果蔬快速採摘的夾持碰撞模型與損傷機理研究

《果蔬快速採摘的夾持碰撞模型與損傷機理研究》是依託江蘇大學，由劉繼展擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：果蔬快速採摘的夾持碰撞模型與損傷機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉繼展
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

擬以夾持控制－夾持碰撞過程－果實損傷相結合，首次對機器人快速採摘的手爪與果實非彈性碰撞動力學模型和果蔬碰傷發生機理展開研究。利用採摘機器人手爪系統進行快速夾持碰傷實驗，獲得不同控制模式/參數下果實的力－時間、力－變形和峰值碰撞力－碰傷關係；通過對碰撞淤傷部位的顯微解剖與圖像處理，將碰傷發生的巨觀外部條件和內部細觀結構的損傷形成相結合揭示快速夾持下果實的碰傷機理，並將反映局部碰傷敏感性的細觀力學模型耦合於巨觀力學模型內建立果實的非線性粘彈塑性本構模型；在其與手爪機電系統動力學模型基礎上，通過實驗擬合修正建立手爪－果實的非彈性碰撞動力學模型；最後利用該模型得到採摘機器人快速柔順夾持的手爪最佳化控制模式和參數。本研究填補了果蔬巨觀力學特性－碰傷敏感性－果實細觀結構之間的鴻溝，並實現了對現有彈性接觸碰撞理論的突破，為快速柔順夾持提供了依據。

結題摘要

低速下的柔順夾持控制模式無法滿足果蔬的機器人快速採摘作業需要，本項目旨在揭示有動力源手爪系統對黏彈塑性果實的有約束夾持碰撞與損傷機制，進而提出果實快速柔順夾持和採摘的控制參數與策略。項目遵從“果實宏微觀力學特性與建模→快速夾持碰撞仿真→實驗→損傷機理與機率→柔順夾持和採摘控制最佳化”的技術路線，開展了系統深入的研究。首先創立了若干關鍵指標的測定與分析方法，系統完成了番茄整果與不同組織、果梗的力學特性實驗，建立了果實黏彈塑性本構模型；以此為基礎，構建了番茄果實非線性多組元有限元模型，通過虛擬樣機—有限元模型結合的果實靜態夾持和快速夾持碰撞仿真，探明了夾持作用下的整果和各組織應力分布；進而通過實驗發現了快速夾持碰撞過程中夾持力的碰撞、回彈、應力鬆弛三階段變化規律，得到了碰撞峰值力、峰值變形與輸入電流、夾持速度、夾持位置等因素的關係。提出了番茄果實輪式簡化承載結構並進行了果實、果梗超微結構觀測和細胞壁力學性能測定分析，有效解釋了番茄果實力學特性的各向異性、隨成熟度的變化以及不同載入位置的差異；根據已有果實損傷生物學理論，提出番茄果實夾持損傷的多生理變化及其生物學機理，進而確定以貨架期作為其夾持內部損傷評價指標；根據實驗，建立了番茄力學特性和夾持作業指標與機械損傷的關係，得到了不同條件下果實夾持損傷的機率曲線，打通了夾持作業—果實特性—果實損傷評價—果實損傷機率之間的聯繫，為實現柔順採摘控制提供了基礎；進行了機器人採摘無工具式分離方式和果梗非接觸雷射切割技術的分析與實驗研究，實現了果梗分離方式的最佳化；提出了被動柔順結構和主動柔順控制結合的果實柔順採摘裝備與方法，並將內部損傷的機率模型和快速夾持碰撞的速度-峰值力和碰撞時間規律相結合，得到了保證穩定可靠和高機率柔順夾持的手指控制參數；進而實現了末端執行器夾持-真空吸持和手-臂協調的節能高效柔順採摘控制；開展了機械手避障路徑規劃的初步研究，為實現實際作業條件下的果實高效機器人採摘提供了支持。本研究的開展，對於揭示有動力源機電系統對黏彈塑性類對象的夾持碰撞損傷機理和實現果實的快速機器人柔順收穫打下了堅實的基礎。項目共發表學術論文14篇，其中SCI收錄6篇，EI收錄與EI源5篇；授權發明專利6項，申請發明專利6項；培養博士2名，碩士3名；參加國際會議4次，圓滿完成了項目的研究與成果任務。