农业采摘机器人产业化进程分析与多臂高速化技术走向

在经历了长期的摸索和积累后,全球采摘机器人的产品化进程正在不断加速。随着我国农业生产对采摘机器人需求的快速刚性化,众多企业纷纷加入,生产销售逐步展开,但作业效率不足已成为其全面产业化和生产应用的核心障碍。本文在分析我国采摘机器人效率现状的基础上,归纳了机器人采摘的提效技术模式和多臂化途径,指出了国内外采摘机器人多臂高速并行的发展态势。在总结多臂采摘机器人臂型设计、视觉技术、任务与运动规划技术发展现状的基础上,提出了采摘机器人产业化的发展趋势与目标,认为从手眼高精准向综合强容差、从专用定制化向通用模块化、从专业性装备向用户型产品发展是采摘机器人产业化的技术走向。

智能驾乘式高架草莓采摘车的设计与试验

针对高架环境下人工采摘草莓劳动强度大、效率低的问题,设计了一种面对生产作业的驾乘式草莓采摘车。提出了智能草莓采摘车的整体方案,主要包括智能操控系统设计和现场初加工采摘系统设计。试验中,由3组采摘人在不同限定角度的旋转椅上进行采摘车识别控制试验和现场初加工采摘试验,验证了智能草莓采摘车的实际工作性能。结果表明:草莓采摘车动作识别控制平均准确率为85%以上,能够达到实际采摘作业要求,且更适合长距离全生产性采摘作业;现场称重-包装系统可以直接进行称重—语音提示—打标签—包装的作业流程,大大节省采摘时间,减轻莓农劳动强度。

番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计

设计的基于多传感器信息融合和开放式控制的智能型番茄采摘机器人末端执行器,其硬件主要包括执行系统、感知系统、控制系统和供电系统,执行系统中真空吸盘装置使果实从果束中分离,手指夹持机构对番茄可靠抓持,果梗切断装置利用激光对果梗进行切断。该末端执行器设计质量为1.2kg,完成一次采摘动作只需3s。只需更换联接板,即可与其他机械手顺利联接。

面向机器人采摘的番茄力学特性试验

番茄果实及果梗的力学特性,是采摘机器人设计与控制的重要依据。对不同成熟期的番茄果实进行了纵向和横向挤压试验,对其果梗进行了折断和拉断试验。试验表明番茄果实的抗挤压能力具有明显的各向异性,且从青果期至绿熟期达到最大,而后随着成熟度增加而迅速减小。利用简化结构对这一规律的力学原理进行了分析。果梗拉断和折断试验发现,果梗均从离层处断裂,与拉断相比,折断方式更省力和易于实现机器人采摘。

番茄采摘机器人真空吸盘装置设计与试验

为实现番茄采摘机器人作业时将目标果实从果束中分离,设计了以微型静音空气压缩机和集成式真空发生器为主体的真空吸盘装置,并依据供气压力-负压关系、吸盘拉脱力和真空吸着响应时间测定结果,确定了其控制策略。试验表明,真空吸盘装置平均单次作业的时间和空气消耗量分别为1.5 s和0.6 L,拉动果实实现35 mm水平位移的成功率达92%,空气压缩机功率可以满足采摘效率360个/h的需要。

草莓穴盘苗移栽末端执行器设计与试验

穴盘草莓的长苗、大苗株特点和弓背向外的特殊移栽要求,使其自动化移栽存在困难。首先进行了草莓苗坨的单指刺入力和拔苗阻力试验,进而提出并开展了有约束苗坨的双指夹拔破坏试验。试验发现双针取苗指的苗坨刺入阻力与刺入速度、深度、含水率相关,50 mm和100 mm深度的最大刺入阻力分别可达21.47 N和57.09 N。双指的夹茎拔苗阻力可达9.64 N,而当取苗针滑移量为20 mm和40 mm时约束夹拔力分别可达10.85 N和42.5 N,但过大滑移量对精准可靠移栽极为不利。根据草莓穴盘苗的物理特性、苗坨的力学特性,设计了带双爪可同步换向变距的四针式移栽末端执行器。以有效缩减取苗爪宽度和摆动传动角为双重目标进行了多连杆定角斜插式双指四针取苗爪的非线性规划,得到了优化的机构参数。换向变距装置通过微型行程开关与微型电磁吸盘配合,实现了双取苗爪的快速同步换向变距和可靠定位。验证试验表明,在加速度不大于0.20 mm/s2时取出率和取苗成功率分别在93%和90%以上,加速度过大则可能造成取苗针滑脱和苗坨下部断裂,换向变距装置有效解决了弓背朝外问题和相邻两列同时移栽的间距调整问题,栽苗试验中放苗顺利且直立度和深度均达到移栽要求,且移栽后10 d草莓苗完全成活,该末端执行器可满足草莓穴盘苗的移栽作业需要。

果实快速夹持复合碰撞模型研究

针对具备持续动力输入和果实约束变形两大特殊性的果实夹持碰撞问题,以果实黏弹性Burger's模型为基础,提出并建立了夹持器恒速模式与负载能力限定下的果实夹持碰撞三阶段复合模型。试验证实初始夹持速度19.2 mm/s下,该模型的峰值碰撞力预测误差仅为1.12%。基于该三阶段复合模型对果实夹持碰撞规律的分析发现,以恒速模式实施果实夹持时,初始夹持速度6 mm/s完成绿熟期、变色期、红熟初期与红熟中期番茄果实夹持所需时间分别仅为0.62 s、1.06 s、1.19 s和1.24 s,而超过10 mm/s后继续加大初始夹持速度对提高作业效率的作用有限。峰值碰撞力和果实变形分别与夹持速度呈线性和近似线性关系,随着初始夹持速度的提高果实破裂损伤的概率大大增加,当初始夹持速度低于20 mm/s时番茄果实损伤概率反而呈现绿熟期最高而红熟初期最低的现象。该模型为揭示夹持碰撞的特殊规律和实现果实快速柔顺夹持作业提供了借鉴和依据。

机器人采摘葡萄果穗振动仿真与试验

针对机器人摘取及移送过程中导致的果穗振动与果粒脱落问题,提出了一种面向穗轴激励输入的果穗振动仿真模型。以葡萄为研究对象,在果穗'梗-果'结构特性基础上,提出了'挠性杆-铰链-刚性杆-质量球'复合果穗模型,并由试验确定了模型中各级梗间铰链弹性系数与阻尼系数、果粒尺寸与质量的正态分布规律,获得了主穗轴的抗弯特性。进而利用激光3D扫描重构得到梗系统,根据试验结果分别进行刚性、挠性杆件定义和果粒与梗间铰链的添加,构建得到果穗振动仿真模型。通过仿真精度验证试验发现,在激励作用的加速、匀速和减速阶段,经正态分布统计仿真与实测中果穗的各果粒摆角均值与标准差相差均在2%和6.6%以内,表明不同阶段其精度均良好。最终利用该模型分析了不同激励方式及不同采摘阶段对果穗振动的影响。果穗振动仿真模型的建立,为实现各类果穗的机器人'减振低脱'采摘提供了有力的分析工具。

面向立柱栽培的机器人移栽苗序与路径分析

为有效提高穴盘苗向立柱自动移栽的作业效率,以自主开发的螺旋式栽培立柱及其配套移栽机器人系统为对象,进行了无碰撞最短路径设计,进而对不同取苗-栽植方案的路径长度差异及其影响因素进行了分析。研究表明,面向立柱移栽时,单穴盘对1 m立柱移栽的累计路径长度差异在25%以上。取苗顺序对路径长度具有重要影响,其中"让苗"现象是造成累计路径长度差异的主要因素。立柱栽植顺序对路径长度的影响随立柱高度增加而显著增大,对3 m立柱移栽时16类取苗方案的自上至下植苗平均累计路径长度比自下至上高9.83%。稳定最优方案分别为最近相邻法和近端开始同向逐行或逐列取苗、自下至上栽植方案。研究成果对实现高效的立柱自动移栽具有积极意义。

面向立柱栽培的移栽机器人设计与协调运动仿真

针对新型螺旋栽培立柱结构进行了配套移栽机器人系统的设计。通过几何与静力学分析,确定了插针式末端执行器的驱动电磁铁选型与机构参数。通过立柱的穴盘苗机器人移栽协调运动仿真,确定了机械手结构参数与系统优化布局,得到了多执行元件协调运动时序关系并建立了移栽协调运动流程。样机试验结果表明,机械手平均水平与竖直定位误差分别为2.24 m和0.63 m,移栽成功率为94.7%。立柱1.2 m高度范围的移栽作业效率为750株/h,末端执行器取苗时间仅为0.2 s,能够满足立柱自动化移栽作业的要求。

番茄果实蠕变特性表征的Burger's修正模型

针对经典Burger’s模型在蠕变特性表达中的不足,进行了绿熟期、变色期、红熟前期和红熟中期番茄果实的蠕变试验,并在Burger’s模型和常用指数型与幂函数型修正模型分析的基础上构造提出了4元件6参数修正模型。该模型对不同成熟期蠕变段试验数据拟合的平均决定系数与和方差分别达0.9975～0.9994和0.04047～0.07633,蠕变变形率和弹性度的拟合平均相对误差分别为2.54%～3.04%和2.89%～7.12%,蠕变量预测的平均相对误差为0.29%～0.46%,蠕变速率也与实际更加吻合,其曲线拟合精度、关键指标表达精度和蠕变预测精度大大优于Burger’s模型和常用修正模型。研究表明该模型实现了蠕变行为的更准确表征与预测,从而为果实收获、储运、分选的减损提供了更好的模型依据。

果实采摘中果梗激光切割分析与实验

摘要：为探讨机器人果实采摘中应用激光进行果梗切断的可行性，以黄瓜果梗为对象，利用基于30w光纤耦合半导体激光器构建的果梗切割实验平台，分别进行了激光穿透时间与果梗直径、激光束功率、离焦量、入射角的关系实验和果梗激光切割速度实验。实验发现，激光焦斑热功率密度0．75W／mm2。即可实现果梗的穿透和切割，且对果梗直径变化、焦斑定位与入射角度误差具有良好的适应性。但半导体激光器在垂直照射、零离焦量、光输出功率14．94W条件下的最短切割时间达到23．73～28．13s，应通过选择更高光束质量的光纤激光器等实现快速气化切割以满足实际作业的需要。

镇江北固湿地的生态修复设计

在生物、生境、污染源调查的基础上,充分考虑内江的水文特点,以生态、去污、景观为目标,进行了镇江北固湿地生态修复方案的总体规划和系统设计。并讨论了北固湿地生态修复与污染控制的设计思路,介绍了镇江北固湿地的生态修复基本方案。

枝上柑橘果实深度球截线识别方法

针对柑橘果、叶、枝对象具有球体、片体和细柱体不同的三维几何特征,提出一种识别柑橘果实的深度球截线方法。首先提出了球形果实特征提取的深度球截线方法的基本原理和关键参数,进而分别针对枝上果、叶孤立和贴碰区域提出了孤立果实的特征提取算法和贴碰果实的特征提取算法,得到了复杂枝环境下的深度数据处理与果实识别策略,并综合根据Intel Real Sense F200型深度传感器参数、柑橘果实尺寸、近景探测范围、数据预处理与特征提取需要完成了深度球截线方法的参数确定。大量室内试验结果表明,深度球截线方法对孤立果实提取的平均成功率为97.8%,贴碰区域内果实提取的平均成功率为76%,而复杂枝环境的果实提取综合成功率为63.8%。该深度球截线的识别方法仅利用有限的深度数据点,在保证原始数据精度的同时降低了运算量和果实特征提取复杂性,能有效应对果叶遮挡问题,实现对贴碰果叶的有效区分,对柑橘果实具有良好的适应性,为采摘机器人在复杂环境下的果实识别与定位提供了新的技术思路。

草莓全程生产机械化技术与装备研究进展

草莓是普遍种植的高效经济作物,草莓的生产管理严重依赖大量人工的高强度作业,因此草莓生产机械化已成为国内外关注的重点。本文归纳阐述了全球草莓生产机械化技术与装备的研究现状,特别针对我国和欧美、日本等国家的草莓种植模式、种植规模和产业特点,对比分析了在草莓生产机械化发展上的差异,指出了各自草莓生产全程机械化的薄弱环节。针对我国草莓以设施种植为主、经营规模偏小、鲜食比例大、栽培模式和技术水平多样的现实基础,指出我国草莓种植装备与技术应向小型低成本、一机多能、绿色电动化、轻简智能化的方向发展,并对草莓种植装备技术与农艺深度融合、信息化、休闲化的未来发展趋势进行了展望。

高架栽培配套基质自动移动摊铺机设计与试验

针对现有高架栽培中的基质摊铺作业仅靠人工完成、劳动量极大等现状,设计了集基质运送、箱内出料、双侧分料落料和均匀摊填为一体的高架栽培配套基质自动移动摊铺机。根据栽培高架设施结构参数和基质流动特性测定结果,提出了基于少量人工操控介入的自动作业式基质架间双侧浮动移动摊铺方案,并设计了箱内折弯出料机构、双侧落料与架上摊平机构等关键部件,解决了箱内基质向上均匀出料及出料-排料协调难题,并实现了对高架竖直方向较大尺寸误差的补偿。完成了参数定型和样机开发,并进行了性能试验验证。试验结果表明,该机实现了330 m2/h的双侧4槽基质精量摊铺作业,能满足100 mm高度误差的仿形作业,4个槽内基质深度相对误差仅分别为7.72%、6.75%、9.33%和9.66%,各槽内基质深度平均误差仅2.01 mm,达到较好的4槽基质平均和均匀摊铺效果。该机为实现高架栽培的机械化配套作业提供了装备支持。

温室番茄分级机设计与试验

针对现有固定式果品分级机设备庞大,难以适应狭窄的温室作业环境,而移动式果品分级机结构复杂的问题,设计了一种温室番茄分级机。以番茄为研究对象,根据番茄斜面滚动性、皮薄易损性及四分格果箱结构运用三维软件SoliderWorks设计了分级机机构及其关键部件。以STM32单片机为控制器,通过压力式称重传感器DYMH-102采样称重模拟信号,并通过24位A/D转换器HX711进行模数转换,控制器根据番茄称重数值划分番茄等级,并控制数字舵机和电动推杆动作,最终实现番茄分级。结果表明:番茄称重绝对误差为3.8 g,番茄分级周期为4.8 s,番茄分级成功率为87%,分级机作业性能好,可为实现设施农业智能装备和技术发展提供支撑。

江苏太湖地区多目标的农业结构优化设计

本文利用多目标规划模型,进行了粮食与副食品供应安全保障、农业面源污染减排和农业经济发展多目标下的江苏太湖地区农业结构优化设计,并通过在保障粮食与副食品供应安全的前提下,农业面源污染排放与农业经济产出的优化关系分析,得出了低污限产型、中污保产型和多污增产型不同模式下的农业结构优化方案,为江苏太湖地区的农业结构调整提供了理论依据和参考。

江苏农业生态系统能值分析

用能值分析方法对江苏农业生态系统的能值投入产出状况、环境承载情况和系统运行效果进行了定量分析,认为江苏农业系统能值产出效率较高,运行状况居于全国较好水平,但仍处于石油农业发展阶段。为了促进江苏农业的可持续发展,应调整能值投入结构,增大农业科技的研究和推广力度,逐步减少石化能源的投入。图1,表4,参13。

果园双摆弥雾施药系统设计

针对现有果园施药装备体积与功耗过大、药液浪费严重等问题,设计了果园双摆弥雾施药系统。通过驱动布置方案和自由度分析,设计了由直流电动机驱动的对称双曲柄机构和驱动点与支点万向节-滑轨多级运动副所构成的平面-空间混合型机构,实现了双弥雾机的摆动扩幅。为方便操纵并避免药液反流等现象的发生,设计了单片机自动控制系统,实现了双摆弥雾施药系统复杂启停动作流程的一键控制。根据果园规格,分别以车身尺寸最小为目标,以弥雾施药对树冠的有效覆盖为约束条件,通过非线性规划确定了曲柄长度、曲柄转动中心高度、支点高度、曲柄中心距、支点中心距等结构参数。进而根据果树施药量和弥雾均匀度要求,以施药作业效率最高为目标,确定了系统行进速度和曲柄转速。该施药系统可实现弥雾半径仅400 mm小型弥雾机对高度1 500-4 300 mm和横向5 500 mm的树冠范围的有效覆盖,并有效保证果树双侧弥雾喷施的均匀度和药量条件,作业效率可达2.33-2.67 hm^2/h,实现了果园机载施药系统的节能节药和小型化,为果园植保提供了新型的施药装备。