荔枝采摘机器人末端执行器优化设计及仿真分析

摘要

荔枝采摘是其生产作业过程的重要环节，目前我国荔枝采摘主要以人工为主。使用机器人采摘，可以提高采摘效率，降低成本和改善劳动条件。末端执行器是采摘机器人重要执行部件，它对采摘效率和采摘损伤率都有很大的影响。本文针对现有荔枝采摘末端执行器存在的问题，采用实验与仿真的方法对其进行优化改进设计，主要完成的研究工作有：　　1）荔枝结果母枝的物理特性和力学特性测试。为了给仿真优化提供基础数据，以“妃子笑”荔枝品种为例，统计了其结果母枝的粗细分布，并测定了它的密度；通过弯曲和压缩试验，分析了结果母枝的弯曲特性和压缩特性，测定了结果母枝的弯曲弹性模量、抗弯强度、压缩弹性模量和极限压应力。　　2）荔枝结果母枝剪切特性试验与仿真研究。搭建了剪切试验平台，对荔枝结果母枝进行了不同的刀具刃角和刀刃工作点的剪切试验，结果表明：随着刀具刃角的增大，结果母枝的峰值剪切力先减少后增大，试验范围内，刃角为 25°时峰值剪切力最小；距离刀具旋转中心越近，峰值剪切力越小，但剪断母枝所需时间越长；结果母枝的破坏应变为0.204，剪切弹性模量为17.2MPa。此外，构建了结果母枝剪切仿真有限元模型，进行了不同刀具刃角的剪切仿真试验，结果表明：当刀具切入结果母枝直径约2/3时，等效应力最大；仿真试验范围内，刀具刃角为 21°时，结果母枝最大等效应力值最小。　　3）荔枝采摘末端执行器的优化设计。分析了本研究室现有荔枝采摘末端执行器剪切与夹持模块存在的问题；应用滑切省力的原理，对剪切模块进行了优化改进设计，确定了滑切方式下的刀具设计参数，构建了剪切力学模型，给出了动力源与最大工作负载的关系；改进了夹持模块的结构，使夹指变长、指面变窄，连接件缩短，从而减小采摘时的误夹率和增加采摘剪切时的平稳性，并能满足刀刃全长对结果母枝的剪切要求；对优化后的刀具进行有限元静力学分析，结果表明在最大剪切载荷工况下，刀具最大等效应力低于其材料的屈服极限，受载变形量非常小，满足强度和刚度要求。　　4）末端执行器采摘仿真分析。分析了荔枝采摘时其结果母枝受夹持剪切的力学行为表征，分别构建了夹持段与剪切段模型，同时建立了经优化的末端执行器虚拟样机，两者联合构建了末端执行器对荔枝采摘夹持剪切的仿真系统，进行了机构运动学和夹持剪切动力学仿真，结果表明：末端执行器的剪切（夹持）运动平稳，完成夹持剪切动作耗时短，具有采摘高效性；末端执行器对结果母枝的夹持力先于剪切力出现，采摘时可对结果母枝实现预夹紧；夹持模块在弹簧刚度系数为 6N/mm 时可稳定夹持 1 kg荔枝串，且不会夹伤结果母枝。

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