基於多領域統一仿真的採摘機構與生物水果耦合機理

《基於多領域統一仿真的採摘機構與生物水果耦合機理》是依託華南農業大學，由王紅軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於多領域統一仿真的採摘機構與生物水果耦合機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王紅軍
• 依託單位：華南農業大學

項目摘要

水果無損機械採摘的關鍵是理清生物對象與機構之間的耦合機理，建立機構採摘進程中對生物對象動態力學行為的智慧型感知並實施自適應控制。本項目擬就夾持、回收作業所涉及的力學特性，探討生物水果與機構互動過程中生物巨觀組織結構與載荷之間的動態耦合關係以及多領域統一數學描述方法，達到最佳化機構、精確控制載荷並實施無損採摘之目的。以不同生物介質接觸分層非線性模型為基礎、以粘彈性體接觸力學理論結合有限元分析技術，從生物巨觀組織層面深入研究機構與果梗和果串的接觸變形特性及果串的蠕變特性，揭示分層接觸界面互饋機理，探討機構施載入荷對生物體的損傷規律，建立生物損傷特性與機構及施載入荷的關聯數學模型。藉助Modelica多領域統一建模語言，仿真研究多領域物理要素與結構、控制、損傷之間的約束映射關係。揭示機構結構設計和控制參數與生物對象友好機械性能影響規律，為水果無損採摘及產後深加工裝備開發提供共性理論基礎和設計支持。

結題摘要

農業採摘機械的研究在我國得到了高度重視，與收穫作業相關的智慧型化無損採摘機械取代人工實施採摘作業是農業收穫作業的必然發展趨勢。智慧型化無損機械採摘的關鍵是理清生物對象與機構之間的耦合機理，建立機構採摘進程中對生物對象動態力學行為的智慧型感知並實施自適應控制。同時多領域建模與仿真語言Modelica在工業機器人領域得到廣泛套用，但對涉及生物柔性特徵的農業採摘機械手方面的套用還未曾報導。本項目針對水果採摘過程中夾持、回收作業所涉及的力學特性，首次提出對生物水果與機構互動過程中生物巨觀組織結構與載荷之間的動態耦合關係進行深入探討並利用多領域統一建模和仿真方法進行數學描述，達到最佳化機構、精確控制載荷並實施無損採摘之目的。首先從生物巨觀組織層面深入研究了機構外載入荷作用下果梗和果串接觸變形特性及果串的蠕變特性，捕捉生物對象內部組織動態變化情況，理清農業生物組織在外載荷下的變形，揭示分層接觸界面互饋機理，探討機構施載入荷對生物體的損傷規律，建立生物損傷特性與機構及施載入荷的關聯數學模型，支持末端執行器控制系統智慧型感知夾持對象並實施自適應控制。然後，在六自由度機械手平台上，增加自主開發的荔枝採摘末端執行器，搭建了採摘機械手動態行為仿真平台。通過實驗平台獲取夾持機構與果串之間的友好機械特性，達到即能對果串有效夾持又不對果串造成機械損傷之目的，分析了影響果串夾持效果的主要因素，驗證不同夾持因素組合下的夾持效果，獲得了夾持因素與夾持效果之間的影響關係。藉助Modelica多領域統一建模語言，仿真研究多領域物理要素與結構、控制、損傷之間的約束映射關係，揭示了機構結構設計和控制參數與生物對象友好機械性能之間的影響規律。項目研究成果為生物水果無損採摘及農產品產後深加工裝備開發提供了新的理論方法和設計支持。