摘要
我国的苹果产量位居世界第一，苹果产业对地区经济的发展至关重要。鲜食苹果味道甜美，且富有营养，深受人们的喜爱。目前鲜果采收主要依靠人力完成，劳动强度大，人工成本高。作为一种灵活的智能农业机械装备，农业机器人受到了研究人员越来越多的关注，农业机器人在采收苹果时容易对苹果造成损伤，尤其在采后苹果的输送装箱环节对苹果造成的损伤更为严重。本文针对目前苹果采后输送装箱均匀性差和损伤率高的问题，设计一种双层均布叶片式苹果输送装箱装置，阐述其基本结构和工作原理，并对苹果输送装箱装置进行样机研制与试验。主要研究内容如下: （1）选用红富士苹果为试验对象，通过试验对其基本物理特性参数进行测定，对苹果跌落至缓冲材料的冲击过程进行理论分析，并通过正交试验对苹果跌落至缓冲材料上的碰撞损伤规律进行研究，分析跌落高度、碰撞材料类型和碰撞材料厚度对苹果损伤体积的影响，进而通过苹果压缩试验和自由跌落试验，得到苹果跌落至3mm厚珍珠棉上的碰撞损伤临界跌落高度为71.34mm,为苹果采后输送装箱装置的结构设计提供依据。 （2）对苹果采摘机器人输送装箱装置设计方案进行介绍，进行EDEM和Recurdyn耦合的离散元仿真平台搭建，模拟苹果在输送装箱装置中的装箱过程，当均布机构转速、均布机构高度和均布叶片倾斜角取值不同时，比较苹果的装箱表面堆积形状和苹果的损伤率。仿真结果表明:均布机构转速对苹果装箱表面堆积形状有明显影响，当均布机构转速为10～15r/min时，可以实现苹果的逐层装箱;当均布机构高度为110～120mm时，装箱表面形状基本平整;当均布叶片倾斜角为8～12°时，对装箱表面形状影响不明显。当均布机构转速为15r/min时，苹果损伤率为3.33％;当均布机构高度为110mm时，苹果损伤率为5％;当均布叶片倾斜角为10°时，苹果损伤率为4.17％。因此，结构设计方案合理，可控制苹果损伤率在5％以内。 （3）建立苹果跌落至缓冲管道的碰撞缓冲模型，对管道中运动的苹果进行运动分析，对缓冲管道进行设计，当管道两端高度差大于28.5cm时，苹果刚好能从管道中顺利滚出，对风车式装箱贮存机构的均布分离组件进行了详细设计，为实现苹果的自动输送装箱，对控制系统进行设计，完成硬件选型和装箱工作流程设计。 (4)搭建苹果采摘机器人输送装箱装置样机并进行性能试验，通过对装置设计分析并结合前期仿真试验结果，选取均布机构转速、均布机构高度和均布叶片倾斜角为影响因素，进行单因素试验。在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken试验设计方法，设计三因素三水平分析试验，选取均布机构转速为10r/min、12r/min、14r/min,均布机构高度为100mm、110mm、120mm,均布叶片倾斜角为4°、6°、8°，分析各试验因素对苹果输送装箱装置样机装箱效果和装箱质量的影响。通过Design-Expert11软件对试验结果进行参数优化，优化结果表明:当均布机构转速为12r/min,均布机构高度为107mm,均布叶片倾斜角为6°时，此时苹果装箱均布系数为0.294,苹果装箱损伤率为4.21％。以优化后参数进行试验，苹果装箱均布系数为0.288,苹果装箱损伤率为4.26％,符合苹果装箱作业要求。
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