目錄
叢書序
序
前言
第1章 采摘機器人技術發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀 1
1.1 鮮食果蔬產(chǎn)業(yè)與收獲問題 1
1.2 全球采摘機器人裝備開發(fā)的歷程與現(xiàn)狀 1
1.2.1 番茄采摘機器人 2
1.2.2 林果采摘機器人 14
1.2.3 蔬果采摘機器人 31
1.2.4 其他果實采摘機器人 51
1.2.5 通用型及其他采摘機器人 58
1.3 綜述與展望 69
1.3.1 采摘機器人技術的持續(xù)進步 69
1.3.2 采摘機器人技術發(fā)展的關鍵條件 70
1.3.3 采摘機器人技術發(fā)展的重點領域 70
1.3.4 采摘機器人技術發(fā)展的突破口 71
第2章 機器人采摘中的對象損傷與無損采摘作業(yè)問題 72
2.1 機器人采摘中的果實致?lián)p原因 72
2.2 機器人采摘中的被動柔順結構 72
2.2.1 指面彈性材料 73
2.2.2 欠驅動末端執(zhí)行器 74
2.2.3 手指的彈性介質 76
2.3 機器人采摘中的主動柔順控制 78
2.4 快速無損采摘問題的提出 80
2.4.1 快速無損采摘的問題特殊性與研究意義 80
2.4.2 機器人-果蔬快速夾持碰撞問題的特殊性 81
2.4.3 快速無損采摘的研究體系 82
第3章 番茄的果-梗物理與力學特性 85
3.1 概述 85
3.1.1 研究意義 85
3.1.2 內(nèi)容與創(chuàng)新 85
3.2 面向機器人收獲的果實-果梗物理/力學特性指標體系 86
3.3 番茄果、梗的物理特性 86
3.3.1 番茄的果、梗結構 86
3.3.2 物理特性 88
3.4 番茄果實的組元力學特性 91
3.4.1 試驗材料、儀器與方法 91
3.4.2 試驗結果與分析 97
3.5 番茄整果的壓縮力學特性 102
3.5.1 擠壓力-變形特性 102
3.5.2 蠕變特性 106
3.5.3 應力松弛特性 107
3.5.4 加卸載特性 109
3.6 番茄果實摩擦力學特性 112
3.6.1 靜動摩擦系數(shù) 112
3.6.2 滾動阻力系數(shù)的測定 114
3.7 番茄整果力學結構模型 115
3.7.1 果實輪式簡化力學結構 115
3.7.2 不同心室番茄的力學特征 117
3.8 番茄果實的損傷 125
3.8.1 番茄果實的機械損傷機理 125
3.8.2 番茄受壓縮后的生理變化 125
3.9 果梗特性 132
3.9.1 梗系統(tǒng)結構 132
3.9.2 果梗力學特性試驗 133
3.9.3 試驗結果分析 137
第4章 番茄無損采摘手臂系統(tǒng)的設計開發(fā) 140
4.1 概述 140
4.1.1 研究意義 140
4.1.2 內(nèi)容與創(chuàng)新 140
4.2 無損采摘末端執(zhí)行器設計 140
4.2.1 無損采摘末端執(zhí)行器的系統(tǒng)方案設計 140
4.2.2 末端執(zhí)行器機構設計 149
4.2.3 感知系統(tǒng)設計 158
4.2.4 控制系統(tǒng)設計 158
4.2.5 供電系統(tǒng)設計 162
4.2.6 末端執(zhí)行器結構設計 163
4.2.7 樣機及性能指標 164
4.2.8 主被動復合柔順采摘末端執(zhí)行器 165
4.3 基于商用機械臂的無損采摘系統(tǒng) 167
4.3.1 商用機械臂與自開發(fā)末端執(zhí)行器融合的背景和需要 167
4.3.2 商用機械臂的控制系統(tǒng)結構 167
4.3.3 機械臂與末端執(zhí)行器的控制系統(tǒng)集成 169
第5章 果實快速柔順夾持的數(shù)學建模 173
5.1 概述 173
5.1.1 研究意義 173
5.1.2 內(nèi)容與創(chuàng)新 173
5.2 果實快速夾持試驗與特殊碰撞特征 173
5.2.1 果實快速夾持試驗 173
5.2.2 快速夾持的碰撞特征 174
5.3 果實快速夾持的特殊碰撞問題 175
5.4 果實快速夾持過程的階段動力學特征 175
5.5 果實壓縮模型 176
5.5.1 果實的黏彈特性與本構模型表征 176
5.5.2 番茄果實蠕變特性表征的 Burger 修正模型 180
5.6 果實快速夾持的復合碰撞模型 185
5.6.1 勻速加載階段與應力松弛階段 185
5.6.2 碰撞減速階段 186
5.7 果實夾持碰撞規(guī)律 187
5.7.1 夾持碰撞過程的力變化規(guī)律 187
5.7.2 夾持速度與果實成熟度對碰撞時間的影響 188
5.7.3 夾持速度與果實成熟度對碰撞變形的影響 189
5.7.4 夾持速度與果實成熟度對碰撞峰值力的影響 190
5.8 夾持碰撞耗時的理論推算 191
5.8.1 手指夾持過程的構成 191
5.8.2 手指夾持的尺寸關系 192
5.8.3 手指夾持過程的耗時構成 192
5.8.4 柔順夾持的控制模式選擇 193
5.8.5 柔順夾持的時間計算 193
第6章 果實柔順夾持的仿真研究 195
6.1 概述 195
6.1.1 研究意義 195
6.1.2 內(nèi)容與創(chuàng)新 195
6.2 果實有限元模型 195
6.2.1 番茄整果的黏彈性有限元模型 195
6.2.2 番茄果實非線性多組元有限元模型 203
6.3 靜態(tài)夾持仿真 205
6.3.1 手指-果實接觸幾何模型 205
6.3.2 建立接觸對 206
6.3.3 模型驗證方法 206
6.3.4 抓取損傷預測方法 208
6.3.5 不同加載方式的組元應力仿真 209
6.4 采摘夾持過程的動態(tài)仿真 223
6.4.1 動態(tài)夾持仿真的軟件實現(xiàn) 223
6.4.2 末端執(zhí)行器夾持系統(tǒng)虛擬樣機建立 224
6.4.3 末端執(zhí)行器夾持番茄仿真分析 227
第7章 樹上果實吸持拉動的模型分析 230
7.1 概述 230
7.1.1 真空吸持拉動在機器人采摘中的作用 230
7.1.2 樹上果實真空吸持拉動問題的研究意義 231
7.1.3 研究內(nèi)容與創(chuàng)新 232
7.2 真空吸盤吸持力學建模 233
7.2.1 球形果實的真空吸持力學模型 233
7.2.2 真空度對吸持力的影響 235
7.2.3 吸盤直徑對吸持力的影響 236
7.2.4 果實表面輪廓對吸持力的影響 237
7.3 真空吸持拉動力學模型 239
7.3.1 樹上果實吸持拉動的運動學分析 239
7.3.2 樹上果實吸持拉動的靜力學分析 240
7.3.3 樹上果實吸持拉動的效應分析 243
7.4 樹上果實吸持拉動的概率模型 249
7.4.1 果實吸持拉動的夾持干涉率與成功率 249
7.4.2 不同采摘輪次的每穗果實數(shù)目比重 250
7.4.3 不同每穗果實數(shù)目所需拉動距離及其概率 252
7.4.4 實需拉動距離對夾持干涉率的理論影響 260
7.4.5 吸持拉動距離的確定 261
第8章 機器人作業(yè)中果-梗分離方式的比較研究 263
8.1 概述 263
8.1.1 研究意義 263
8.1.2 內(nèi)容與創(chuàng)新 263
8.2 無工具式分離方式的試驗比較 263
8.2.1 無工具式分離方式 263
8.2.2 株上果實的拉斷采摘試驗 264
8.2.3 株上果實的扭斷采摘試驗 265
8.2.4 株上果實的折斷采摘試驗 265
8.2.5 離層強度與分離理論 267
8.3 果梗激光分離的試驗探索 270
8.3.1 果梗激光分離方法的提出 270
8.3.2 生物材料的激光切割原理及優(yōu)勢 271
8.3.3 果梗激光分離的特殊性 272
8.3.4 果梗激光穿透與切割試驗 273
8.3.5 激光穿透性能及其影響因素 278
8.3.6 果梗激光切割的實現(xiàn) 280
第9章 番茄快速無損采摘試驗研究 282
9.1 概述 282
9.1.1 研究意義 282
9.1.2 內(nèi)容與創(chuàng)新 282
9.2 快速柔順夾持的參數(shù)優(yōu)化 282
9.2.1 運動控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)調(diào)整 282
9.2.2 加減速過程中的加速和減速段耗能分析 292
9.2.3 快速柔順夾持的速度優(yōu)化 302
9.3 真空吸持拉動的控制優(yōu)化 306
9.3.1 最大拉動速度與加速段位移的關系 306
9.3.2 動吸持拉力與真空度閾值的關系 310
9.3.3 吸持拉動的位移/位置參數(shù)優(yōu)化 311
9.3.4 動作協(xié)調(diào)的控制模式優(yōu)化 314
9.4 手臂協(xié)調(diào)的快速柔順采摘控制 317
9.4.1 手臂協(xié)調(diào)控制模式 317
9.4.2 手臂協(xié)調(diào)采摘試驗 320
參考文獻 324
索引 348