基于负压吸摘末端执行器的鲜苹果无损化缓冲研究

• 作 者: 何佳明
• 出 处: 浙江工业大学
• 发表日期: 2020年08期
• 关键词: 末端执行器 缓冲措施 无损采摘

中国作为全球最大的苹果生产国,其规模和产量居世界第一。目前的主要采摘方式是借助辅助设备进行人工采摘,效率低,劳动强度大,成本高。为了提高苹果的采摘效率,降低成本,自动化采摘是必然趋势,从而研发了基于负压吸摘苹果的自动化收获设备。但由于苹果与末端执行器的接触易造成果实损伤,影响经济效益,因此研究末端执行器的无损化缓冲将是实现自动化的关键技术之一。本文以自然环境下生长的红富士苹果作为研究对象,在国内外相关研究的基础上,设计并研制负压吸摘末端执行器。通过理论与实验相结合的方式,深入研究其实现苹果无损化采摘的缓冲措施,主要研究如下:(1)理论分析苹果和缓冲材料特性与损伤之间的关系,实验测量采摘对象物理特性,为缓冲模型的建立提供理论依据和数据支持。根据设计要求对比分析两种设计方案,完成优选方案三维建模并阐述其工作原理。(2)分析缓冲材料特性、形状和设置位置,基于弹性接触阶段的赫兹理论和动摩擦理论,建立末端执行器直管内壁缓冲面挤压摩擦缓冲模型,从而得到接触区域的最大挤压力、摩擦力、压强以及接触半径等参数值。基于赫兹弹性理论,结合牛顿第二定律,建立末端执行器缓冲腔内壁凹形缓冲面碰撞缓冲模型,探究苹果最大碰撞速度和表面最大接触应力之间的相互关系。(3)实验测得满足吸摘要求的最小吸力值,以分析苹果在缓冲腔内部运动轨迹。基于末端执行器三维模型,应用Fluent仿真得到苹果在缓冲腔内部不同运动位置其周围气压云图。根据伯努利方程原理,从运动方向上分力做功的角度定量分析空流缓冲的作用。(4)制作末端执行器样机,开展挤压摩擦缓冲实验,通过线性拟合理论和实际测量的接触半径、挤压力值,验证挤压缓冲模型的可行性。同时开展模拟吸摘实验,探究样机对设计要求的实现程度并得到其收获的无损率,通过比较分析缓冲腔内部苹果不同碰撞速度所造成的损伤,以验证碰撞缓冲模型的可行性。