机器手采摘苹果抓取损伤机理有限元分析及验证-农业工程学报.PDF
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第 31 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.5
2015 年 3 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2015 17
机器手采摘苹果抓取损伤机理有限元分析及验证
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姬 伟 ,李俊乐 ,杨 俊 ,丁世宏 ,赵德安
(1. 江苏大学电气信息工程学院,镇江 212013 ; 2. 东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室,南京 210096 ;
3. 江苏大学机械工业设施农业测控技术与装备重点实验室,镇江 212013 )
摘 要:为了减少机器人自动采摘过程中夹持器抓取苹果时的碰撞、挤压损伤,对抓取过程中苹果与不同指面类型夹持
器手指接触时果实内部的应力变化进行研究。通过压缩试验后计算得到了苹果果皮、果肉和果核 3 个不同部分的力学参
数,建立了单个苹果的 3 层实体力学模型。将苹果果皮、果肉和果核 3 部分弹性模量分别取多次试验的平均值,通过ANSYS
软件建立了苹果所对应的有限元模型,模拟苹果与平面和弧面手指的接触过程,进而得到苹果果皮、果肉和果核 3 部分
的节点Von Mises 应力云图。结果显示,加载过程中,果皮处的应力最大,果肉处的应力次之,但由于果肉破坏应力较小,
果肉最易受到损伤;同时,当加载力相同时,弧面手指比平面手指对苹果各部分的作用应力要小,苹果的形变也较小,
当加载力分别为 5、20 、35、50 N 时,平面手指对苹果所造成的形变量分别比弧面手指大 6.7%、12.1%、12.4%、14.5%,
因此,弧面手指对果皮内部造成机械损伤的概率相对较小。最后,利用自行研制的采摘机器人 2 弧面手指夹持器苹果实
物抓取损伤试验验证了所研究方法的有效性。该研究结果可以实现苹果损伤的较准确预测和评估,并为采摘机器人末端
夹持器减损结构优化设计提供了一定参考依据。
关键词:有限元分析;弹性模量;夹持器;构型;苹果收获机器人;机械损伤
doi :10.3969/j.issn.1002-6819.2015.05.003
中图分类号:TP241 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2015)-05-0017-06
姬 伟,李俊乐,杨 俊,等. 机器手采摘苹果抓取损伤机理有限元分析及验证[J]. 农业工程学报,2015,31(5):17
-22.
Ji Wei, Li Junle, Yang Jun, et al. Analysis and validation for mechanical damage of apple by gripper in harvesting robot based on
finite element method [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015,
31(5): 17 -22. (in Chinese with English abstract)
力,来揭示果实挤压损伤的机理,为农业机械化和自动
0 引 言
化收获装置的减损结构优化设计提供了一些参考依据
在苹果种植生产作业过程中,收获采摘约占整个作 [11] 。然而,多数研究多集中于模拟。本文不仅利用有限
业量的 40% ,采用机器人收获苹果,可以解放劳动力、 元方法
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