名优茶采摘机器人收获试验

研制新一代履带式名优茶采摘机器人并以其为试验对象,在田间进行龙井茶采摘试验,对其检测、定位、末端采摘的精度以及各环节耗时进行试验评估。结果表明,所研制的名优茶采摘机器人检测成功率为88.54%,定位成功率为84.07%,末端采摘成功率为87.22%,整机采摘成功率为61.30%,所采茶叶可满足中端龙井茶要求。单芽采摘时间约1.51 s,1 h可采摘2000多个,基本实现一台机器替代一个工人的采摘效率。

基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法

针对传统农业机器人抓取过程中视觉识别番茄果实尺寸和姿态存在枝叶遮挡的问题,提出了一种基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法。在果实抓取过程中通过视触觉传感器得到果实外轮廓接触局部点云信息,然后通过相机参数标定以及各手指关节变换矩阵,将不同传感器坐标系下的点云信息变换到同一基坐标系下,进而通过点云改进PCA算法和ICP算法解析抓取果实的尺寸和姿态信息。为了评估所提出解析方法的性能,在实验室环境下进行了番茄尺寸和姿态检测试验。通过游标卡尺测量和深度相机扫描分别获得番茄果实尺寸和姿态的真实值,并与本文方法解析结果进行对比。检测试验结果表明,本文方法获得的番茄横向尺寸和纵向尺寸平均相对误差分别为8.66%和11.08%,番茄果轴与视场投影面的水平夹角和垂直偏转角平均相对误差分别为10.03%和14.02%。本文方法解析的番茄果实尺寸与姿态信息,可应用于番茄果实抓取过程中的姿态调控,从而提高番茄果实抓取采摘的可靠性。

跨式油茶果收获机履带底盘行走液压系统设计与试验

跨式油茶果收获机在丘陵山地作业时需要较大的牵引力,且要求行走平稳。本文基于机液联合仿真技术对跨式油茶果收获机底盘行走液压系统进行设计,以达到动力匹配及行走性能较优的目的。在RecurDyn软件中建立了跨式收获机履带底盘虚拟样机模型,采用谐波叠加法构建了B级路面谱,仿真分析了跨式履带底盘直线行驶和差速转向的动力学特性。通过AMESim与RecurDyn软件对收获机行走系统进行机液联合仿真,研究底盘在直线行驶与差速转向工况时行走马达液压特性。研制了全液压驱动的跨式油茶果收获机,进行了地面直线行驶与差速转向测试,结果表明:底盘直线行驶偏移率为1.7%;直线行驶时,行走马达流量稳定在23 L/min,压力稳定在1.5 MPa;差速转向时,行走马达流量稳定在22 L/min,压力在2~12 MPa范围内波动,验证了跨式履带底盘行走液压系统的稳定性。

2转动高精度重载并联机构构型综合

采用一种基于支链分析法的并联机构构型综合方法,综合出了具有解耦特性的2转动并联机构。首先,对2转动并联机构的结构特点进行分析,得到2转动并联机构的最简结构形式,并基于空间无约束的Kutzbach-Grübler公式对各支链的自由度组合方式进行分类,得到所有支链组合形式。其次,提出了一种并联机构初步筛选原则,并考虑球副、万向副的加工难度和成本对并联机构进行优选。最后,由于优选出的2转动并联机构存在局部自由度,对具有局部自由度的并联机构支链进行降自由度处理,得到6种解耦性好、承载能力高、精度高、结构简单的2转动并联机构。采用螺旋理论对U-RPU-UPS并联机构进行自由度分析,建立了逆运动学模型,并进行了验证。结果表明,所构建的并联机构可以实现2转动自由度的运动,并且具有很好的运动解耦特性。所综合出的2转动并联机构弥补了现有机构的不足,可作为光伏跟踪尤其是聚光光伏跟踪机构。

基于5R并联机构的二自由度树冠振动装置设计与试验

振动式采收是一种高效的林果机械化采收形式。在现有的激振形式中,非圆周激励可以使果树产生有效的振动,实现整体采收效果。为进一步提高果实的采收效率,针对非圆周激励中不同类型旋轮线轨迹进行深入研究。通过SolidWorks、ANSYS、ADAMS等软件建立果树柔性体模型。将不同轨迹参数的旋轮线位移载荷导入ADAMS,施加于果树模型激振点。比较不同轨迹的旋轮线位移载荷下果树模型的振动响应,确定3支线1号外旋轮线轨迹E为最优激振轨迹。根据最优激振轨迹,设计了由平面5R并联机构驱动的二自由度树冠振动装置。以油茶树为激振对象,确定频率6 Hz、振幅90 mm为激振参数,设计并搭建样机进行试验。试验结果表明,7×7交错分布的激振杆布局方式的激振效果最优,该布局下树冠平均合成加速度响应为22.38 m/s^(2),激振加速度传递效率为77.63%,验证了二维激振轨迹的有效性。

基于贪心遗传算法的穴盘苗补栽路径优化

温室育苗需要通过补苗移栽作业用健康钵苗替换穴盘内未发芽或劣质的钵苗,保证钵苗的质量。自动补苗移栽机可利用机器视觉获取穴盘苗健康信息,控制末端执行器抓取钵苗进行补苗作业,移栽效率高。穴盘内需补苗孔穴的位置具有随机性,对补栽路径进行规划,可进一步提高补栽效率。本文综合贪心算法和遗传算法的特性提出一种贪心遗传算法,在分段步长取8,优化代数取100时,可实现稀疏和密集穴盘的补栽路径优化,具有鲁棒性。贪心遗传算法所规划补苗路径长度与全遗传算法接近,均值差在443 mm以内;相比优化前的固定顺序法,贪心遗传算法路径长度可缩短33.8%~41.3%,缩短长度随空穴数量增加而加长;贪心遗传算法与全遗传算法规划补栽路径耗时分别为1.81 s和5.59 s。对比可知,贪心遗传算法更有利于自动移栽机输送单元和移栽单元间的动作衔接,可进一步提高自动移栽机效率。

基于机器视觉的幼苗自动嫁接参数提取

为提高果蔬嫁接机器人的自动化水平,该文提出一种基于机器视觉用椭圆拟合的方法恢复幼苗叶面并提取用于机器人自动嫁接的参数的方法。俯视采集幼苗图像,提取叶面轮廓并根据轮廓上的拐点对组合相同叶面上的轮廓弧段。应用椭圆拟合的方法参数化叶面形状,提取幼苗的叶面参数,包括生长方向、生长点和叶面面积。再由生长点准确定位培育幼苗的穴孔位置,从而为砧穗配对和取苗定位提供依据。试验结果表明提出的算法能够克服叶面相互遮挡的问题,幼苗识别且定位的成功率达到97.5%,能满足嫁接机器人自动作业的要求。

基于双向ICP跨源点云配准的鞋底涂胶轨迹生成

针对自动化鞋底涂胶系统中存在的鞋型适用性不高的难题,课题组提出了一种基于修正PCA(principal components analysis)和双向ICP(iterative closest point)的跨源点云配准算法。对比3种采样方法对最终配准精度的影响,选择了最远点降采样作为配准前对点云的预处理;提出了修正PCA对鞋底点云进行粗配准,为精确配准提供了较好的初始变换矩阵;利用对跨源点云配准鲁棒性较好的双向ICP进行精确配准;根据精确配准结果将标准涂胶轨迹迁移到实时鞋底涂胶系统上,从而得到实时涂胶轨迹。结果表明:修正PCA+双向ICP在快速精确配准跨源鞋底点云上具有优越性,其中双向ICP迭代20轮后误差减小到1.31 mm,相比传统ICP算法误差减小了1.13 mm;修正PCA+双向ICP算法在处理不同鞋型时具有较好的适用性和精度,配准时间也满足系统要求。该算法可提高传统鞋底涂胶系统对各类鞋型的适用性,具有一定的工程实用价值。

基于双轮廓同步跟踪的果树枝干提取及三维重建

自适应果实振动收获是利用机器视觉技术识别果树的几何参数,从而分析其动力学特性并用来自动调整振动设备的参数,达到高效低损伤的作业目的。该文以自然生长的无叶山核桃树为研究对象,根据果实自适应振动收获方式的需要,研究了一种基于双轮廓同步跟踪提取果树枝干并利用双目视觉技术进行三维重建的方法。首先结合自适应阈值分割算法和轮廓跟踪技术提取果树枝干区域,细化后得到枝干骨架并用二叉树结构描述。然后根据极线约束和拓扑结构建立双视图中树枝的对应关系。考虑到果树树枝形状的连续性,在三维重建过程中引入了曲率约束,从而提高了重建的效果。最后利用植物学的营养管道输送模型,结合线性回归方法参数化树枝半径。试验结果显示,重建的三维果树枝干形态与真实果树在视觉上很接近,估计的半径与测量半径之间的相对误差小于9%。该研究可为果树动力学模型的创建提供树体的3D结构参数,从而为果实的自适应振动收获技术提供参考。

基于点云的果园环境苹果定位技术研究

复杂枝叶遮挡的果园环境中的苹果准确检测和定位对于苹果采摘的成功率至关重要。本研究提出了一种目标检测网络和点云处理的方法,用于检测遮挡和未被遮挡的苹果以及计算果实中心及主轴。使用深度相机获取RGB彩色图和深度图像。使用YOLOv5s目标检测网络检测苹果果实,并获取目标点云,通过点云特征以及主成分分析法计算苹果的中心坐标位置;利用最优化方法计算苹果的果轴方向。最后为验证所提出方法的有效性,采用VREP仿真平台部署苹果、果树枝叶遮挡和相机,验证该算法的有效性和稳定性,并在实地果园场景中部署算法和果实采摘机器人,验证了算法在实际场景中的有效性和鲁棒性。

基于RPPR机器人智能分拣实验装置的研制

结合机器人和传感技术,开发了基于RPPR机器人自动分拣实验装置。机器人从固定位置抓取工件至检测位置,再根据检测得出的不同高度将工件置于相应位置。该实验装置可形象地为学生理解学习机器人、单片机、传感器、接口技术等课程提供实物模型。

三维激振果品采收机构优化设计与试验

振动式采收因其能够快速有效地使果品脱落而成为目前常用的果品采收机构,但其采收效率仍然不高。本文提出通过三维激振载荷对果树同时施加沿树枝径向和轴向的激振作用,利用ANSYS建立果树模型,分析比较了一维、二维和三维激振载荷下果树上各点的加速度响应。根据三维激振位移载荷的生成方法及其果树动力学仿真结果,设计了三维激振采收机构,并基于遗传算法对该机构尺寸进行优化,以达到最大的输出加速度目标。最后加工了三维激振果品采收机构样机,并开展田间果树加速度响应试验,结果显示三维激振果品采收机构与偏心振动电机对果树激振的平均加速度变异系数分别为0.67和0.72,表明用三维激振采收方式能使果树各分支加速度分布更均匀,从而减少逐个树枝激振的次数,提高采收效率。

基于电子果实技术的机械振动采收过程果实运动分析

为改善现有收获设备的采收性能,降低伤果率,提高采摘率,必须对果实采收设备引起的果实运动情况进行准确评估,以确定导致果实损伤的主要阶段和关键因素。该文建立和分析了果实—树体的动力学模型,通过试验和计算验证了果实脱落的理论条件是果实所受法向惯性力要大于果柄与果实间的结合力,并设计了一种扁球型电子果实(orange impact recording sensor,OIRS),利用它检测记录三维激振采收系统在收获砂糖桔时所产生的机械冲击,对该系统引起的果实运动进行分析。在野外振动采收试验记录的数据中,电子果实记录到振动阶段的最大机械冲击加速度均值为217 g,平均冲击加速度达到123 g;而下落阶段的最大机械冲击加速度均值为155 g,平均冲击加速度仅为76 g。结果表明:在振动阶段果实损伤的可能性更高,可通过调整采收机的工作参数,降低潜在的伤果风险;而下落阶段果实与地面接触时产生的较高冲击也会导致果实损伤,收获设备表面可铺设缓冲减震材料,以此降低果实的坠落损伤。研究结果表明利用电子果实能够有效检测三维激振采收系统在果实收获过程中所产生的机械冲击,用于机器系统的伤果评估。

基于包络特征的非圆齿轮齿廓计算方法研究

依据齿条刀具范成法加工非圆齿轮的原理,建立了计算机仿真加工中的刀具与齿坯间运动学模型;通过对仿真齿条刀具加工中齿廓形成过程的分析,提出了一种基于齿廓特征点的齿廓描述方法;根据齿廓的形成规律,提出了齿廓特征点、齿根圆、齿根过渡曲线和齿顶圆等全部齿廓数据的计算算法,并利用该算法编写了椭圆齿轮齿廓计算程序,该程序可直接用于线切割等数控加工设备加工。采用该方法设计加工出的椭圆齿轮已成功应用于所研制的插秧机分插机构样机及其试验台中,从而验证了该方法的可行性。

基于CAD模型的鞋底喷胶轨迹生成方法

针对数字化制鞋生产的需要,提出一种自动生成鞋底喷胶轨迹的方法.该方法首先从三维鞋楦CAD模型中提取鞋底轮廓线,计算其在鞋底曲面的偏置曲线作为轨迹曲线,采用等参数方法对轨迹曲线进行采样得到机器人喷胶轨迹上的目标点并计算出其方向.最后通过机器人喷胶试验验证了该方法的可行性和有效性.

履带式高地隙油茶果振动采收机设计与试验

针对油茶人工采收效率低,劳动力成本大,且油茶果成熟期短、花果同期等问题,设计了可实现连续振动落果和收集的履带式高地隙油茶果振动采收机。采收机采用骑跨式车架沿油茶树种植行行走,利用曲柄摇杆机构驱动多排阵列的指排杆按照一定的运动轨迹对树冠两侧同时击打作业,落果通过收集板汇集后输送到果箱。根据击打轨迹对采收机击打装置的曲柄摇杆机构进行设计,并用ADAMS软件验证指排架运动轨迹。通过ANSYS软件对击打装置机架和采收机车架进行有限元模态分析,获得其前6阶固有频率,确定其不会发生共振。为接收振动掉落的油茶果,设计了高低错落分布的收集板,不仅能接收落果,且能顺利避开树干,实现整机在运动中完成振动落果和收集作业。最后,加工装配振动采收机样机,在击打液压马达转速为360 r/min条件下进行油茶林地整机试验,试验结果表明,油茶果采收率为87.56%,花苞掉落率为25.86%,满足油茶果采收要求。

鞋底曲面数据提取与喷胶轨迹的自动生成方法

为快速有效地提取鞋底曲面信息和生成喷胶轨迹,提出一种基于线结构光扫描鞋底曲面的方法。利用线结构光三维测量原理,扫描套在鞋楦上的鞋帮底面,获得表示鞋底曲面信息的点云数据。用B样条曲线拟合出一系列的三维扫描线,生成封闭的鞋底轮廓线,计算鞋底轮廓线在鞋底曲面的偏置曲线得到喷胶轨迹。构建线结构光扫描鞋帮底面的试验装置,计算其在x、y和z轴方向上的测量误差分别为0.094、0、0.015 mm,满足系统精度要求。最后将生成的喷胶轨迹通过坐标变换应用于St(?)ubli机器人自动喷胶系统,验证了方法的有效性和可行性。

堆聚态采血针管自动分料拾取机械手研究

目的研究堆聚态采血针管在包装过程中的自动分料拾取机械手,实现采血针管的单根拾取。方法基于采血针管的物理特性,设计搓分式和气吸式2种自动分料拾取机械手,通过拾取过程的力学分析和正交试验,研究入料深度、初始杆距和夹持力对搓分式分料拾取成功率的影响;通过设计计算和试验,研究吸附次数对气吸式分料拾取成功率的影响,并将2种机械手的分料拾取效果作对比。结果搓分式分料拾取机械手在入料深度为30 mm、初始杆距为4 mm、夹持力为1.9 N时分料拾取成功率最大为82%,但对物料损伤程度较大。气吸式分料拾取机械手在连续双次吸附时,分料拾取成功率最大为86%,对物料损伤程度较小。结论气吸式分料拾取机械手对物料损伤程度较小,可以满足五通道采血针管自动包装机的送料要求。

机电一体化综合设计性实验方法及装置的研究

通过分析机电一体化技术的组成和特点,探讨了机电一体化实验教学的内容与方法,介绍了作者设计的机电一体化实验教学平台。该实验装置采用模块化结构,可以完成机电一体化专题和综合性两大系列实验,实验过程采用演示性及设计性相结合的方法,可以较好地满足机电一体化综合性、设计性实验的要求。

基于专家系统的穴盘苗品种识别算法设计与试验

为提高穴盘苗品种识别准确率,确保全自动穴盘苗移栽的实施,设计基于专家系统的识别算法。首先对采集穴盘苗图像进行K均值聚类算法图像分割、二值化和形态图像处理,获得0.6L-0.4(R+B+G)/3、0.3b-0.7a、H+0.2S、0.3L-0.7a等4个颜色特征值向量和长宽比、椭圆扁率、矩形度、傅里叶描述子等4个形状特征向量。然后对图像特征进行语义转换,构建穴盘苗知识模型,并设计苗的知识库及推理机,推理采用了不确定推理算法及学习算法。系统采集了120盘10个品种的穴盘苗,采用专家系统识别试验,成功率达到了98.3%,而相同样本采用支持向量机(support vector machine,简称SVM)的识别率是84.0%,采用粒子群优化支持向量机(particle-swarm optimization SVM,简称PSOSVM)的识别率是86.3%,采用反向传递(back propagation,简称BP)神经网络的识别率是62.0%,证明基于专家系统的识别方法可以满足自动移栽作业要求。