果蔬快速采摘的夹持碰撞模型与损伤机理研究

拟以夹持控制－夹持碰撞过程－果实损伤相结合，首次对机器人快速采摘的手爪与果实非弹性碰撞动力学模型和果蔬碰伤发生机理展开研究。利用采摘机器人手爪系统进行快速夹持碰伤实验，获得不同控制模式/参数下果实的力－时间、力－变形和峰值碰撞力－碰伤关系；通过对碰撞淤伤部位的显微解剖与图像处理，将碰伤发生的宏观外部条件和内部细观结构的损伤形成相结合揭示快速夹持下果实的碰伤机理，并将反映局部碰伤敏感性的细观力学模型耦合于宏观力学模型内建立果实的非线性粘弹塑性本构模型；在其与手爪机电系统动力学模型基础上，通过实验拟合修正建立手爪－果实的非弹性碰撞动力学模型；最后利用该模型得到采摘机器人快速柔顺夹持的手爪优化控制模式和参数。本研究填补了果蔬宏观力学特性－碰伤敏感性－果实细观结构之间的鸿沟，并实现了对现有弹性接触碰撞理论的突破，为快速柔顺夹持提供了依据。

低速下的柔顺夹持控制模式无法满足果蔬的机器人快速采摘作业需要，本项目旨在揭示有动力源手爪系统对黏弹塑性果实的有约束夹持碰撞与损伤机制，进而提出果实快速柔顺夹持和采摘的控制参数与策略。项目遵从“果实宏微观力学特性与建模→快速夹持碰撞仿真→实验→损伤机理与概率→柔顺夹持和采摘控制优化”的技术路线，开展了系统深入的研究。. 首先创立了若干关键指标的测定与分析方法，系统完成了番茄整果与不同组织、果梗的力学特性实验，建立了果实黏弹塑性本构模型；以此为基础，构建了番茄果实非线性多组元有限元模型，通过虚拟样机—有限元模型结合的果实静态夹持和快速夹持碰撞仿真，探明了夹持作用下的整果和各组织应力分布；进而通过实验发现了快速夹持碰撞过程中夹持力的碰撞、回弹、应力松弛三阶段变化规律，得到了碰撞峰值力、峰值变形与输入电流、夹持速度、夹持位置等因素的关系。. 提出了番茄果实轮式简化承载结构并进行了果实、果梗超微结构观测和细胞壁力学性能测定分析，有效解释了番茄果实力学特性的各向异性、随成熟度的变化以及不同加载位置的差异；根据已有果实损伤生物学理论，提出番茄果实夹持损伤的多生理变化及其生物学机理，进而确定以货架期作为其夹持内部损伤评价指标；根据实验，建立了番茄力学特性和夹持作业指标与机械损伤的关系，得到了不同条件下果实夹持损伤的概率曲线，打通了夹持作业—果实特性—果实损伤评价—果实损伤概率之间的联系，为实现柔顺采摘控制提供了基础；. 进行了机器人采摘无工具式分离方式和果梗非接触激光切割技术的分析与实验研究，实现了果梗分离方式的优化；提出了被动柔顺结构和主动柔顺控制结合的果实柔顺采摘装备与方法，并将内部损伤的概率模型和快速夹持碰撞的速度-峰值力和碰撞时间规律相结合，得到了保证稳定可靠和高概率柔顺夹持的手指控制参数；进而实现了末端执行器夹持-真空吸持和手-臂协调的节能高效柔顺采摘控制；开展了机械手避障路径规划的初步研究，为实现实际作业条件下的果实高效机器人采摘提供了支持。. 本研究的开展，对于揭示有动力源机电系统对黏弹塑性类对象的夹持碰撞损伤机理和实现果实的快速机器人柔顺收获打下了坚实的基础。项目共发表学术论文14篇，其中SCI收录6篇，EI收录与EI源5篇；授权发明专利6项，申请发明专利6项；培养博士2名，硕士3名；参加国际会议4次，圆满完成了项目的研究与成果任务。