摘要
菠萝作为热带水果，在全世界热带地区大量种植，根据果实的成熟期不同，菠萝果实可分为春果、夏果、秋果、冬果。进入成熟期后需要在一周内完成采摘，否则会腐烂在田里面，造成巨大经济损失。目前国内外的菠萝采摘工作基本上以人工采摘为主，人力支出占比大约为整个生产利润的 40%。但随着中国人口老龄化加剧，进城务工人员人数增加，国内经常发生农忙采收季劳工短缺问题。针对上述问题，较好的解决方法是加快推进菠萝采摘作业的自动化进程。 通过对现有果蔬自动化采摘设备研究成果的总结分析，目前果蔬采摘设备日益趋向于能够完全自主采摘的智能机器人方面发展。此类采摘机器人主要由载体平台，机械臂，末端执行器及目标识别控制系统组成。其中末端执行器作为首要接触果实的运行机构，其性能的优劣程度决定着整个采摘设备的性能指标。因此，本文将主要对菠萝采摘机器人末端执行器的机械机构进行较为系统的设计分析，并且对菠萝采摘机器人载体平台车架结构进行设计与强度分析，以及机械臂的选型等工作。在菠萝果实采摘过程可基本分为果实的夹取，果实与果梗的分离，果实收集这几个关键步骤，进而需要研究果实表面与采摘机构弧形夹指内侧缓冲材料的摩擦系数，果梗的材料力学特性，为菠萝果实的无损采摘和果实果梗分离提供理论基础。重点研究末端执行器夹持机构的运动特性，建立夹持机构运动数学模型。结合对末端执行器夹持机构的静力学分析结果，检验末端执行器主体结构设计的合理性，并制造试验样机，经过实地试验验证设计的可行性。本文主要的研究内容如下： （1）统计试验田区域菠萝植株生长特性规律，菠萝果实的实际生长状况，作为末端执行器及采摘车架结构空间的基础数据。进行菠萝果皮物料摩擦学特性试验，测量菠萝果皮与弧形夹指的内侧缓冲材料的静摩擦系数，以便求得稳定夹持所需的最小正压力，进而为夹持机构的驱动电机的选型提供数据依据。完成菠萝果梗的切割力学特性试验，通过分析不同切割速度与切割刀刃角度数情况下果梗的应力-应变关系，为果梗分离器的刀具与切割速度选择提供依据。 （2）根据菠萝果实物理特性数据，运用 SolidWorks软件完成菠萝采摘机器人末端执行器的总体结构设计。根据菠萝植株及种植农艺特点，完成采摘车载体平台的结构设计，并选择合适的机械臂模块。 （3）利用 ANSYS 软件对末端执行器的关键构件进行应变和应力分析，为结构的改进及材料的选择提供依据。利用优化后的夹持机构各传动构件结构参数为依据，建立夹持机构的运动学数学模型。对已完成结构尺寸优化的末端执行器夹持机构核心部件完成装配体组装，利用 ADAMS 软件对夹持机构进行虚拟仿真。通过对建立的虚拟样机模型进行运动学、动力学仿真分析，获取夹持机构主要传动构件，即弧形夹指的位移、速度、加速度，将虚拟样机结果与理论分析结果进行对比，进一步验证本设计的合理性。 （4）对菠萝采摘机器人载体车架进行支撑强度分析，完成关键连接支撑点的应力分析。进行车架的结构动力学分析，经过对车架的模态分析，分析车架在受到外部激励作用时整体结构的稳定性。 （5）完成整机组装，通过调试后进行室内室外试验，进一步检验了设计样机的性能。通过检验后，将末端执行器与机械臂及采摘载体车架进行总体装配联调测试。
NETL