基于果梗黏弹特性的夹—剪耦合动力学仿真与分析

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本文针对果蔬采摘机器人的果梗夹剪一体式作业方式,从黄瓜果梗的黏弹力学特性出发,采用虚拟样机和有限元相结合的仿真分析方法,对末端执行器夹剪动力过程进行了深入研究,探讨了指端弹簧的刚度和夹剪速度对采摘效果的影响,主要的研究工作如下:  (1)研究了碧玉2号和MK160两种黄瓜果梗的压缩和剪切力学特性,分别进行了其蠕变、应力松弛、连续加载试验,进而建立了果梗的压缩和剪切黏弹性数学模型,结果表明,MK160黄瓜果梗与碧玉2号黄瓜果梗相比,瞬时弹性系数和延迟弹性系数较高,说明MK160黄瓜果梗抵抗变形的能力较强。  (2)利用Pro/E软件建立了夹剪一体式末端执行器虚拟样机,利用ANSYS软件建立了果梗的黏弹有限元模型。通过Pro/E、ADAMS、ANSYS之间的结合,建立了果梗夹持的虚拟样机-有限元仿真系统,对果梗夹持的加载-运动-变形过程进行了研究。结果表明,手指与果梗间的碰撞力随着弹簧刚度和手指速度的增大而增大。  (3)在黄瓜果梗Maxwell和Burgers黏弹本构模型的基础上,分别建立了用弹簧-阻尼器元件表征的果梗夹持和剪切模型,比较了仿真曲线和试验曲线之间的差异;建立了由虚拟样机和夹剪模型组成的果梗夹剪耦合仿真系统,验证了仿真系统的精度。结果表明,弹簧刚度的软硬以及夹剪速度的快慢对于采摘成功率和采摘效率的影响很大,在弹簧刚度为2.4N/mm时,手指速度小于2.8mm/s采摘成功率较高。  本文从果梗的黏弹特性出发,通过虚拟样机与有限元结合仿真,对夹剪耦合作用的效应与规律进行了分析,研究具有理论意义,并为推动采摘机器人的快速无损作业提供了重要的参考。  
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