基于果梗分离采摘方式的猕猴桃采摘末端执行器研制

发布时间：2020-11-02 12:48

　　 目前猕猴桃的收获方式主要是人工采摘为主,这种收获方式需要投入大量的人力和物力,存在劳动强度大,工作耗时、成本高的问题。猕猴桃采摘末端执行器传统的采摘方式是夹持果实进行拉拽或旋转,该采摘方式对果实的损伤较大,存在损伤率高、采摘效率低的问题。因此,研究猕猴桃果梗分离运动采摘末端执行器对于推进猕猴桃机械化无损采摘产业的发展具有重要意义。本文以陕西省秦岭北麓自然条件下生长的“海沃德”猕猴桃为研究对象,研制了一种基于果梗分离运动的猕猴桃采摘末端执行器。本文的主要研究内容有以下几个方面:(1)猕猴桃果梗分离采摘方式的研究。进行果实抗压特性试验与损伤率检测,结果表明果实长度、大径和小径方向抗压强度从大到小依次为小径大径长度,果实加载力大于15 N时,果实损伤明显增加,所以果实夹持力不宜大于15 N,果实损伤率与试验加载力呈线性关系,试验结果为果实损伤阀值力的确定提供依据。对夹持果实稳定性和夹持果梗稳定性进行了研究,结果表明果实不脱落需要1.04 N的夹持力,果梗夹持手指夹持果梗可以形成力的封闭,建立了猕猴桃果梗分离运动采摘模型。进行了果梗分离试验,综合考虑,最终选取从中点夹持果梗进行分离的方式,该方式分离剪切力均值为2.16 N,分离移动距离均值为36.45 mm。(2)采摘末端执行器机械结构设计。依据果梗分离运动采摘原理,提出了三种采摘方案,通过六项指标的对比,选择两侧夹持果实电机驱动分离果梗式作为最终方案。首先,对整体结构进行了设计;后对果实夹持机构和果梗分离运动机构进行了设计,应用SolidWorks软件建立三维模型并进行虚拟样机装配;最后,基于ANSYS Workbench18.1对关键零件进行静力学仿真分析,采用CATIA软件中的DMU模块对三维装配体进行了刚体动力学分析,结果表明,该末端执行器机械结构设计满足果梗分离运动采摘原理,无运动干涉,各机构布局合理。(3)采摘末端执行器控制系统设计。以STC89C52单片机作为控制器,融合对射式红外开关传感器、霍尔位置传感器、薄膜压力传感器作为感知元件检测果实信息,采用末端控制原理,设置步进电机I带动V型夹持手指以8 mm/s的速度夹持果实,压力传感器I设定阀值力2.08 N;步进电机II带动果梗夹持手指以10 mm/s夹持果梗,压力传感器II设定阀值力2.16 N;步进电机III带动机架II以12 mm/s的速度向前推进,达到预设的45 mm位置,完成果梗分离运动采摘。由单片机收集传感器数据,通过控制步进电机驱动器的脉冲频率、方向信号和脉冲数实现对步进电机的有序控制。(4)采摘末端执行器样机试制与采摘试验。对末端执行器机械部分进行加工和装配,将机械部分与控制系统相结合进行综合调试,前期在校内搭建猕猴桃仿真棚架进行采摘试验,共计采摘10个猕猴桃,采摘成功率为90%,单果平均采摘时间为15±0.7 s,后期在陕西省眉县西北农林科技大学猕猴桃试验站进行果园采摘性能试验,共采摘50个猕猴桃,果梗分离运动采摘成功率86%,单果平均采摘时间为17±0.5 s。对采摘完成的果实进行冷藏,30天后进行果实损伤检测,未受损果实46个,受损伤4个,损伤率为8%,损伤率较低。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S225.93
【部分图文】：

图 1-1 多果采摘模型(谷新运 2018) 图 1-2 猕猴桃采摘模式(张发年 2014)Fig.1-1 Multi-fruit picking model(谷新运 2018)Fig.1-2 Kiwifruit picking pattern(张发年 2014)在苹果采摘末端执行器方向，马履中等(2009)研制的苹果采摘末端执行器采用后，切断果梗的方式。ZhaoDA(2011)研制的苹果采摘末端执行器采用两个圆

图 1-1 多果采摘模型(谷新运 2018) 图 1-2 猕猴桃采摘模式(张发年 2014)Fig.1-1 Multi-fruit picking model(谷新运 2018)Fig.1-2 Kiwifruit picking pattern(张发年 2014)在苹果采摘末端执行器方向，马履中等(2009)研制的苹果采摘末端执行器采用后，切断果梗的方式。ZhaoDA(2011)研制的苹果采摘末端执行器采用两个圆

图 1-3 苹果采摘模式(Li et al. 2016)Fig.1-3Apple picking patterns(Li et al. 2016)执行器方向，张凯良(2011)对草莓这种易受损持果柄并剪切的草莓采摘末端执行器。Ha究了一种吸盘吸附草莓，吸附果实稳定后切
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本文编号：2867071