果园采摘平台传送装箱系统研究

发布时间：2020-04-30 03:56

【摘要】：中国的苹果产量位居世界第一,苹果产业对发展地区经济至关重要。为了实现果园机械化作业,农艺专家通过多年实践研究,提出了“宽行矮砧密植”的种植模式。因为机器人采摘效率低、成本高,短时间内难以得到广泛推广应用。因此,半自动化果园采摘平台将得到优先发展。果园采摘平台的核心部分是传送装箱系统,作用是将人工摘下的苹果进行汇集、传送和装箱。但在机械传输过程中,滚动、跌落、碰撞等会对苹果造成严重的损伤,影响果实质量。本文针对上述问题,设计了与果园采摘平台相配套的传送装箱系统,并制造样机和试验验证其传送装箱性能。本文主要研究内容和结论如下:(1)针对“宽行矮砧密植果园”的种植模式,结合苹果的机械损伤机理,确定了果园采摘平台传送装箱系统整体方案。其中,传送带宽800 mm,总长度3000 mm。该系统由调速电机带动传送带工作,自动完成对苹果的传送和装箱工序,动传送装置的摆动使苹果均匀地落在果箱底面的各个位置;果箱置于弹簧箱架上,其垂直方向位移与所装苹果质量呈线性相关。(2)基于EDEM模拟了传送装箱系统的装箱过程,以此来验证设计方案的合理性及系统的工作参数范围。建立了苹果和果箱模型,模拟当动传送装置摆动频率、摆动幅度和传送效率取不同值时的苹果装箱过程,比较装箱表面堆积形状和苹果损伤率,仿真结果表明:当摆动幅度取800~850 mm,装箱过程苹果基本能实现逐层堆积,然而,动传送装置摆动频率从1/25 Hz到1/5Hz,传送带传送效率从2到5个每秒变化时,这两个工作参数对装箱表面堆积形状的影响不明显,装箱过程中苹果基本能实现逐层堆积。当动传送装置摆动幅度为800 mm,摆动频率为1/10 Hz,传送效率为3个/秒时,装箱质量较好,苹果损伤率在5%以内。(3)对样机关键零部件进行了设计,完成了虚拟样机装配。对装箱机架上的叉架、门架、滑槽、传动轴和弹簧等关键零部件进行了设计和参数计算,并用ANSYS对叉架和传动轴做静力学分析,叉架的最大应力为91.255 MPa,最大变形量为7.19 mm;传动轴的最大应力为136.12 MPa,最大变形量为0.76 mm,结构强度均满足实际工作需求;设计了传送系统的整体结构(包括框架、传送带和电机等)和动传送装置摆动控制系统;利用CATIA软件完成了所有零部件的三维造型和样机装配。(4)样机制造,并完成样机相关性能试验。弹簧箱架性能试验表明:弹簧箱架承载重量后的实际下降距离与理论下降距离误差不大,绝对误差在19mm以内,实际下降距离与承载质量呈线性相关。传送装箱试验结果表明该系统能完成传送和装箱两道工序,且通过动传送装置的摆动系统和箱架的弹簧控制,可有效减少苹果传送装箱过程中的碰撞损伤,作业质量达到设计要求。通过正交试验得出该系统工作的较优组合为:动传送装置摆动频率0.1 Hz、传送效率3个/秒、传送带线速度0.1 m/s。在此条件下,该系统的作业效率为每小时10800个苹果。
【图文】：

苹果,机器人

备类型（Jian et al. 2009）。欧美一些国家研究了各种振动式苹果收获机械，主要由激振和收集装置组成，在大规模的苹果收获中非常高效（Peterson et al. 1994）。华盛顿州立大学研制的适合竖直墙式果树形状的惯性式振动收获机，可使“爵士”苹果的收获比例达到九成，且控制苹果的损伤率在 15%以内（Kleine et al. 2015）。之后，科研人员研究发现，通过合适的加速度摇振树枝能使果实轻易分离，Peterson 等人设计了机械冲击式收获机，并在半矮化果园进行试验，苹果的采收效率在 65%以上，平均八成的果实符合市场上苹果的质量标准（Wolford et al. 2003；Peterson2005）。90 年代初，采用枢轴式摆动悬挂机构，，日本研究设计了自走式采摘车，并在四国农业试验场研制成功（谢志勇 2005）。20 世纪 70 年代末期，得益于计算机技术和自动控制技术的迅速发展，美国着手研究各种农业机器人，其中就包括采摘机器人（Hayashi et al. 2002；Harrell et al. 1990）。首台采摘机器人在 1983 年于美国研制成功，其后包括法国、荷兰、日本等国相继研发了具有机器视觉技术和人工智能的多种采摘机器人，适用于柑橘、苹果、葡萄和西瓜等果实的采摘（姜丽萍等 2006）。

气吸式,苹果

果园采摘平台传送装箱系统研究，采摘机械臂由伺服电机驱动，柔性末端执行器可减少对左右，每个苹果采摘用时 10 秒以内。0 年代中期，美国成功研制了果园升降作业平台，其由机极大地提高了农民采摘苹果的速度（Luo et al. 2015）。美2 所示，采摘人员站在升降平台上将苹果摘下，利用气压负压吸入人工摘下的苹果，并携带苹果运动，当苹果运动，保证单个苹果的高速度和高精度传送，传送导管末端的果箱内底面。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S22

【参考文献】