在我国农业快速步入全面机械化的背景下，果蔬生产作业的机械化仍存在大量空白，而鲜食果蔬的采收更占用高达 40％的劳动力，采摘机器人技术研究具有重要的科学价值和现实意义。本书阐述全球采摘机器人研究的进展与进程，并针对困扰机器人采摘作业中果实损伤与作业效率的关键矛盾，提出机器人快速采摘中的夹持碰撞与快速无损收获问题，进而通过力学特性与互作规律、建模仿真、设计方法、样机开发、控制优化的有机结合，系统开展番茄果实宏微本构特征、无损采摘机器人系统开发、黏弹对象的夹持碰撞规律、快速柔顺夹持建模仿真、真空吸持拉动的植株-果实响应、植物体激光切割、快速无损采摘控制优化等研究，有力地推动机器人采摘技术的进步。
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丛书序
序
前言
第1章 采摘机器人技术发展的历史与现状 1
1.1 鲜食果蔬产业与收获问题 1
1.2 全球采摘机器人装备开发的历程与现状 1
1.2.1 番茄采摘机器人 2
1.2.2 林果采摘机器人 14
1.2.3 蔬果采摘机器人 31
1.2.4 其他果实采摘机器人 51
1.2.5 通用型及其他采摘机器人 58
1.3 综述与展望 69
1.3.1 采摘机器人技术的持续进步 69
1.3.2 采摘机器人技术发展的关键条件 70
1.3.3 采摘机器人技术发展的重点领域 70
1.3.4 采摘机器人技术发展的突破口 71
第2章 机器人采摘中的对象损伤与无损采摘作业问题 72
2.1 机器人采摘中的果实致损原因 72
2.2 机器人采摘中的被动柔顺结构 72
2.2.1 指面弹性材料 73
2.2.2 欠驱动末端执行器 74
2.2.3 手指的弹性介质 76
2.3 机器人采摘中的主动柔顺控制 78
2.4 快速无损采摘问题的提出 80
2.4.1 快速无损采摘的问题特殊性与研究意义 80
2.4.2 机器人-果蔬快速夹持碰撞问题的特殊性 81
2.4.3 快速无损采摘的研究体系 82
第3章 番茄的果-梗物理与力学特性 85
3.1 概述 85
3.1.1 研究意义 85
3.1.2 内容与创新 85
3.2 面向机器人收获的果实-果梗物理/力学特性指标体系 86
3.3 番茄果、梗的物理特性 86
3.3.1 番茄的果、梗结构 86
3.3.2 物理特性 88
3.4 番茄果实的组元力学特性 91
3.4.1 试验材料、仪器与方法 91
3.4.2 试验结果与分析 97
3.5 番茄整果的压缩力学特性 102
3.5.1 挤压力-变形特性 102
3.5.2 蠕变特性 106
3.5.3 应力松弛特性 107
3.5.4 加卸载特性 109
3.6 番茄果实摩擦力学特性 112
3.6.1 静动摩擦系数 112
3.6.2 滚动阻力系数的测定 114
3.7 番茄整果力学结构模型 115
3.7.1 果实轮式简化力学结构 115
3.7.2 不同心室番茄的力学特征 117
3.8 番茄果实的损伤 125
3.8.1 番茄果实的机械损伤机理 125
3.8.2 番茄受压缩后的生理变化 125
3.9 果梗特性 132
3.9.1 梗系统结构 132
3.9.2 果梗力学特性试验 133
3.9.3 试验结果分析 137
第4章 番茄无损采摘手臂系统的设计开发 140
4.1 概述 140
4.1.1 研究意义 140
4.1.2 内容与创新 140
4.2 无损采摘末端执行器设计 140
4.2.1 无损采摘末端执行器的系统方案设计 140
4.2.2 末端执行器机构设计 149
4.2.3 感知系统设计 158
4.2.4 控制系统设计 158
4.2.5 供电系统设计 162
4.2.6 末端执行器结构设计 163
4.2.7 样机及性能指标 164
4.2.8 主被动复合柔顺采摘末端执行器 165
4.3 基于商用机械臂的无损采摘系统 167
4.3.1 商用机械臂与自开发末端执行器融合的背景和需要 167
4.3.2 商用机械臂的控制系统结构 167
4.3.3 机械臂与末端执行器的控制系统集成 169
第5章 果实快速柔顺夹持的数学建模 173
5.1 概述 173
5.1.1 研究意义 173
5.1.2 内容与创新 173
5.2 果实快速夹持试验与特殊碰撞特征 173
5.2.1 果实快速夹持试验 173
5.2.2 快速夹持的碰撞特征 174
5.3 果实快速夹持的特殊碰撞问题 175
5.4 果实快速夹持过程的阶段动力学特征 175
5.5 果实压缩模型 176
5.5.1 果实的黏弹特性与本构模型表征 176
5.5.2 番茄果实蠕变特性表征的 Burger 修正模型 180
5.6 果实快速夹持的复合碰撞模型 185
5.6.1 匀速加载阶段与应力松弛阶段 185
5.6.2 碰撞减速阶段 186
5.7 果实夹持碰撞规律 187
5.7.1 夹持碰撞过程的力变化规律 187
5.7.2 夹持速度与果实成熟度对碰撞时间的影响 188
5.7.3 夹持速度与果实成熟度对碰撞变形的影响 189
5.7.4 夹持速度与果实成熟度对碰撞峰值力的影响 190
5.8 夹持碰撞耗时的理论推算 191
5.8.1 手指夹持过程的构成 191
5.8.2 手指夹持的尺寸关系 192
5.8.3 手指夹持过程的耗时构成 192
5.8.4 柔顺夹持的控制模式选择 193
5.8.5 柔顺夹持的时间计算 193
第6章 果实柔顺夹持的仿真研究 195
6.1 概述 195
6.1.1 研究意义 195
6.1.2 内容与创新 195
6.2 果实有限元模型 195
6.2.1 番茄整果的黏弹性有限元模型 195
6.2.2 番茄果实非线性多组元有限元模型 203
6.3 静态夹持仿真 205
6.3.1 手指-果实接触几何模型 205
6.3.2 建立接触对 206
6.3.3 模型验证方法 206
6.3.4 抓取损伤预测方法 208
6.3.5 不同加载方式的组元应力仿真 209
6.4 采摘夹持过程的动态仿真 223
6.4.1 动态夹持仿真的软件实现 223
6.4.2 末端执行器夹持系统虚拟样机建立 224
6.4.3 末端执行器夹持番茄仿真分析 227
第7章 树上果实吸持拉动的模型分析 230
7.1 概述 230
7.1.1 真空吸持拉动在机器人采摘中的作用 230
7.1.2 树上果实真空吸持拉动问题的研究意义 231
7.1.3 研究内容与创新 232
7.2 真空吸盘吸持力学建模 233
7.2.1 球形果实的真空吸持力学模型 233
7.2.2 真空度对吸持力的影响 235
7.2.3 吸盘直径对吸持力的影响 236
7.2.4 果实表面轮廓对吸持力的影响 237
7.3 真空吸持拉动力学模型 239
7.3.1 树上果实吸持拉动的运动学分析 239
7.3.2 树上果实吸持拉动的静力学分析 240
7.3.3 树上果实吸持拉动的效应分析 243
7.4 树上果实吸持拉动的概率模型 249
7.4.1 果实吸持拉动的夹持干涉率与成功率 249
7.4.2 不同采摘轮次的每穗果实数目比重 250
7.4.3 不同每穗果实数目所需拉动距离及其概率 252
7.4.4 实需拉动距离对夹持干涉率的理论影响 260
7.4.5 吸持拉动距离的确定 261
第8章 机器人作业中果-梗分离方式的比较研究 263
8.1 概述 263
8.1.1 研究意义 263
8.1.2 内容与创新 263
8.2 无工具式分离方式的试验比较 263
8.2.1 无工具式分离方式 263
8.2.2 株上果实的拉断采摘试验 264
8.2.3 株上果实的扭断采摘试验 265
8.2.4 株上果实的折断采摘试验 265
8.2.5 离层强度与分离理论 267
8.3 果梗激光分离的试验探索 270
8.3.1 果梗激光分离方法的提出 270
8.3.2 生物材料的激光切割原理及优势 271
8.3.3 果梗激光分离的特殊性 272
8.3.4 果梗激光穿透与切割试验 273
8.3.5 激光穿透性能及其影响因素 278
8.3.6 果梗激光切割的实现 280
第9章 番茄快速无损采摘试验研究 282
9.1 概述 282
9.1.1 研究意义 282
9.1.2 内容与创新 282
9.2 快速柔顺夹持的参数优化 282
9.2.1 运动控制系统的 PID 参数调整 282
9.2.2 加减速过程中的加速和减速段耗能分析 292
9.2.3 快速柔顺夹持的速度优化 302
9.3 真空吸持拉动的控制优化 306
9.3.1 最大拉动速度与加速段位移的关系 306
9.3.2 动吸持拉力与真空度阈值的关系 310
9.3.3 吸持拉动的位移/位置参数优化 311
9.3.4 动作协调的控制模式优化 314
9.4 手臂协调的快速柔顺采摘控制 317
9.4.1 手臂协调控制模式 317
9.4.2 手臂协调采摘试验 320
参考文献 324
索引 348
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