香蕉采摘機(jī)械手夾持試驗(yàn)及仿真分析.pdf

1、香蕉采摘是香蕉收獲過程中的關(guān)鍵性作業(yè)環(huán)節(jié)。目前我國的香蕉采摘技術(shù)仍然停留在主要依靠人工采摘的階段。縱觀整個(gè)香蕉收獲產(chǎn)業(yè)鏈，它包括采摘、運(yùn)送、落梳、清洗、包裝、殺菌、催熟、銷售等環(huán)節(jié)，目前我國整個(gè)香蕉產(chǎn)業(yè)鏈的機(jī)械化程度較低，提高香蕉收獲產(chǎn)業(yè)機(jī)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(qiáng)度最大、最易于造成香蕉的機(jī)械損傷、機(jī)械化難度最大的環(huán)節(jié)，這也直接制約了香蕉的機(jī)械化生產(chǎn)。

2、與機(jī)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(jī)械化采摘具有重要意義。
　　本文在前期研究成果和實(shí)體樣機(jī)的基礎(chǔ)上，對香蕉采摘機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)?；跍y定的香蕉假莖的力學(xué)性能參數(shù)及夾持特性，通過正交實(shí)驗(yàn)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(guān)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(xué)性能參數(shù)為基礎(chǔ)，建立仿生香

3、蕉假莖模型，對采摘過程中的夾持過程進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化采摘機(jī)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(jī)械手及香蕉采摘設(shè)備的研究進(jìn)展。目前國內(nèi)外已有大量果蔬采摘機(jī)械手的研究，但關(guān)于香蕉采摘的研究還處于起步階段，適合香蕉機(jī)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(qiáng)度和難度較大、機(jī)械化程度低，人力耗損多。本文在分析眾多果蔬采摘機(jī)械手的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)地調(diào)研得出的香蕉農(nóng)藝特性

4、及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，提出一種適用于香蕉這種大重量果串采摘的機(jī)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(xué)性能呈明顯的各項(xiàng)異性，為力求仿真模型盡量貼合實(shí)際物料，將香蕉假莖分為外層、中層、莖芯三個(gè)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(jìn)行采摘模型的仿真建模。根據(jù)影響采摘夾持效果的相關(guān)條件設(shè)置試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，完成采摘夾持試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)、制作。以香蕉假莖在夾持狀態(tài)下產(chǎn)生滑移前所能承擔(dān)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(yàn)因素進(jìn)行單因素、多因素試驗(yàn)，分別得出各試驗(yàn)因素與夾持效果之間的關(guān)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(yàn)結(jié)果及設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(yùn)用有限元分析軟件ANSYS分析機(jī)械手整機(jī)的安全性和穩(wěn)定性，校核

6、末端執(zhí)行關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)合理性，仿真夾持過程，優(yōu)化關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)尺寸。獲取機(jī)械手在各極限工況下作業(yè)時(shí)整機(jī)及零部件的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)和運(yùn)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(xué)特性進(jìn)行了仿真模擬。
　　4）仿真及試驗(yàn)的結(jié)果表明，在夾持力達(dá)到500N，摩擦夾持及釘刺夾持均能基本實(shí)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(dān)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(jī)構(gòu)提供鋼釘刺入假

7、莖時(shí)的瞬時(shí)夾持力，對機(jī)械手動力源的適用性較強(qiáng)，這對機(jī)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(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化以及整體樣機(jī)的穩(wěn)定性分析結(jié)果應(yīng)用于整機(jī)的實(shí)物采摘試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)際工況下的夾持的有效性、機(jī)構(gòu)的可靠性以及整體樣機(jī)在采摘過程中承載的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的香蕉采摘機(jī)械手樣機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化采