香蕉采摘机械手夹持试验及仿真分析

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1、学校代码：10564学号：2013209903分类号：S225.93密级：硕士学位论文香蕉采摘机械手夹持试验及仿真分析唐之富指导教师：王红军教授学院名称：工程学院专业名称：机械制造及其自动化答辩委员会主席：邹湘军教授中国·广州2016年6月华南农业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法

2、律结果由本人承担。作者签名：日期：学位论文提交同意书本学位论文符合国家和华南农业大学关于研究生学位论文的相关规定，达到学位授予要求，同意提交。导师签名：日期：学科带头人签名：日期：摘要香蕉采摘是香蕉收获过程中的关键性作业环节。目前我国的香蕉采摘技术仍然停留在主要依靠人工采摘的阶段。纵观整个香蕉收获产业链，它包括采摘、运送、落梳、清洗、包装、杀菌、催熟、销售等环节，目前我国整个香蕉产业链的机械化程度较低，提高香蕉收获产业机械化程度的重要环节来自于香蕉收获的源头——采摘作业。这是由于香蕉特殊的农艺特性和收获特性，致使采摘过程成

3、为劳动强度最大、最易于造成香蕉的机械损伤、机械化难度最大的环节，这也直接制约了香蕉的机械化生产。与机械化程度低下形成巨大反差的是我国香蕉产量及销量长期处于世界前列，因此，发展香蕉机械化采摘具有重要意义。本文在前期研究成果和实体样机的基础上，对香蕉采摘机械手夹持机构进行整体分析和仿真优化，以获取与采摘对象性能友好的机械结构和尺寸参数。基于测定的香蕉假茎的力学性能参数及夹持特性，通过正交实验测试香蕉假茎与不同夹持方式、夹持材料和夹持载荷之间的相关性，获取适合香蕉采摘的优化夹持方案。以香蕉假茎的力学性能参数为基础，建立仿生香蕉假

4、茎模型，对采摘过程中的夹持过程进行仿真分析，优化采摘机械手结构尺寸。主要完成的研究工作如下：1）分析了国内外果蔬采摘机械手及香蕉采摘设备的研究进展。目前国内外已有大量果蔬采摘机械手的研究，但关于香蕉采摘的研究还处于起步阶段，适合香蕉机械化采摘的末端执行器的研究非常欠缺，香蕉采摘作业仍以人工采摘为主，操作强度和难度较大、机械化程度低，人力耗损多。本文在分析众多果蔬采摘机械手的基础上，基于实验室前期实地调研得出的香蕉农艺特性及设计基础，提出一种适用于香蕉这种大重量果串采摘的机械手末端执行器。2）香蕉采摘的夹持对象为香蕉假茎，其

5、力学性能呈明显的各项异性，为力求仿真模型尽量贴合实际物料，将香蕉假茎分为外层、中层、茎芯三个部分，分别测定其密度、轴向及径向的弹性模量、剪切模量，并用均质化和有限元方法进行采摘模型的仿真建模。根据影响采摘夹持效果的相关条件设置试验因素，设计试验方案，完成采摘夹持试验台的设计、制作。以香蕉假茎在夹持状态下产生滑移前所能承担的最大轴向拉力来表征夹持效果，对采摘夹持的抱掌类型、接触材料、夹持力及钉刺夹持的钢钉数量、钢钉直径、钉刺深度等影响夹持效果的试验因素进行单因素、多因素试验，分别得出各试验因素与夹持效果之间的关系，得出夹持效

6、果最佳的因素组合为：钢钉I数量6颗、钉刺深度10mm、钢钉直径5mm。3）结合夹持试验结果及设计目标，基于Pro/E完成旋转装置、升降装置、末端执行器的仿真模型，运用有限元分析软件ANSYS分析机械手整机的安全性和稳定性，校核末端执行关键零部件的设计合理性，仿真夹持过程，优化关键零部件的结构尺寸。获取机械手在各极限工况下作业时整机及零部件的应力应变数据和运动参数，以及夹持过程中手爪的反作用力等核心参数，对夹持过程中的动力学特性进行了仿真模拟。4）仿真及试验的结果表明，在夹持力达到500N，摩擦夹持及钉刺夹持均能基本实现对香

7、蕉蕉串的稳定夹持，但钉刺夹持相对更加可靠稳定，其能承担的蕉串重量略大，对蕉串产生的滑动趋势有减弱作用，只要求机构提供钢钉刺入假茎时的瞬时夹持力，对机械手动力源的适用性较强，这对机械手末端执行器的精简轻量化有重要意义。5）将钢钉数量6颗、钉刺深度10mm、钢钉直径5mm的最佳夹持因素组合、夹持机构关键零部件的结构尺寸优化以及整体样机的稳定性分析结果应用于整机的实物采摘试验，验证实际工况下的夹持的有效性、机构的可靠性以及整体样机在采摘过程中承载的稳定性。试验结果表明，所开发的香蕉采摘机械手样机能满足香蕉采摘的农业特性，较好地模

8、拟人工采摘过程实现机械化采摘。关键词：采摘机械手；夹持机构；摩擦夹持；钉刺夹持；有限元仿真IIClampingTestandSimulationAnalysisofBananaHarvestingManipulator(CollegeofEngineering,SouthChinaAgricultura