基于多领域统一仿真的采摘机构与生物水果耦合机理

水果无损机械采摘的关键是理清生物对象与机构之间的耦合机理，建立机构采摘进程中对生物对象动态力学行为的智能感知并实施自适应控制。本项目拟就夹持、回收作业所涉及的力学特性，探讨生物水果与机构交互过程中生物宏观组织结构与载荷之间的动态耦合关系以及多领域统一数学描述方法，达到优化机构、精确控制载荷并实施无损采摘之目的。以不同生物介质接触分层非线性模型为基础、以粘弹性体接触力学理论结合有限元分析技术，从生物宏观组织层面深入研究机构与果梗和果串的接触变形特性及果串的蠕变特性，揭示分层接触界面互馈机理，探讨机构施加载荷对生物体的损伤规律，建立生物损伤特性与机构及施加载荷的关联数学模型。借助Modelica多领域统一建模语言，仿真研究多领域物理要素与结构、控制、损伤之间的约束映射关系。揭示机构结构设计和控制参数与生物对象友好机械性能影响规律，为水果无损采摘及产后深加工装备开发提供共性理论基础和设计支持。

农业采摘机械的研究在我国得到了高度重视，与收获作业相关的智能化无损采摘机械取代人工实施采摘作业是农业收获作业的必然发展趋势。智能化无损机械采摘的关键是理清生物对象与机构之间的耦合机理，建立机构采摘进程中对生物对象动态力学行为的智能感知并实施自适应控制。同时多领域建模与仿真语言Modelica在工业机器人领域得到广泛应用，但对涉及生物柔性特征的农业采摘机械手方面的应用还未曾报道。本项目针对水果采摘过程中夹持、回收作业所涉及的力学特性，首次提出对生物水果与机构交互过程中生物宏观组织结构与载荷之间的动态耦合关系进行深入探讨并利用多领域统一建模和仿真方法进行数学描述，达到优化机构、精确控制载荷并实施无损采摘之目的。首先从生物宏观组织层面深入研究了机构外加载荷作用下果梗和果串接触变形特性及果串的蠕变特性，捕捉生物对象内部组织动态变化情况，理清农业生物组织在外载荷下的变形，揭示分层接触界面互馈机理，探讨机构施加载荷对生物体的损伤规律，建立生物损伤特性与机构及施加载荷的关联数学模型，支持末端执行器控制系统智能感知夹持对象并实施自适应控制。然后，在六自由度机械手平台上，增加自主开发的荔枝采摘末端执行器，搭建了采摘机械手动态行为仿真平台。通过实验平台获取夹持机构与果串之间的友好机械特性，达到即能对果串有效夹持又不对果串造成机械损伤之目的，分析了影响果串夹持效果的主要因素，验证不同夹持因素组合下的夹持效果，获得了夹持因素与夹持效果之间的影响关系。借助Modelica多领域统一建模语言，仿真研究多领域物理要素与结构、控制、损伤之间的约束映射关系，揭示了机构结构设计和控制参数与生物对象友好机械性能之间的影响规律。项目研究成果为生物水果无损采摘及农产品产后深加工装备开发提供了新的理论方法和设计支持。