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第1章 采摘机器人技术发展的历史与现状1

1.1 鲜食果蔬产业与收获问题1

1.2 全球采摘机器人装备开发的历程与现状1

1.2.1 番茄采摘机器人2

1.2.2 林果采摘机器人14

1.2.3 蔬果采摘机器人31

1.2.4 其他果实采摘机器人51

1.2.5 通用型及其他采摘机器人58

1.3 综述与展望69

1.3.1 采摘机器人技术的持续进步69

1.3.2 采摘机器人技术发展的关键条件70

1.3.3 采摘机器人技术发展的重点领域70

1.3.4 采摘机器人技术发展的突破口71

第2章 机器人采摘中的对象损伤与无损采摘作业问题72

2.1 机器人采摘中的果实致损原因72

2.2 机器人采摘中的被动柔顺结构72

2.2.1 指面弹性材料73

2.2.2 欠驱动末端执行器74

2.2.3 手指的弹性介质76

2.3 机器人采摘中的主动柔顺控制78

2.4 快速无损采摘问题的提出80

2.4.1 快速无损采摘的问题特殊性与研究意义80

2.4.2 机器人-果蔬快速夹持碰撞问题的特殊性81

2.4.3 快速无损采摘的研究体系82

第3章 番茄的果-梗物理与力学特性85

3.1 概述85

3.1.1 研究意义85

3.1.2 内容与创新85

3.2 面向机器人收获的果实-果梗物理/力学特性指标体系86

3.3 番茄果、梗的物理特性86

3.3.1 番茄的果、梗结构86

3.3.2 物理特性88

3.4 番茄果实的组元力学特性91

3.4.1 试验材料、仪器与方法91

3.4.2 试验结果与分析97

3.5 番茄整果的压缩力学特性102

3.5.1 挤压力-变形特性102

3.5.2 蠕变特性106

3.5.3 应力松弛特性107

3.5.4 加卸载特性109

3.6 番茄果实摩擦力学特性112

3.6.1 静动摩擦系数112

3.6.2 滚动阻力系数的测定114

3.7 番茄整果力学结构模型115

3.7.1 果实轮式简化力学结构115

3.7.2 不同心室番茄的力学特征117

3.8 番茄果实的损伤125

3.8.1 番茄果实的机械损伤机理125

3.8.2 番茄受压缩后的生理变化125

3.9 果梗特性132

3.9.1 梗系统结构132

3.9.2 果梗力学特性试验133

3.9.3 试验结果分析137

第4章 番茄无损采摘手臂系统的设计开发140

4.1 概述140

4.1.1 研究意义140

4.1.2 内容与创新140

4.2 无损采摘末端执行器设计140

4.2.1 无损采摘末端执行器的系统方案设计140

4.2.2 末端执行器机构设计149

4.2.3 感知系统设计158

4.2.4 控制系统设计158

4.2.5 供电系统设计162

4.2.6 末端执行器结构设计163

4.2.7 样机及性能指标164

4.2.8 主被动复合柔顺采摘末端执行器165

4.3 基于商用机械臂的无损采摘系统167

4.3.1 商用机械臂与自开发末端执行器融合的背景和需要167

4.3.2 商用机械臂的控制系统结构167

4.3.3 机械臂与末端执行器的控制系统集成169

第5章 果实快速柔顺夹持的数学建模173

5.1 概述173

5.1.1 研究意义173

5.1.2 内容与创新173

5.2 果实快速夹持试验与特殊碰撞特征173

5.2.1 果实快速夹持试验173

5.2.2 快速夹持的碰撞特征174

5.3 果实快速夹持的特殊碰撞问题175

5.4 果实快速夹持过程的阶段动力学特征175

5.5 果实压缩模型176

5.5.1 果实的黏弹特性与本构模型表征176

5.5.2 番茄果实蠕变特性表征的Burger修正模型180

5.6 果实快速夹持的复合碰撞模型185

5.6.1 匀速加载阶段与应力松弛阶段185

5.6.2 碰撞减速阶段186

5.7 果实夹持碰撞规律187

5.7.1 夹持碰撞过程的力变化规律187

5.7.2 夹持速度与果实成熟度对碰撞时间的影响188

5.7.3 夹持速度与果实成熟度对碰撞变形的影响189

5.7.4 夹持速度与果实成熟度对碰撞峰值力的影响190

5.8 夹持碰撞耗时的理论推算191

5.8.1 手指夹持过程的构成191

5.8.2 手指夹持的尺寸关系192

5.8.3 手指夹持过程的耗时构成192

5.8.4 柔顺夹持的控制模式选择193

5.8.5 柔顺夹持的时间计算193

第6章 果实柔顺夹持的仿真研究195

6.1 概述195

6.1.1 研究意义195

6.1.2 内容与创新195

6.2 果实有限元模型195

6.2.1 番茄整果的黏弹性有限元模型195

6.2.2 番茄果实非线性多组元有限元模型203

6.3 静态夹持仿真205

6.3.1 手指-果实接触几何模型205

6.3.2 建立接触对206

6.3.3 模型验证方法206

6.3.4 抓取损伤预测方法208

6.3.5 不同加载方式的组元应力仿真209

6.4 采摘夹持过程的动态仿真223

6.4.1 动态夹持仿真的软件实现223

6.4.2 末端执行器夹持系统虚拟样机建立224

6.4.3 末端执行器夹持番茄仿真分析227

第7章 树上果实吸持拉动的模型分析230

7.1 概述230

7.1.1 真空吸持拉动在机器人采摘中的作用230

7.1.2 树上果实真空吸持拉动问题的研究意义231

7.1.3 研究内容与创新232

7.2 真空吸盘吸持力学建模233

7.2.1 球形果实的真空吸持力学模型233

7.2.2 真空度对吸持力的影响235

7.2.3 吸盘直径对吸持力的影响236

7.2.4 果实表面轮廓对吸持力的影响237

7.3 真空吸持拉动力学模型239

7.3.1 树上果实吸持拉动的运动学分析239

7.3.2 树上果实吸持拉动的静力学分析240

7.3.3 树上果实吸持拉动的效应分析243

7.4 树上果实吸持拉动的概率模型249

7.4.1 果实吸持拉动的夹持干涉率与成功率249

7.4.2 不同采摘轮次的每穗果实数目比重250

7.4.3 不同每穗果实数目所需拉动距离及其概率252

7.4.4 实需拉动距离对夹持干涉率的理论影响260

7.4.5 吸持拉动距离的确定261

第8章 机器人作业中果一梗分离方式的比较研究263

8.1 概述263

8.1.1 研究意义263

8.1.2 内容与创新263

8.2 无工具式分离方式的试验比较263

8.2.1 无工具式分离方式263

8.2.2 株上果实的拉断采摘试验264

8.2.3 株上果实的扭断采摘试验265

8.2.4 株上果实的折断采摘试验265

8.2.5 离层强度与分离理论267

8.3 果梗激光分离的试验探索270

8.3.1 果梗激光分离方法的提出270

8.3.2 生物材料的激光切割原理及优势271

8.3.3 果梗激光分离的特殊性272

8.3.4 果梗激光穿透与切割试验273

8.3.5 激光穿透性能及其影响因素278

8.3.6 果梗激光切割的实现280

第9章 番茄快速无损采摘试验研究282

9.1 概述282

9.1.1 研究意义282

9.1.2 内容与创新282

9.2 快速柔顺夹持的参数优化282

9.2.1 运动控制系统的PID参数调整282

9.2.2 加减速过程中的加速和减速段耗能分析292

9.2.3 快速柔顺夹持的速度优化302

9.3 真空吸持拉动的控制优化306

9.3.1 最大拉动速度与加速段位移的关系306

9.3.2 动吸持拉力与真空度阈值的关系310

9.3.3 吸持拉动的位移/位置参数优化311

9.3.4 动作协调的控制模式优化314

9.4 手臂协调的快速柔顺采摘控制317

9.4.1 手臂协调控制模式317

9.4.2 手臂协调采摘试验320

参考文献324

索引348