[发明专利]一种果穗振动脱落仿真模型及其构建方法

说明书

本发明公开了一种果穗振动脱落仿真模型及其构建方法，涉及农业装备和仿真分析领域。通过激光扫描和实体建模相结合获得果穗系统实体模型，由挠性杆表征主穗轴，由I级刚性杆表征分枝穗轴、由II级刚性杆表征果柄、由质量球表征各个果粒。根据大样本的物理和力学特性试验获得并添加挠性杆、质量球和实体连接的正态分布规律，进而添加摘取和移送阶段的不同主穗轴约束和激励口，建立果穗振动脱落仿真模型。有效反映了大个体差异性下的果穗特性，实现了果穗复杂系统的激励传递和果粒摆动、脱落的仿真分析，为机器人结构优化和控制优化提供依据。

技术领域

本发明涉及农业装备和仿真分析领域，特别涉及一种果穗振动脱落仿真模型及其构建方法。

背景技术

在果实的振动式机械化采收或机器人采收中，果实的振动脱落问题一直是影响采收性能的关键。而在现有研究中，国内外以振动落果式收获为目标，建立了单果的各类果-梗力学模型和振动激励的传递公式。

基于夹持的可实施性，现有葡萄、荔枝等成串果实的机器人收获大多采用“穗轴夹剪”方式。但是在机器人采摘作业时，快速的摘取与移送动作均可能引起悬挂果穗的振荡进而导致果粒的脱落，果粒的振动脱落成为严重影响其机器人采摘成功率与效率的主要障碍。对果穗的振动特性研究是解决快速采摘中果粒防脱落问题的基础和关键。但是，由于机械化振动采收表现为通过树干或枝干部位的主动激励的传递，使树上果实的连接失效掉落；而果穗的机器人采摘则表现为在果穗的主穗轴部位施加切割，进而夹持输送至果箱过程的振动掉落问题，因而现有针对机械化振动采收的单果的果-梗力学和仿真模型难以满足机器人防落果采摘的需要。

本发明的创造性劳动得到国家自然科学基金项目资助，项目名称为“夹剪式采摘成串果实的激振特性与防振动脱落研究”，基金号为51475212。

发明内容

本发明的目的在于提供一种果穗振动脱落仿真模型及其构建方法，实现果穗在各类激励下的果粒振动脱落仿真，以满足果穗的振动特性和防振动脱落采摘研究的需要。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种果穗振动脱落仿真模型，其特征在于：包括刚柔复合梗系统实体模型与质量球(m_i)、实体连接、主穗轴约束和激励口(11)。

所述刚柔复合梗系统实体模型由1个挠性杆(12)和若干个I级刚性杆(8)、若干个II级刚性杆(6)组成；用挠性杆(12)表征主穗轴(4)、I级刚性杆(8)表征分枝穗轴(3)、II级刚性杆(6)表征果柄(2)、质量球(m_i)表征各个果粒(1)；

i＝1，…，n；

所述实体连接包括I级粘弹铰链(13)、II级粘弹铰链(7)和固定连接(14)；若干个I级刚性杆(8)均分别经过I级粘弹铰链(13)与挠性杆(12)连接，若干个II级刚性杆(6)均分别经过II级粘弹铰链(7)与I级刚性杆(8)连接，每个质量球(m_i)经固定连接(14)与II级刚性杆(6)连接。

所述的一种果穗振动脱落仿真模型，其特征在于：所述果穗为成串生长的浆果中的任一种。

所述的一种果穗振动脱落仿真模型的构建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，对果穗摘除果粒(1)，统计果粒(1)的数量n、I级粘弹铰链(13)的数量k、II级粘弹铰链(7)的数量c；

步骤二，对摘除果粒(1)后的梗系统进行3维激光扫描，获得梗系统的3维实体模型并导入实体仿真软件；

步骤三，将所述梗系统的3维刚性实体模型中分解出主穗轴(4)的实体、分枝穗轴(3)的实体和果柄(2)的实体，将分枝穗轴(3)的实体进行刚度定义成为I级刚性杆(8)、将果柄(2)的实体进行刚度定义成为II级刚性杆(6)；