种苗负压气吸夹设计与试验研究

摘要

随着我国农业结构的不断完善和发展，设施园艺得到了迅猛的发展。在设施园艺中，设施蔬菜占了很大的比重，而影响设施蔬菜整体效益的关键因素是种苗的生产，种苗生产往往采用人工来完成，这导致了生产率低、作业质量不稳定、成本高等问题。虽然国外发达国家的种苗生产机器人比较发达，但其价格昂贵，不适合我国的生产需要。因此，研究研究符合我国国情的种苗生产机器人意义重大。在种苗生产机器人的研究中，末端执行器的开发是核心内容之一，种苗生产机器人末端执行器又叫夹持手，目前夹持手大多采用尺寸定位方式，该方式难以适应秧苗个体差异的特性，易伤苗，夹持效果不稳。日本也曾开发出了应变片和钛镍记忆合金柔性夹持机构，但该机构比较复杂，成本很高，可靠性差。因此，开发一种稳定可靠且不不伤苗的末端执行器对种苗生产机器人的发展至关重要。为了解决这一问题，本研究采用负压吸附技术，设计了负压气吸夹作为种苗生产机器人的末端执行器，本文以西瓜为代表，通过对西瓜秧苗的外形特征的研究设计了负压气吸夹外形结构，并采用Fluent软件对负压气吸夹气室内的流场进行了模拟分析，得到了不同条件下气室的压力云图与速度云图，为了对负压气吸夹的作业性能做进一步的研究，本文还进行了如下的试验研究。 (1)对于研究负压气吸夹的吸附特性，本文以负压气吸夹吸附秧苗时在胚轴方向产生的最大拉力为评价指标，通过试验得出了产生最大拉力的最优组合为:负压气吸夹材料选择聚氨酯，吸孔直径为1.9mm，气室真空度为-80kPa，本文还对负压气吸夹吸附秧苗的适应做了相关试验，试验结果表明:吸孔直径为1 mm、夹口槽直径为1.5mm的负压气吸夹，适应秧苗胚轴直径的范围为1.3mm-1.5mm;吸孔直径为1.5mm，夹口槽直径为2.0mm的负压气吸夹，适应秧苗胚轴直径的范围为1.8mm-2.mm;吸孔直径为2mm、夹口槽直径为2.5mm的负压气吸夹，适应秧苗胚轴直径的范围为2.4mm-2.5mm。 (2)关于负压气吸夹垂直吸附秧苗的特性研究，本文先从理论上得出了垂直吸附距离公式，通过试验分析得出了产生最大垂直吸附距离的最优组合为:吸孔直径为2mm，秧苗长度为20mm，气室真空度为-80kPa。 (3)为了克服拢苗机构的一些缺点，本文以反应时间作为正压对位条件下负压气吸夹吸附特性的评价指标，反应时间是指从正压开始对位到负压气吸夹成功吸附秧苗所用的时间。试验结果表明:反应时间最短的组合为:气流速度为中速，两竹节管间夹角为30°，纵向偏移量为4mm。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究的目的意义

1．1．1 国内外设施园艺发展现状及存在的问题

1．1．2 研究种苗生产机器人末端执行器的目的和意义

1．2 种苗生产机器人末端执行器研究现状

1．2．1 种苗生产机器人及其夹持手的研究现状

1．2．2 农业机器人中负压吸附技术的研究现状

1．3 主要研究内容

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究目标

1．3．3 研究方法

1．4 本章小结

2 负压气吸夹的结构设计

2．1 引言

2．2 西瓜秧苗的外形参数测定

2．2．1 试验材料

2．2．3 试验方法

2．2．4 测量结果与分析

2．3 气吸夹结构设计

2．3．1 负压气吸夹结构与原理

2．3．2 夹口槽形式确定

2．3．3 吸孔与气室连通方式

2．4 真空发生气路设计

2．5 本章小结

3 基于FLUENT软件的负压气吸夹流场模拟分析

3．1 流体工程软件FLUENT简介

3．1．1 GAMBIT简介

3．1．2 FLUENT的发展及应用领域

3．2 基于FLUENT软件气室流程分析流程

3．2．1 物理模型建立

3．2．2 数学模型建立

3．2．3 模拟与分析

3．3 气室流场模拟结果与分析

3．3．1 压强与速度云图结果与分析

3．3．2 吸孔口处压力与气室内平均速度分析

3．4 本章小结

4 种苗负压气吸夹吸附性能试验

4．1 引言

4．2 秧苗插入作业受力分析

4．3 负压气吸夹拉力试验

4．3．1 试验材料

4．3．2 试验方法

4．3．3 试验结果分析

4．4 负压气吸夹吸附秧苗适应性试验

4．4．1 试验目的

4．4．2 试验材料

4．4．3 试验方法

4．4．4 试验结果与分析

4．5 本章小结

5 负压气吸夹垂直吸附试验

5．1 引言

5．2 垂直吸附秧苗力学分析

5．3 试验材料

5．4 试验方法

5．5 试验结果与分析

5．6 本章小结

6 正压气流对位下负压气吸夹吸附试验

6．1 引言

6．2 试验材料

6．3 试验方法

6．4 试验结果与分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文