目錄
叢書序
序
前言
第1章 采摘機(jī)器人技術(shù)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(jī)器人裝備開發(fā)的歷程與現(xiàn)狀 1
1.2.1 番茄采摘機(jī)器人 2
1.2.2 林果采摘機(jī)器人 14
1.2.3 蔬果采摘機(jī)器人 31
1.2.4 其他果實(shí)采摘機(jī)器人 51
1.2.5 通用型及其他采摘機(jī)器人 58
1.3 綜述與展望 69
1.3.1 采摘機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步 69
1.3.2 采摘機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵條件 70
1.3.3 采摘機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域 70
1.3.4 采摘機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的突破口 71
第2章 機(jī)器人采摘中的對象損傷與無損采摘作業(yè)問題 72
2.1 機(jī)器人采摘中的果實(shí)致?lián)p原因 72
2.2 機(jī)器人采摘中的被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu) 72
2.2.1 指面彈性材料 73
2.2.2 欠驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器 74
2.2.3 手指的彈性介質(zhì) 76
2.3 機(jī)器人采摘中的主動(dòng)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(jī)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(xué)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(jī)器人收獲的果實(shí)-果梗物理/力學(xué)特性指標(biāo)體系 86
3.3 番茄果、梗的物理特性 86
3.3.1 番茄的果、梗結(jié)構(gòu) 86
3.3.2 物理特性 88
3.4 番茄果實(shí)的組元力學(xué)特性 91
3.4.1 試驗(yàn)材料、儀器與方法 91
3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 97
3.5 番茄整果的壓縮力學(xué)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(yīng)力松弛特性 107
3.5.4 加卸載特性 109
3.6 番茄果實(shí)摩擦力學(xué)特性 112
3.6.1 靜動(dòng)摩擦系數(shù) 112
3.6.2 滾動(dòng)阻力系數(shù)的測定 114
3.7 番茄整果力學(xué)結(jié)構(gòu)模型 115
3.7.1 果實(shí)輪式簡化力學(xué)結(jié)構(gòu) 115
3.7.2 不同心室番茄的力學(xué)特征 117
3.8 番茄果實(shí)的損傷 125
3.8.1 番茄果實(shí)的機(jī)械損傷機(jī)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(jié)構(gòu) 132
3.9.2 果梗力學(xué)特性試驗(yàn) 133
3.9.3 試驗(yàn)結(jié)果分析 137
第4章 番茄無損采摘手臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 140
4.2.1 無損采摘末端執(zhí)行器的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 140
4.2.2 末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 149
4.2.3 感知系統(tǒng)設(shè)計(jì) 158
4.2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 158
4.2.5 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 162
4.2.6 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 163
4.2.7 樣機(jī)及性能指標(biāo) 164
4.2.8 主被動(dòng)復(fù)合柔順采摘末端執(zhí)行器 165
4.3 基于商用機(jī)械臂的無損采摘系統(tǒng) 167
4.3.1 商用機(jī)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(jī)械臂的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 167
4.3.3 機(jī)械臂與末端執(zhí)行器的控制系統(tǒng)集成 169
第5章 果實(shí)快速柔順夾持的數(shù)學(xué)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(shí)快速夾持試驗(yàn)與特殊碰撞特征 173
5.2.1 果實(shí)快速夾持試驗(yàn) 173
5.2.2 快速夾持的碰撞特征 174
5.3 果實(shí)快速夾持的特殊碰撞問題 175
5.4 果實(shí)快速夾持過程的階段動(dòng)力學(xué)特征 175
5.5 果實(shí)壓縮模型 176
5.5.1 果實(shí)的黏彈特性與本構(gòu)模型表征 176
5.5.2 番茄果實(shí)蠕變特性表征的 Burger 修正模型 180
5.6 果實(shí)快速夾持的復(fù)合碰撞模型 185
5.6.1 勻速加載階段與應(yīng)力松弛階段 185
5.6.2 碰撞減速階段 186
5.7 果實(shí)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(shí)成熟度對碰撞時(shí)間的影響 188
5.7.3 夾持速度與果實(shí)成熟度對碰撞變形的影響 189
5.7.4 夾持速度與果實(shí)成熟度對碰撞峰值力的影響 190
5.8 夾持碰撞耗時(shí)的理論推算 191
5.8.1 手指夾持過程的構(gòu)成 191
5.8.2 手指夾持的尺寸關(guān)系 192
5.8.3 手指夾持過程的耗時(shí)構(gòu)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(shí)間計(jì)算 193
第6章 果實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)接觸幾何模型 205
6.3.2 建立接觸對 206
6.3.3 模型驗(yàn)證方法 206
6.3.4 抓取損傷預(yù)測方法 208
6.3.5 不同加載方式的組元應(yīng)力仿真 209
6.4 采摘夾持過程的動(dòng)態(tài)仿真 223
6.4.1 動(dòng)態(tài)夾持仿真的軟件實(shí)現(xiàn) 223
6.4.2 末端執(zhí)行器夾持系統(tǒng)虛擬樣機(jī)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(shí)吸持拉動(dòng)的模型分析 230
7.1 概述 230
7.1.1 真空吸持拉動(dòng)在機(jī)器人采摘中的作用 230
7.1.2 樹上果實(shí)真空吸持拉動(dòng)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(xué)建模 233
7.2.1 球形果實(shí)的真空吸持力學(xué)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(shí)表面輪廓對吸持力的影響 237
7.3 真空吸持拉動(dòng)力學(xué)模型 239
7.3.1 樹上果實(shí)吸持拉動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 239
7.3.2 樹上果實(shí)吸持拉動(dòng)的靜力學(xué)分析 240
7.3.3 樹上果實(shí)吸持拉動(dòng)的效應(yīng)分析 243
7.4 樹上果實(shí)吸持拉動(dòng)的概率模型 249
7.4.1 果實(shí)吸持拉動(dòng)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(shí)數(shù)目比重 250
7.4.3 不同每穗果實(shí)數(shù)目所需拉動(dòng)距離及其概率 252
7.4.4 實(shí)需拉動(dòng)距離對夾持干涉率的理論影響 260
7.4.5 吸持拉動(dòng)距離的確定 261
第8章 機(jī)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(yàn)比較 263
8.2.1 無工具式分離方式 263
8.2.2 株上果實(shí)的拉斷采摘試驗(yàn) 264
8.2.3 株上果實(shí)的扭斷采摘試驗(yàn) 265
8.2.4 株上果實(shí)的折斷采摘試驗(yàn) 265
8.2.5 離層強(qiáng)度與分離理論 267
8.3 果梗激光分離的試驗(yàn)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(yàn) 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(shí)現(xiàn) 280
第9章 番茄快速無損采摘試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)的控制優(yōu)化 306
9.3.1 最大拉動(dòng)速度與加速段位移的關(guān)系 306
9.3.2 動(dòng)吸持拉力與真空度閾值的關(guān)系 310
9.3.3 吸持拉動(dòng)的位移/位置參數(shù)優(yōu)化 311
9.3.4 動(dòng)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(yàn) 320
參考文獻(xiàn) 324
索引 348