要大量的人力投入且效率低下,现阶段采摘机器人果实定位精度不足,采摘装置结构复杂,生产成本较高,无法满足市场需... 详细信息

中国是苹果生产和消费大国,采摘作为一项极具季节性的劳动密集型工作,对后续生产加工都有着直接影响。然而,传统人工采摘需要大量的人力投入且效率低下,现阶段采摘机器人果实定位精度不足,采摘装置结构复杂,生产成本较高,无法满足市场需求,严重制约了苹果产业的发展。随着人工智能技术发展和果树种植模式转变,优化识别定位算法,研发一款操作简单、使用维护成本较低的采摘装置具有重要意义。本研究以墙型果园苹果自动化采摘为背景,开展单目图像苹果目标定位及采摘装置研发。主要研究内容及结论如下:(1)技术方案设计及数据集制备。首先对采用墙型种植模式的苹果果园环境及果实空间分布情况进行介绍,确定系统整体技术方案;搭建图像采集平台,在果园不同光照条件下采集彩色图像和深度图,使用Label Img对果实目标进行标注,利用水平镜像、色彩抖动、旋转等方法进行数据增强后得到苹果数据集。(2)基于改进HRNet的单幅图像深度估计模型。为了获取果园高精度稠密深度信息,基于HRNet构建多分支并行的编码器网络,通过引入密集连接机制强化特征传递连续性,使用卷积注意力模块对融合特征进行重标定,改进编码器性能,强化特征图结构信息,实现多尺度特征的有效提取。在解码器网络中引入条纹细化模块突出边缘特征、改善边缘模糊,最后经上采样生成深度图。通过迁移学习方法,利用公共数据集上预训练权重,在苹果深度数据集上对模型进行训练和参数微调。试验结果表明,改进HRNet网络生成的深度图轮廓清晰,保留了较多细节信息,与Dense Depth Net、BSNet等先进的网络结果对比,在主观评价和客观指标上表现最佳,在苹果深度数据集上的平均相对误差、均方根误差、对数平均误差、深度边缘准确误差和边缘完整性误差分别为0.123、0.547、0.051、3.90和10.59,在1.25、1.25、1.253种不同阈值下的准确率分别达到了0.850、0.975、0.993。(3)基于单目图像的苹果目标定位算法设计。对比当前主流的YOLO系列目标检测网络,分类损失使用Vari Focal Loss通过不对称参数对正负样本加权,增加高质量正样本对模型影响比例;定位损失使用SIo U Loss引导网络快速优化;选择YOLOX-s作为苹果目标检测模型,其准确率和平均检测精度分别为85.4%和91.6%,单幅图像检测时间为21.2 ms,能够较好地完成实时检测任务。取检测矩形框的左上角和右下角两点像素坐标的平均值作为苹果质心二维坐标。同时,在深度图中,取质心及其邻域共9个像素的深度均值作为苹果目标深度值,实现单目图像苹果目标定位。试验结果表明,与利用标定框和真实深度信息得到的三维坐标真值相比,在1.5 m内果实质心二维坐标误差可控制在2 pixel以下、深度误差在1.6 cm以下。(4)苹果采摘装置研发。在满足系统开发需求的同时,尽量降低生产成本,选择结构更加简单的龙门式机械臂完成采摘装置开发。对苹果采摘装置的关键硬件进行选型,完成硬件电路、控制系统设计,并设计补充龙门式手眼标定试验,获取苹果目标在采摘装置基坐标系下的三维坐标。最后搭建模拟试验环境,改变挂果数量及位置,进行苹果采摘试验,单果平均采摘时间在15s左右,成功率在80%以上。

关键词：单目图像苹果目标深度估计识别定位采摘装置

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朝天椒收获机采摘装置及其减损技术研究

朝天椒收获机采摘装置及其减损技术研究

作者：杜传兴江苏大学

学位级别：硕士

滚筒弹指式采摘装置已成为国内大多数自走式辣椒收获机的标配。然而,现有的滚筒弹指式采摘装置不能适应内地朝天椒的种植和生长模式,导致朝天椒的采摘地面掉落损失和破损较多,严重影响了朝天椒的增产增收。本文从朝天椒物料特性与力学... 详细信息

滚筒弹指式采摘装置已成为国内大多数自走式辣椒收获机的标配。然而,现有的滚筒弹指式采摘装置不能适应内地朝天椒的种植和生长模式,导致朝天椒的采摘地面掉落损失和破损较多,严重影响了朝天椒的增产增收。本文从朝天椒物料特性与力学参数研究出发,分析提炼手指在采摘朝天椒时的多指协同联合运动构型和单指刚柔材料耦合组装形式,对滚筒弹指式采摘装置的采摘弹指排布方案和材料组装进行优化设计,建立了采摘滚筒仿生减损模型。基于该模型,进行减损技术参数优化研究,并开展了田间试验,研制出了低地面掉落损失率和低破损率的朝天椒收获机采摘装置。具体研究内容如下:（1）朝天椒物料特性与力学参数研究:实地调研江苏丰县的成熟期朝天椒,测量了其株高、行距、结果高度、产量等农艺参数。通过实验测定了朝天椒果实的特征尺寸、含水率、密度、泊松比、弹性模量等材料参数。采用钟摆法测定了朝天椒的碰撞恢复系数,通过斜面滑动法测定了朝天椒与接触材料间的摩擦系数。采用逆向工程重构技术建立了朝天椒三维模型组,通过圆筒提升法获得了朝天椒物料的实测休止角。并基于朝天椒堆积EDEM仿真和RSM优化试验设计,标定了朝天椒与朝天椒之间的静摩擦系数和滚动摩擦系数。验证试验中的朝天椒休止角与实测休止角的相对误差在3.35%以内,说明标定参数准确可靠,为后续采摘装置的减损技术参数优化奠定了参数基础。（2）采摘装置的设计及其减损模型的建立:结合朝天椒的农艺和物料参数,对采摘装置进行结构设计。进一步以人的手指为仿生原型,建立了采摘滚筒仿生减损模型。该模型包括两个方面:一方面提炼多根手指在采摘朝天椒时协同排布、指节弯曲和手腕后移的联合运动空间构型,建立采摘弹指协同排布联合运动方案模型;另一方面分析单根手指由里到外的骨骼-肌肉-筋膜-皮肤等刚柔材料耦合组装机理,建立仿生弹指刚柔材料耦合组装模型。（3）基于EDEM的采摘装置地面掉落损失率参数优化:通过简化采摘装置,建立了采摘台架EDEM仿真模型。基于采摘弹指协同排布联合运动方案模型,综合考虑了采摘滚筒转速V'、朝天椒喂入速度V'、采摘弹指折弯角C和周向每组弹指排数N对仿真中朝天椒地面掉落损失率η 的的影响。基于采摘台架EDEM仿真模型,以η的为响应,通过Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验回归模型方差分析,优化得到η最小为7.50%时的最优减损技术参数组合:V'为210 rpm,V'为1100 mm/s,C为162°,N为2排。（4）基于Abaqus的朝天椒-指节碰撞仿真分析:对采摘滚筒高速旋转采摘朝天椒的运动过程进行简化,建立了朝天椒-指节瞬时碰撞模型,采用Abaqus显式非线性动态分析方法,对该瞬时碰撞过程进行仿真,以分析仿生弹指外部柔性层和内部刚性层的组装材料直径比不同对朝天椒采摘破损的影响。通过对仿真结果进行能量平衡分析和力学参数分析发现,相比普通刚性指节,仿生弹指不仅能够显著延长采摘朝天椒的瞬时碰撞阶段时长（延长1230%～3480%）,还可有效减小其对朝天椒的最大冲击力（减小93.09%～98.83%）和最大接触压力（减小94.45%～99.11%）,即基于仿生弹指刚柔材料耦合组装模型的仿生弹指具有优良的采摘缓冲和减冲性能,有助于减少朝天椒的破损。根据分析结果优选出仿生指节8-6作为采摘装置的仿生弹指刚柔材料耦合组装形式,并应用于后续的田间试验。（5）采摘装置田间试验:按照上述优选的减损技术参数组合,加工和配置采摘装置,并将其应用在4JZ-1700自走式朝天椒收获机上进行采摘朝天椒的田间试验。仿真中的朝天椒地面掉落损失率η 的（7.50%）与田间试验中的朝天椒名义地面掉落损失率η（7.91%）的相对误差仅5.18%,从而验证了最优减损技术参数组合的准确性。装备仿生弹指的采摘装置的朝天椒破损率η的（2.98%）小于装备普通刚性弹指的朝天椒破损率η 的（3.49%）,说明仿生弹指在采摘朝天椒时具有更好的减损效果。因此,认为该朝天椒收获机采摘装置具有良好的减损性能。

关键词：朝天椒收获机采摘装置采摘弹指仿生设计减损

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柚子采摘装置与控制系统设计

柚子采摘装置与控制系统设计

作者：李英琪华中农业大学

学位级别：硕士

柚子主要栽种于丘陵山区,当前主要依赖人工采摘,实现机械化采收对提高生产效益有重要意义。采摘装置是机械化采摘的核心工作部件之一,本文针对柚子采摘作业特点,开展了柚子采摘装置结构和控制系统设计,主要研究内容如下:(1)柚子采摘装... 详细信息

柚子主要栽种于丘陵山区,当前主要依赖人工采摘,实现机械化采收对提高生产效益有重要意义。采摘装置是机械化采摘的核心工作部件之一,本文针对柚子采摘作业特点,开展了柚子采摘装置结构和控制系统设计,主要研究内容如下:(1)柚子采摘装置整体功能分析。分析了人工采摘柚子果实的动作特点,确定了柚子采摘装置应具有果实托持和果梗切割功能,确定了柚子采摘装置控制系统的性能要求,明确了控制系统工作流程。柚子采摘装置总体结构包括托持部件和切割机构两部分;托持部件能在不损伤柚子果实的前提下实现不同直径柚子果实的稳定托持;切割机构能根据传感器所获信息驱动锯片准确到达果梗处并且快速实现完全切割,之后复位。(2)柚子采摘装置总体结构设计。设计了柚子采摘装置总体结构,包括托持部件和切割机构两个部分。托持部件为碗状,内径为200mm,高度为100mm,用于采摘过程中托持目标果实。切割机构包括切割器和传动机构两部分,由齿轮、弯齿条、锯片、步进电机、高速直流电机、锯片保护壳等组成。利用高速直流电机带动圆盘锯片沿果梗径向进行切割,计算得到锯片主运动速度V=31.40m/s,进给速度U=52mm/s,锯切力F=4.98N,锯切功率P=156.47W,设计了限位块对弯齿条进行前后以及左右限位,保证其能按预定轨迹运动。在Solidworks软件里创建了柚子采摘装置的三维模型,并在Adams软件中进行运动仿真,仿真结果表明,该设计满足功能要求。(3)柚子果实信息获取系统设计。果实信息是采摘装置动作控制的基本依据之一。选择电阻应变式压力传感器获取果实重量信息,信号转换模块为HX711 A/D,利用XLHW50CM红外漫反射接近传感器获取果实的位置信息,主控制器为STM32F103单片机。确定了称重传感器信号的获取、分析和显示方式,设计了消减冲击震荡对称重信号干扰的程序,实现了柚子果实的重量和规格等级信息在液晶屏上的实时显示,实现了柚子果实在托持部件中位置判断信号的获取和输出。(4)柚子采摘装置控制系统设计。根据柚子采摘装置工作流程分析,确定了控制系统功能要求和设计思路。选择STM32F103ZET6核心板单片机、3.2寸ILI9341液晶屏、J-5718HB2401步进电机、EBF-MSD4805驱动器、775高速直流电机、YK-08控制继电器模块等元件构建控制系统。完成了控制系统硬件结构示意图,设计了控制系统各部分电路图和开发板PCB图,并完成硬件焊接和搭建;设计了主程序及子程序流程和流程图,编写和调试了系统控制程序,经调试,柚子采摘装置控制系统能够实现预期功能。(5)柚子采摘装置整体搭建、调试与功能测试。组装了柚子采摘装置,并选取重量范围为400～1100g、果梗直径范围为4.47～6.80mm的带果梗柚子果实样本30个用于功能测试。结果表明,托持部件能够稳定托持果实;称重传感器能准确获取柚子果实重量数据,各重量级别称重准确率为83.3%～88.9%,平均作业时间为10.33～10.85s;切割机构能正常完成行程并切断果梗。研究结果表明,设计的柚子采摘装置能够完成预设作业流程,基本满足采摘作业功能要求,为后续柚子采摘机器人的研发提供了技术基础和解决方案。

关键词：柚子采摘机器人采摘装置切割机构控制