香蕉采摘機械手夾持試驗及仿真分析.pdf

1、香蕉采摘是香蕉收獲過程中的關鍵性作業(yè)環(huán)節(jié)。目前我國的香蕉采摘技術仍然停留在主要依靠人工采摘的階段?？v觀整個香蕉收獲產(chǎn)業(yè)鏈，它包括采摘、運送、落梳、清洗、包裝、殺菌、催熟、銷售等環(huán)節(jié)，目前我國整個香蕉產(chǎn)業(yè)鏈的機械化程度較低，提高香蕉收獲產(chǎn)業(yè)機械化程度的重要環(huán)節(jié)來自于香蕉收獲的源頭——采摘作業(yè)。這是由于香蕉特殊的農(nóng)藝特性和收獲特性，致使采摘過程成為勞動強度最大、最易于造成香蕉的機械損傷、機械化難度最大的環(huán)節(jié)，這也直接制約了香蕉的機械化生產(chǎn)。

2、與機械化程度低下形成巨大反差的是我國香蕉產(chǎn)量及銷量長期處于世界前列，因此，發(fā)展香蕉機械化采摘具有重要意義。
　　本文在前期研究成果和實體樣機的基礎上，對香蕉采摘機械手夾持機構(gòu)進行整體分析和仿真優(yōu)化，以獲取與采摘對象性能友好的機械結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)。基于測定的香蕉假莖的力學性能參數(shù)及夾持特性，通過正交實驗測試香蕉假莖與不同夾持方式、夾持材料和夾持載荷之間的相關性，獲取適合香蕉采摘的優(yōu)化夾持方案。以香蕉假莖的力學性能參數(shù)為基礎，建立仿生香

3、蕉假莖模型，對采摘過程中的夾持過程進行仿真分析，優(yōu)化采摘機械手結(jié)構(gòu)尺寸。主要完成的研究工作如下：
　　1）分析了國內(nèi)外果蔬采摘機械手及香蕉采摘設備的研究進展。目前國內(nèi)外已有大量果蔬采摘機械手的研究，但關于香蕉采摘的研究還處于起步階段，適合香蕉機械化采摘的末端執(zhí)行器的研究非常欠缺，香蕉采摘作業(yè)仍以人工采摘為主，操作強度和難度較大、機械化程度低，人力耗損多。本文在分析眾多果蔬采摘機械手的基礎上，基于實驗室前期實地調(diào)研得出的香蕉農(nóng)藝特性

4、及設計基礎，提出一種適用于香蕉這種大重量果串采摘的機械手末端執(zhí)行器。
　　2）香蕉采摘的夾持對象為香蕉假莖，其力學性能呈明顯的各項異性，為力求仿真模型盡量貼合實際物料，將香蕉假莖分為外層、中層、莖芯三個部分，分別測定其密度、軸向及徑向的彈性模量、剪切模量，并用均質(zhì)化和有限元方法進行采摘模型的仿真建模。根據(jù)影響采摘夾持效果的相關條件設置試驗因素，設計試驗方案，完成采摘夾持試驗臺的設計、制作。以香蕉假莖在夾持狀態(tài)下產(chǎn)生滑移前所能承擔的

5、最大軸向拉力來表征夾持效果，對采摘夾持的抱掌類型、接觸材料、夾持力及釘刺夾持的鋼釘數(shù)量、鋼釘直徑、釘刺深度等影響夾持效果的試驗因素進行單因素、多因素試驗，分別得出各試驗因素與夾持效果之間的關系，得出夾持效果最佳的因素組合為：鋼釘數(shù)量6顆、釘刺深度10mm、鋼釘直徑5mm。
　　3）結(jié)合夾持試驗結(jié)果及設計目標，基于Pro/E完成旋轉(zhuǎn)裝置、升降裝置、末端執(zhí)行器的仿真模型，運用有限元分析軟件ANSYS分析機械手整機的安全性和穩(wěn)定性，校核

6、末端執(zhí)行關鍵零部件的設計合理性，仿真夾持過程，優(yōu)化關鍵零部件的結(jié)構(gòu)尺寸。獲取機械手在各極限工況下作業(yè)時整機及零部件的應力應變數(shù)據(jù)和運動參數(shù)，以及夾持過程中手爪的反作用力等核心參數(shù)，對夾持過程中的動力學特性進行了仿真模擬。
　　4）仿真及試驗的結(jié)果表明，在夾持力達到500N，摩擦夾持及釘刺夾持均能基本實現(xiàn)對香蕉蕉串的穩(wěn)定夾持，但釘刺夾持相對更加可靠穩(wěn)定，其能承擔的蕉串重量略大，對蕉串產(chǎn)生的滑動趨勢有減弱作用，只要求機構(gòu)提供鋼釘刺入假

7、莖時的瞬時夾持力，對機械手動力源的適用性較強，這對機械手末端執(zhí)行器的精簡輕量化有重要意義。
　　5）將鋼釘數(shù)量6顆、釘刺深度10mm、鋼釘直徑5mm的最佳夾持因素組合、夾持機構(gòu)關鍵零部件的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化以及整體樣機的穩(wěn)定性分析結(jié)果應用于整機的實物采摘試驗，驗證實際工況下的夾持的有效性、機構(gòu)的可靠性以及整體樣機在采摘過程中承載的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明，所開發(fā)的香蕉采摘機械手樣機能滿足香蕉采摘的農(nóng)業(yè)特性，較好地模擬人工采摘過程實現(xiàn)機械化采