【智慧农业】Smart Agricultural Technology:石河子大学 & 海南大学合作 DEM‑MBD 耦合仿真优化火龙果采摘低损伤末端执行器

1. 背景介绍

2. 摘要

本研究以 “紫龙蜜” 火龙果茎为对象，开展以下工作：

1. 设计V 型旋转切割末端执行器，实现夹持‑旋转切割‑收集一体化作业，降低果实与茎秆损伤。
2. 实测标定火龙果茎本征参数（密度、泊松比、弹性模量）与接触参数（恢复系数、静 / 滚动摩擦系数），建立双层 DEM 柔性茎秆模型。
3. 揭示 Fe、Cu、Mn 类成灰元素（类比）不适用，本研究核心为茎秆力学参数对切割力、伤口长度的关键影响。
4. 经 Box–Behnken 试验优化，得到最优作业参数，脱木素率类比为低损伤率从常规水平提升至更优水平，切割伤口长度显著降低。
5. 仿真与试验平均相对误差仅9.73%，模型可靠，为热带果蔬采摘装备设计提供新方法。

3. 核心内容

图2. 收获末端执行器的整体结构：1. 电机，2. 连接器，3. 导螺杆机构，4. 连杆机构，5. 收集斗，6. 切割刀片。

图3. 末端执行器的运动学与力结构示意图。

图4. 火龙果茎木质化部分与多肉部分的拉伸试验。(a) 木质化部分的拉伸试验，(b) 多肉部分的拉伸试验。

图5. 火龙果茎的剪切试验。(a) 物理剪切试验，(b) 模拟剪切试验。

4. 总结与展望

本研究明确火龙果茎双层力学结构是影响低损伤采摘的核心因素，通过 DEM–MBD 耦合仿真与参数标定，解决了采摘机器人末端执行器设计依赖经验、损伤难控制的问题。最优作业条件下，末端执行器切割伤口更小、受力更平稳，较人工显著提升作业一致性。

未来可重点：

1. 集成视觉定位与末端执行器，适应果园复杂环境；
2. 开发辅助夹持机构，稳定柔性枝条，提升切割精度；
3. 将仿真模型扩展至芒果、木瓜、柑橘等热带果蔬采摘装备研发；
4. 推进轻量化、低成本化设计，加速火龙果自动化采摘产业化落地。

内容信息

封面：文章插图

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