白芦笋选择性采收末端执行器优化设计与试验研究

摘要

白芦笋为多年生草本植物，营养价值比一般蔬菜高5倍以上，具有抗癌保健功效，被誉为“蔬菜之王”。我国是芦笋种植大国，收获面积占全球的90%，但以人工采收为主。白芦笋需在笋尖即将出土时挖土收获，因其采收时间为早上或傍晚，采收时间比较集中，人工采收工作量大、效率低。国内白芦笋采收多为人工手持采笋刀收获，劳动强度大，效率低；国外现有的白芦笋收获机为一次性收获，即不区分芦笋生长状况、笋芽长度，从根部将其一次性切割，破坏性强，损伤率高，严重降低了芦笋产量。白芦笋的选择性、高效、低损伤采收问题已成为制约我国芦笋产业发展的瓶颈，亟需实现白芦笋的机械化采收。由于缺少可以实现智能化、选择性采收白芦笋的机械，项目组提出了基于机器视觉的自走式智能型白芦笋选择性收获机的研制，本论文在项目组课题的基础上研究一种应用于白芦笋选择性采收机械上的末端执行器。 本文针对自行设计的白芦笋选择性采收末端执行器，分析其与白芦笋、土壤之间的相互作用过程，推导一种入土驱动力、剪切力和夹持力的计算方法，并通过万能试验机和DEM 仿真对3 个驱动力进行定量描述。通过单因素和多因素试验确定最优参数组合方案，并进行室内采收试验，具体内容如下： 1. 首先确定白芦笋采用先剪切再夹持拔取的采收方案；借助三维建模软件对白芦笋选择性采收机械进行整机建模；并对白芦笋选择性采收机械上的关键采收部件进行两代设计。 2. 通过对末端执行器整体结构、夹板弯曲角度以及刀片护板进行设计，确定末端执行器各部分的结构关系，并针对末端执行器完成入土、剪切和夹持等动作所需的驱动力进行分析，分别建立入土驱动力、剪切力和夹持力的静力学模型，推导出了入土驱动力、剪切力和夹持力的计算公式。 3. 对白芦笋的物理特性进行测试，通过剪切实验和压缩实验获得白芦笋的剪切强度和压缩强度，确定末端执行器在剪切白芦笋时所需的最小剪切力，以及末端执行器在夹持白芦笋时，为了实现顺利采收并对其不造成损伤所需的最大夹持力。 4. 从DEM仿真角度建立白芦笋-末端执行器-土壤模型，并对采收过程进行离散元仿真，分析两种白芦笋采收末端执行器的入土驱动力，选择最优的末端执行器设计方案。并对其进行离散元仿真分析，确定末端执行器完成白芦笋剪切和夹持动作所需的剪切力和夹持力。 5. 通过单因素和多因素正交试验，针对影响白芦笋采收效果的入土驱动力、剪切力、夹持力等因素进行了采收试验，在采收过程中对末端执行器剪切和夹持情况进行观测；测量为末端执行器提供入土驱动力、剪切力和夹持力的大小，以采收试验中的采收成功率和损伤率为评价指标，获得白芦笋采收最优采收参数组合方案。 利用多因素试验确定的采收参数进行室内采收试验，试验结果表明：本文设计的白芦笋选择性采收末端执行器能够完成采收工作并实现低损伤采收，可作为采收部件应用于白芦笋选择性采收机械。

目录

声明

1 引言

1.1 课题研究背景和意义

1.2 课题的研究概况

1.3 国内外白芦笋采收现状

1.4 研究内容与技术路线

2白芦笋选择性采收机械方案设计

2.1白芦笋选择性采收机械整机结构

2.2白芦笋采收末端执行器设计原理

3 末端执行器结构设计与驱动力计算

3.1 末端执行器结构设计

3.2 末端执行器驱动力计算

4 白芦笋物理特性测定

4.1 实验材料准备

4.2 实验设备

4.3 实验方法

4.4 结果分析

5 末端执行器采收过程EDEM仿真

5.1 离散元的接触模型

5.2 仿真参数

5.3 末端执行器入土过程的EDEM仿真

5.4 EDEM仿真白芦笋剪切与夹持过程

6 白芦笋采收末端执行器工作参数试验研究

6.1关键部件选型与试验台搭建

6.2白芦笋选择性采收单因素试验

6.3白芦笋选择性采收多因素试验

6.4白芦笋室内采收试验

7 总结与展望

7.1总结

7.2主要创新点

7.3展望

参考文献

致谢

在读硕士期间取得的主要学术成就