植物工廠生菜采收末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計與試驗.pdf
<p>植 物 工 廠 生 菜 采 收 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 設(shè) 計 與 試 驗 徐 賽 超, 毛 罕 平, 劉 洋, 邢 高 勇 ( 江 蘇 大 學(xué) 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 裝 備 與 技 術(shù) 教 育 部 重 點 實 驗 室, 江 蘇 鎮(zhèn) 江 212013) 摘 要: 國 內(nèi) 外 適 用 于 植 物 工 廠 葉 菜 類 的 采 收 裝 置 較 少 且 自 動 化 程 度 不 高, 尤 其 是 針 對 營 養(yǎng) 液 水 培 生 菜 的 裝 置。 為 此, 開 發(fā) 了 一 套 適 用 于 植 物 工 廠 生 菜 自 動 化 采 收 系 統(tǒng) 的 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu)。 利 用TA.XTplus 質(zhì) 構(gòu) 儀 對 生 菜 進(jìn) 行 力 學(xué) 特 性 測 試, 并 根 據(jù) 生 菜 的 力 學(xué) 特 性 參 數(shù) 對 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 進(jìn) 行 設(shè) 計。 將 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 安 裝 于 課 題 組 設(shè) 計 好 的 植 物 工 廠 生 菜 自 動 化 采 收 系 統(tǒng), 并 在 采 收 效 率 為15、20、30 塊/h 下 分 別 進(jìn) 行 自 動 采 收 性 能 試 驗, 采 收 成 功 率 分 別 為94.4%、91.6% 及83.3%, 采 收 效 果 良 好, 滿 足 采 收 需 求。 最 后, 根 據(jù) 試 驗 結(jié) 果 對 最 佳 采 收 效 率 區(qū) 間 進(jìn) 行 了 預(yù) 測。 關(guān) 鍵 詞: 植 物 工 廠; 生 菜 力 學(xué) 特 性 測 試; 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu); 自 動 采 收 性 能 試 驗 中 圖 分 類 號: S225.92 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼: A 文 章 編 號:1003-188X(2018)09-0172-05 0 引 言 近 年 來, 植 物 工 廠 逐 步 實 現(xiàn) 了 自 動 環(huán) 境 調(diào) 控、 智 能 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 及 生 產(chǎn) 流 程 的 規(guī) 范 等 1 , 但 前 期 投 入 費 用 大、 耗 能 高, 因 此 降 低 成 本 是 發(fā) 展 植 物 工 廠 的 必 要 條 件 2-3 。 面 對 勞 動 力 日 益 減 少 的 現(xiàn) 狀, 在 耗 費 人 力 的 收 獲 環(huán) 節(jié) 實 現(xiàn) 自 動 化 生 產(chǎn) 有 利 于 植 物 工 廠 的 加 速 發(fā) 展。 日 本 出 光 興 產(chǎn) 公 司 針 對 設(shè) 施 菠 菜 研 制 了 一 種 菠 菜 自 動 化 采 收 機 械 4-5 , 先 由 剪 切 裝 置 將 定 植 杯 子 和 成 熟 的 菠 菜 分 離, 再 通 過 皮 帶 輸 送 機 械 將 其 放 入 收 集 箱 內(nèi), 此 采 收 機 械 的 自 動 化 程 度 不 高。 北 京 工 業(yè) 大 學(xué) 的 高 國 華 等 人 研 制 了 一 套 適 用 于 溫 室 霧 培 小 白 菜 的 自 動 化 采 收 裝 置 6-7 , 通 過 帶 有 聚 攏 板 的 手 爪 可 以 同 時 對 多 顆 小 白 菜 實 現(xiàn) 聚 攏 夾 緊 并 統(tǒng) 一 切 根, 進(jìn) 而 通 過 運 輸 平 臺 實 現(xiàn) 蔬 菜 輸 送; 但 不 適 用 于 生 菜 采 收。 本 文 在 基 于 江 蘇 大 學(xué) 植 物 工 廠 的 基 礎(chǔ) 上, 針 對 種 植 于 栽 培 板 上 的 營 養(yǎng) 液 水 培 生 菜, 利 用TA.XTplus 質(zhì) 構(gòu) 儀 對 生 菜 進(jìn) 行 了 力 學(xué) 特 性 測 試, 進(jìn) 而 根 據(jù) 力 學(xué) 特 性 參 數(shù) 對 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 進(jìn) 行 設(shè) 計, 適 用 于 江 蘇 大 學(xué) 植 物 工 廠 生 菜 自 動 化 采 收 系 統(tǒng), 實 現(xiàn) 了 高 效 采 收 作 業(yè)。 1 生 菜 力 學(xué) 特 性 測 試 收 稿 日 期:2017-05-16 基 金 項 目: “ 十 二 五” 國 家 科 技 支 撐 計 劃 項 目(2014BAD08B03) 作 者 簡 介: 徐 賽 超(1990-), 男, 江 蘇 啟 東 人, 碩 士 研 究 生,(E-mail) xsc995805864163.com。 通 訊 作 者: 毛 罕 平(1961-), 男, 浙 江 寧 波 人, 教 授, 博 士 生 導(dǎo) 師,(E- mail)maohpujs.edu.cn。 1.1 試 驗 材 料 測 試 時 間 為2016 年10-12 月, 測 試 地 點 為 江 蘇 大 學(xué) 農(nóng) 業(yè) 裝 備 工 程 學(xué) 院 重 點 實 驗 室; 測 試 材 料 為 農(nóng) 業(yè) 裝 備 工 程 學(xué) 院 自 行 種 植 的 成 熟 期 營 養(yǎng) 液 水 培 生 菜。 測 試 儀 器 包 括:TA.XTPlus 質(zhì) 構(gòu) 儀(SMS 公 司, 英 國);UPM0-150mm 電 子 數(shù) 顯 游 標(biāo) 卡 尺( 深 圳 市 聯(lián) 思 精 密 機 器 有 限 公 司, 精 度0.01mm);LQ-1000g 電 子 稱 ( 樂 祺 電 子 衡 器 有 限 公 司, 精 度0.01g)。 1.2 試 驗 方 法 1) 生 菜 的 物 理 特 性。 采 收 帶 有 根 莖 的 生 菜 共60 顆, 在 之 后 的12h 內(nèi) 完 成 測 試, 確 保 測 試 數(shù) 據(jù) 準(zhǔn) 確。 使 用 數(shù) 顯 電 子 稱 測 量 生 菜 的 整 體 質(zhì) 量, 用 游 標(biāo) 卡 尺 丈 量 生 菜 莖 部 直 徑。 2) 生 菜 的 抗 壓 力- 位 移 特 性。 選 取 供 試 生 菜 樣 本 為60 顆, 于 采 收 后6h 內(nèi) 完 成 試 驗。 由 生 菜 的 物 理 特 性 試 驗 結(jié) 論 可 知: 生 菜 平 均 高 度 約 為200mm,100mm 往 上 部 位 菜 葉 較 松 散, 不 宜 夾 持; 考 慮 到 后 期 設(shè) 計 的 夾 持 器 手 爪 的 寬 度, 試 驗 部 位 不 宜 太 低, 故 需 對 供 試 生 菜 的3 種 不 同 部 位 進(jìn) 行 壓 縮 力- 位 移 特 性 試 驗, 測 試 部 位 分 別 為 生 菜 莖 部 往 上60、80、100mm, 每 個 部 位 供 試 生 菜 樣 本 為20 顆, 分 析 生 菜 最 佳 夾 持 部 位。 質(zhì) 構(gòu) 儀 工 在 作 時 選 擇 壓 縮 模 式, 測 試 前 后 探 頭 運 行 速 率 都 是5.0mm/s, 測 試 速 度 為2.0mm/s, 應(yīng) 變 量(Strain) 設(shè) 置 為70%, 探 頭 選 擇P100 壓 縮 探 頭, 其 余 參 數(shù) 選 擇 默 認(rèn) 值。 抗 壓 力- 位 移 特 性 試 驗 裝 置 如 圖1 所 示。 3) 生 菜 莖 部 的 滑 動 剪 切 特 性。 測 試 儀 器 和 試 驗 前 準(zhǔn) 備 同 生 菜 的 抗 壓 力- 位 移 特 性 試 驗, 如 圖2 所 示。 質(zhì) 構(gòu) 儀 在 工 作 時, 選 擇 拉 伸 模 式, 測 試 前 后 探 頭 運 行 · 2 7 1 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 速 率 都 是2.0mm/s, 測 試 速 度 分 別 為1.0,1.5,2.0mm/ s, 應(yīng) 變 量 選 擇 距 離 模 式, 數(shù) 值 為25mm; 在 加 載 速 率 均 為1mm/s 的 情 況 下, 選 取 刀 片 與 水 平 方 向 所 呈 角 度 分 別 為0°、5°、10° 的 情 況 下 進(jìn) 行 滑 動 剪 切 試 驗; 其 余 參 數(shù) 選 擇 默 認(rèn) 值。 相 應(yīng) 雙 面 剪 切 計 算 公 式 為 8 = F max 2 A (1) 式 中 生 菜 莖 部 剪 切 時 的 極 限 應(yīng) 力(MPa);F max 生 菜 莖 部 剪 切 力 峰 值(N);A 生 菜 莖 部 的 橫 截 面 面 積(mm 2 )。 圖1 抗 壓 力- 位 移 特 性 試 驗 裝 置 Fig.1 Compressionforce displacementtestmachine 1. 剪 切 探 頭 2. 生 菜 根 莖 3. 剪 切 支 撐 座 圖2 滑 動 剪 切 特 性 試 驗 裝 置 Fig.2 Slidingsheartestmachine 1.3 試 驗 結(jié) 果 與 分 析 1) 生 菜 的 物 理 特 性。 根 據(jù) 測 量 結(jié) 果 顯 示: 生 菜 莖 部 均 徑 為14.8423.18mm, 生 菜 高 度 為190.54 205.22mm, 生 菜 質(zhì) 量 為681.55712.32g。 如 表1 所 示: 生 菜 莖 部 均 徑 為19.42mm, 平 均 高 度 為198.41mm, 平 均 質(zhì) 量 為697.86mm, 且 均 符 合 正 態(tài) 分 布 規(guī) 律, 置 信 水 平 在95% 以 上。 2) 生 菜 的 抗 壓 力- 位 移 特 性。 在 相 同 速 率 下, 當(dāng) 加 載 位 置 為 生 菜 莖 部 往 上60100mm 變 化 時, 在 壓 縮 曲 線 初 始 階 段, 生 菜 所 受 的 壓 力 與 變 形 量 成 正 比, 曲 線 為 直 線 上 升, 生 菜 表 現(xiàn) 出 壓 實 硬 化 特 性; 隨 后 壓 縮 曲 線 出 現(xiàn) 波 動, 并 在 某 個 位 移 處 出 現(xiàn) 一 個 明 顯 的 折 彎, 同 時 生 菜 被 壓 縮 處 發(fā) 出 破 裂 的 聲 響, 由 于 菜 葉 組 織 表 皮 及 其 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 生 塑 性 破 壞 所 致, 所 受 的 壓 力 超 過 了 生 物 屈 服 點, 生 菜 葉 片 發(fā) 生 局 部 破 裂。 表1 生 菜 物 理 特 性 參 數(shù) Table1 Physicalparameteroflettuce 參 數(shù) 莖 部 直 徑 /mm 生 菜 高 度 /mm 生 菜 質(zhì) 量 /g 置 信 區(qū) 間 14.8423.18 190.54205.22 681.55712.32 均 值 19.42 198.41 697.86 中 值 18.63 197.91 698.14 極 小 值 14.48 189.96 680.93 極 大 值 23.72 205.83 712.87 方 差 2.56 7.84 34.34 標(biāo) 準(zhǔn) 差 1.60 2.80 5.86對60 個 樣 本 進(jìn) 行 試 驗 統(tǒng) 計 得 出 不 同 位 置 下 的 抗 壓 力 峰 值 與 其 相 對 應(yīng) 的 位 移 量, 求 得 參 數(shù) 的 平 均 值 如 表2 所 示。 隨 著 壓 縮 位 置 由 生 菜 莖 部 往 上60、80、 100mm 處 的 不 斷 上 移, 生 菜 越 蓬 松, 葉 片 間 的 距 離 變 大; 生 菜 所 能 承 受 的 壓 縮 力 和 壓 縮 位 移 均 相 應(yīng) 增 大, 即 生 菜 抗 壓 能 力 隨 著 壓 縮 位 置 的 上 升 而 增 大, 在60、80、 100mm 處 生 菜 的 抗 壓 力 峰 值 分 別 為19.851、21.368、 34.143N。 3) 生 菜 莖 部 的 滑 動 剪 切 特 性。30 個 測 試 樣 本 為 一 組,在 剪 切 過 程 中 先 后 出 現(xiàn)3 個 不 同 階 段: 一 開 始 生 菜 莖 部 所 受 的 剪 切 力 與 位 移 量 呈 近 似 線 性 關(guān) 系, 此 為 彈 性 變 形 階 段; 隨 后 曲 線 開 始 出 現(xiàn) 鋸 齒 形 波 動, 此 為 第2 階 段, 這 個 階 段 下 生 菜 莖 部 的 表 面 組 織 被 逐 漸 破 壞; 隨 著 生 菜 莖 部 深 層 組 織 進(jìn) 一 步 被 破 壞, 曲 線 呈 鋸 齒 形 上 升 趨 勢; 最 后 曲 線 呈 現(xiàn) 懸 崖 式 回 落, 此 為 第3 階 段, 在 這 個 階 段 中 生 菜 莖 部 深 層 組 織 被 徹 底 破 壞, 無 法 再 抵 抗 剪 切 力 的 作 用, 曲 線 上 表 現(xiàn) 為 隨 著 位 移 量 的 增 加 剪 切 力 不 斷 降 低。 · 3 7 1 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 表2 生 菜 抗 壓 力- 位 移 特 性 參 數(shù) Table2 Compressionforce-displacementparametersoflettuce 離 莖 部 位 置 /mm 抗 壓 力 峰 值 /N 對 應(yīng) 壓 縮 量 /mm 60 19.851 40.094 80 21.368 42.853 100 24.143 47.226由 式(1) 計 算 可 得 生 菜 莖 部 極 限 剪 應(yīng) 力, 如 表3 所 示。 當(dāng) 剪 切 速 率 為1、1.5、2mm/s 時, 平 均 最 大 剪 切 力 分 別 為20.253、19.642、18.776N, 剪 切 力 峰 值 和 極 限 剪 應(yīng) 力 隨 著 剪 切 速 度 的 增 加 而 減 小。 當(dāng) 剪 切 角 度 為0°、 5°、10° 時, 平 均 最 大 剪 切 力 分 別 為20.865、20.143、 19.725N。 在 刀 片 安 裝 角 度 不 同 的 情 況 下, 剪 切 角 度 和 剪 切 力 峰 值 呈 負(fù) 相 關(guān), 當(dāng) 刀 片 角 度 增 大, 剪 切 力 峰 值 隨 之 降 低。 表3 生 菜 滑 動 剪 切 力 學(xué) 參 數(shù) Table3 Slidingsheartestingparametersoflettuce 參 數(shù) 平 均 最 大 剪 切 力 /N 極 限 剪 應(yīng) 力 /MPa 1.0 20.253 0.573 速 率/mm·s -1 1.5 19.642 0.556 2.0 18.776 0.531 0 20.865 0.591 角 度/(°) 5 20.143 0.571 10 19.725 0.558 2 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 的 設(shè) 計 2.1 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 原 理 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 采 用 雙 曲 柄 滑 塊 平 移 型 結(jié) 構(gòu), 分 為 夾 持 器 和 剪 切 器 兩 部 分, 分 別 通 過 底 板 與 Z 軸 同 步 帶 直 線 運 動 單 元 上 的 滑 塊 和 固 定 座 相 連 接, 夾 持 器 隨 著 Z 軸 滑 塊 實 現(xiàn) 上 下 移 動, 而 剪 切 器 固 定 于 Z 軸。 由 于 生 菜 為 橢 圓 形 形 狀 且 上 大 下 小, 為 了 在 采 收 作 業(yè) 時 更 容 易 對 生 菜 進(jìn) 行 包 絡(luò) 抓 取, 末 端 執(zhí) 行 器 與 生 菜 接 觸 部 位 的 夾 持 爪 設(shè) 計 成 包 絡(luò) 面 且 內(nèi) 凹 的 形 狀, 且 內(nèi) 部 輪 廓 與 生 菜 輪 廓 相 擬 和。 該 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 的 工 作 原 理 為 電 機 帶 動 中 間 曲 柄, 從 而 帶 動 滑 塊 在 滑 槽 上 實 現(xiàn) 水 平 移 動, 進(jìn) 而 帶 動 夾 持 爪 和 刀 片 實 現(xiàn) 夾 緊 放 松 及 剪 切 動 作, 如 圖3 所 示。 1. 連 桿 2. 滑 塊 3. 曲 柄 4. 夾 持 連 接 桿 5. 夾 持 爪 6. 壓 力 傳 感 器 7. 夾 持 器 底 板 8. 步 進(jìn) 電 機 9. 剪 切 器 底 板 10. 刀 架 11. 刀 片 圖3 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) Fig.3 Mechanicalstructureofendeffector 2.2 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 參 數(shù) 分 析 此 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 的 傳 動 系 統(tǒng) 可 以 簡 化 為 兩 個 組 合 的 偏 置 曲 柄 滑 塊 結(jié) 構(gòu)( 見 圖4), 在 實 際 工 作 過 程 中, 偏 置 曲 柄 滑 塊 結(jié) 構(gòu) 擁 有 一 定 的 急 回 特 性, 在 曲 柄 繞 著 支 點 O A 在 進(jìn) 行 等 速 轉(zhuǎn) 動 的 過 程 中, 滑 塊 空 回 行 程 的 平 均 速 率 相 比 于 工 作 行 程 的 平 均 速 率 有 所 增 加, 即 空 回 行 程 所 需 的 時 間 較 短。 此 機 構(gòu) 能 夠 縮 短 采 收 作 業(yè) 中 無 效 工 作 時 間, 有 效 地 提 高 了 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 工 作 效 率。 圖4 偏 置 曲 柄 滑 塊 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 Fig.4 Mechanicalstructureofoffsetcrankslider 當(dāng) 機 構(gòu) 中 的 曲 柄 從 A 1 點 逆 時 針 轉(zhuǎn) 過 1 角 度 到 A 2 點 時, 滑 塊3 也 相 應(yīng) 地 從 B 1 點 移 動 至 B 2 點; 當(dāng) 曲 柄1 從 A 2 點 繼 續(xù) 逆 時 針 轉(zhuǎn) 過 2 角 度 回 到 A 1 點 時, 滑 塊3 也 隨 之 從 B 2 點 返 回 至 B 1 點。 如 圖4 所 示。 O A A 1 和 · 4 7 1 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 O A A 2 所 夾 的 角 度 是 搖 桿2 在 機 構(gòu) 急 回 行 程 的 過 程 中 曲 柄 繞 支 點 O A 所 轉(zhuǎn) 過 角 度 的 補 角; b 為 偏 距; max 為 最 大 壓 力 角, 出 現(xiàn) 于 曲 柄1 上 的 端 點 A 相 對 于 滑 塊3 在 其 直 線 運 行 軌 跡 B 1 B 2 上 距 離 最 遠(yuǎn) 的 時 刻。 由 于 曲 柄 滑 塊 機 構(gòu) 中 存 在 移 動 副, 故 設(shè) 機 構(gòu) 的 許 用 壓 力 角 取 為 40° 左 右; K 為 滑 塊3 的 行 程 速 度 變 化 系 數(shù), 偏 置 曲 柄 滑 塊 機 構(gòu) 的 該 系 數(shù) 值 較 小; h 為 滑 塊 行 程。 其 中 的 關(guān) 系 可 表 示 為 h = L 1 a +1 ( ) 2 + a -1 ( ) 2 -2 a +1 ( ) a -1 ( )cos (2) a = L 2 / L 1 =arccos L 1 + b L 2 = 1 + sin (3) =arccos b L 2 + L 1 -arccos b L 2 - L 1 (4) = b / L 1 由 生 菜 力 學(xué) 特 性 測 試 結(jié) 論 可 知: 生 菜100mm 處 往 下 適 宜 被 夾 持, 夾 持 爪 寬 度 設(shè) 計 為50mm, 則 設(shè) 定50 100mm 上 下 區(qū) 域 為 夾 持 區(qū) 域。 根 據(jù) 對 生 菜 樣 本 的 測 量 統(tǒng) 計, 可 知 生 菜100mm 處 的 直 徑 約 為100mm 左 右; 又 由 于 夾 持 爪 和 同 側(cè) 滑 塊 的 垂 直 距 離 為30mm, 剪 切 器 的 刀 架 與 同 側(cè) 滑 塊 的 垂 直 距 離 為60mm, 要 保 證 生 菜 能 進(jìn) 入 夾 持 爪 內(nèi) 部 空 間 同 時 根 莖 可 以 被 完 全 剪 切, 則 需 要 保 證 兩 個 滑 塊 之 間 的 距 離 至 少 為160mm, 滑 塊 離 中 心 距 離 至 少 為80mm。 且 栽 培 板 上 每 顆 生 菜 之 間 的 距 離 為200mm, 考 慮 到 曲 柄 滑 塊 機 構(gòu) 有 一 定 的 行 程 且 滑 塊 在 采 收 作 業(yè) 時 和 生 菜 離 的 較 遠(yuǎn), 不 會 與 生 菜 相 接 觸。 由 試 驗 可 得: 生 菜 的 最 大 壓 縮 量 為40mm 左 右, 所 以 滑 塊 離 中 心 在6080mm 區(qū) 間 內(nèi) 能 夾 持 住 生 菜。 為 了 保 證 夾 持 器 在 工 作 中 能 夠 有 效 進(jìn) 行 夾 持 且 不 影 響 其 他 生 菜 的 前 提, 設(shè) 定 單 個 曲 柄 滑 塊 機 構(gòu) 的 行 程 為 h=60mm, a=3.3。 在 式(2) 中 取 等 號 解 出, 并 代 入 式(3) 計 算 得 出 arccos asin -1 a +1 -arccos asin -1 a -1 - =0 (5) 將 =40°, a=3.3 代 入 式(5) 解 出 =14.061° 將 =14.061° 分 別 代 入 式(2) 和 式(3), 解 出 L 1 = 27.997mm, =1.1212; 則 L 2 =92.390mm, b=31.390 mm。 3 自 動 采 收 性 能 試 驗 3.1 試 驗 方 法 采 收 成 功 率 是 衡 量 植 物 工 廠 生 菜 自 動 化 采 收 系 統(tǒng) 和 所 設(shè) 計 的 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 可 靠 性 能 的 重 要 指 標(biāo), 而 采 收 效 率 與 采 收 成 功 率 相 互 制 約。 因 此, 需 對 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 自 動 采 收 性 能 試 驗, 從 而 評 估 其 作 業(yè) 性 能, 為 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 和 改 進(jìn) 提 供 參 考。 將 所 設(shè) 計 的 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 裝 配 于 課 題 組 研 制 的 江 蘇 大 學(xué) 植 物 工 廠 生 菜 自 動 化 采 收 系 統(tǒng), 分 別 在 系 統(tǒng) 采 收 效 率 為15、20、30 塊/h 下 進(jìn) 行 生 菜 自 動 采 收 性 能 試 驗, 一 個 采 收 周 期 即 為 采 收 一 塊 栽 培 板 上9 顆 生 菜, 每 組 試 驗4 個 周 期, 共36 顆 生 菜。 試 驗 裝 置 如 圖5 所 示。 圖5 采 收 試 驗 裝 置 示 意 圖 Fig.3 Devicediagramofharvestingtest 用 來 評 價 生 菜 自 動 采 收 系 統(tǒng) 性 能 的 重 要 指 標(biāo) 為 采 收 成 功 率, 用 S 表 示, 定 義 為 S = N 1 N ×100 % (6) 其 中, N 為 生 菜 總 數(shù); N 1 為 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 成 功 采 收 的 生 菜 個 數(shù)。 3.2 試 驗 結(jié) 果 與 分 析 試 驗 結(jié) 果 如 表4 所 示。 表4 采 收 試 驗 結(jié) 果 Table4 Harvestingtestresults 作 業(yè) 效 率 / 塊·h -1 采 收 作 業(yè) 情 況 成 功/ 顆 失 敗/ 顆 采 收 成 功 率 /% 15 34 2 94.4 20 33 3 91.6 30 30 6 83.3在 系 統(tǒng) 采 收 效 率 為15、20 塊/h, 系 統(tǒng) 采 收 成 功 率 分 別 為94.4%、91.6%, 采 收 成 功 率 較 高, 滿 足 采 收 作 業(yè) 要 求。 當(dāng) 采 收 效 率 增 大 至30 塊/h 時, 采 收 成 功 率 大 幅 度 下 降 至83.3%, 并 出 現(xiàn) 采 收 過 程 中 生 菜 脫 落 現(xiàn) 象。 這 是 由 于 同 步 帶 直 線 運 動 單 元 屬 于 柔 性 驅(qū) 動 系 統(tǒng), 在 · 5 7 1 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 高 速 運 行 時, 由 于 X Y Z 直 角 三 坐 標(biāo) 運 動 機 構(gòu) 的 慣 性 所 引 起 的 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 產(chǎn) 生 振 動, 表 現(xiàn) 為 夾 持 器 在 采 收 作 業(yè) 中 出 現(xiàn) 夾 不 穩(wěn) 固 的 現(xiàn) 象, 導(dǎo) 致 生 菜 在 未 到 達(dá) 收 集 箱 位 置 就 提 前 脫 落, 使 得 采 收 作 業(yè) 失 敗, 采 收 效 率 和 采 收 成 功 率 呈 負(fù) 相 關(guān), 采 收 最 優(yōu) 速 率 在1520 塊/h 之 間。 4 結(jié) 論 1) 對 營 養(yǎng) 液 水 培 生 菜 進(jìn) 行 力 學(xué) 特 性 測 試, 分 別 測 試 了 生 菜 的 物 理 特 性、 抗 壓 力- 位 移 特 性 和 生 菜 莖 部 的 滑 動 剪 切 特 性。 結(jié) 合 測 試 結(jié) 果 進(jìn) 行 了 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 的 設(shè) 計, 適 用 于 江 蘇 大 學(xué) 植 物 工 廠 生 菜 自 動 化 采 收 系 統(tǒng), 可 實 現(xiàn) 自 動 化 生 菜 采 收 作 業(yè), 節(jié) 省 人 力, 有 利 于 植 物 工 廠 的 推 廣 和 發(fā) 展。 2) 將 所 設(shè) 計 的 末 端 執(zhí) 行 機 構(gòu) 裝 配 于 課 題 組 研 制 的 植 物 工 廠 生 菜 自 動 化 采 收 系 統(tǒng), 并 在 采 收 效 率 分 別 為15、20、30 塊/h 下 進(jìn) 行 了 自 動 采 收 性 能 試 驗, 結(jié) 果 表 明: 采 收 成 功 率 分 別 為94.4%、91.6% 及83.3%; 采 收 效 率 和 采 收 成 功 率 呈 負(fù) 相 關(guān), 為 保 證 采 收 效 率, 采 收 最 優(yōu) 效 率 應(yīng) 控 制 在1520 塊/h 之 間。 參 考 文 獻(xiàn): 1 辜 松. 我 國 設(shè) 施 園 藝 智 能 化 生 產(chǎn) 裝 備 發(fā) 展 現(xiàn) 狀J. 農(nóng) 業(yè) 工 程 技 術(shù)· 溫 室 園 藝,2015(10):46-50. 2 鄭 盛 華, 覃 志 豪, 王 志 丹. 我 國 現(xiàn) 代 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 趨 勢 及 關(guān) 鍵 技 術(shù)J. 農(nóng) 業(yè) 經(jīng) 濟,2015(4):62-63. 3 毛 罕 平. 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 的 現(xiàn) 狀 與 發(fā) 展J. 農(nóng) 業(yè) 裝 備 技 術(shù), 2007,33(5):4-9. 4 張 俊 雄, 何 芬. 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 采 摘 機 器 人 研 究 進(jìn) 展J. 農(nóng) 業(yè) 工 程 技 術(shù): 溫 室 園 藝,2015(25):31-35. 5 張 軼 婷, 劉 厚 誠. 日 本 植 物 工 廠 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 及 生 產(chǎn) 實 例 J. 農(nóng) 業(yè) 工 程 技 術(shù): 溫 室 園 藝,2016,36(13):29-33. 6 高 國 華, 王 天 寶. 溫 室 霧 培 蔬 菜 收 獲 機 收 獲 機 構(gòu) 的 研 究 設(shè) 計J. 農(nóng) 機 化 研 究,2015,37(10):91-97. 7 高 國 華, 王 天 寶, 周 增 產(chǎn), 等. 設(shè) 施 蔬 菜 收 獲 切 割 影 響 因 素 優(yōu) 化 試 驗J. 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報,2015,31(19):15-21. 8 劉 鴻 文. 材 料 力 學(xué)M.5 版. 北 京: 高 等 教 育 學(xué) 院 出 版 社, 2011. D e s i g n a n d T e s t o f E n d E f f e c t o r f o r L e t t u c e H a r v e s t i n P l a n t F a c t o r y XuSaichao,MaoHanping,LiuYang,XingGaoyong (KeyLaboratoryofModernAgricultureEquipmentandTechnology,MinistryofEducation,JiangsuUniversity,Zhenjiang 212013,China) A b s t r a c t:LessharvestingdeviceforleafyvegetablesofplantfactoryanddegreeofautomationisnothighbothinChina andabroad,especiallyfornutrientsolutionlettuce.Tosolvetheseproblems,anendeffectorwhichissuitableforautoma- tedharvestingsystemoflettuceinplantfactoryisdesigned.MechanicalpropertiesoflettucearetestedbyTA.XTplus TextureAnalyzer,thenendeffectorisdesignedaccordingtotheresultsofmechanicalparameters.Theendeffectorisin- stalledontheautomaticharvestsystemforlettuceinplantfactorywhichisdesignedbytaskteam,andtheautomatichar- vestperformancetestiscarriedoutindifferentharvestefficiencies(15pieces/h,20pieces/h,and30pieces/h)andthe harvestsuccessratesare94.4%,91.6% and83.3% respectively. Theharvestresultsaregoodandmeettheharvest needs.Atthesametime,theoptimalrecoveryefficiencyintervalispredictedaccordingtothetestresults. K e y w o r d s:plantfactory;mechanicalpropertiestestoflettuce;endeffector;automaticharvestperformancetest · 6 7 1 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期</p>
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