具有变胞功能的坚果剥壳机械手约束构型与接触力规划

Nuts are the important economic forest tree species of China. De-shell is the key operation of nut deep processing. There are some problems in the current nut cracking device, e.g. the low decorticating rate, the high nuts losses rate and nutmeat integrity problems etc.. The foundation of force analysis is to establish contact model for nut and mechanical. The nut surface is rough and irregular, so the contact area cannot be modeled as regular shape. How to set up contact constraint model is the key problem to accomplish non-loss shelling..A multi-fingered metamorphic manipulator with variable topology is presented. The metamorphic manipulator can apply to different kinds of nuts shells. Nut shell surface topography model is established. A formal description of non-regular nuts contact interface is present. A new contact constraint model for multi-finger manipulator and nuts is studied. The cracking load and the broken shell displacement of various typical nuts are deduced. The loading positions of broken shell and force application mode which can reduce the broken rate of nutmeat are discussed. The reconfigurable mechanism of metamorphic mechanism is present. The structural configuration and design method of metamorphic manipulator are studied. The metamorphic equations based on constraint function are established. The configuration transformations of metamorphic mechanism are discussed. The theoretical research on cracking mechanism, cracking method and precision crushing force planning are studied, which can be used to guide the shell machine design.

坚果是中国重要的经济林树种，壳仁分离是坚果精深加工的关键环节，目前普遍存在剥壳率低、损失率高、果仁完整性差等问题。建立准确的果壳与剥壳机械接触模型是破壳力分析的基础。树坚果果壳表面粗糙、外形不规则，接触区域不能抽象为规则的几何形状，如何建立面接触约束模型是实现无损伤壳仁分离的关键问题。.本项目提出一种拓扑可变的变胞多指剥壳机械手，可适用于不同种类坚果的剥壳要求。建立果壳表面形貌模型，研究非规则坚果接触界面的形式化描述方法，提出多指机械手-坚果接触约束建模新理论。推导各种坚果的破壳载荷和破壳位移，探讨可减少果仁破碎率的破壳加载位置和施力方式。研究变胞机构的可重构机理和系统构成机制，探索变胞机械手的结构构型及设计方法，建立基于约束函数的机构变胞方程，分析变胞机构构态变换。研究破壳力规划、接触约束建模与分析的理论和实现方法，为树坚果精深加工过程的壳仁分离提供理论基础和关键技术。

本项目针对坚果类农业物料中的稳定夹持与灵巧操作问题，在多学科前沿领域和交叉领域开展研究，项目的研究基础涵盖机构构型、力学、接触动力学、运动学、控制理论等多学科领域，项目的研究成果涉及不规则农业物料夹持装置的构型方法、破壳机理、稳定抓取破壳系统的驱动与控制的基本问题。由于农业物料每个样本具有几何不一致性，形貌具有不规则性，难以建立完全精确的接触模型。本项目针对坚果类农业物料的接触稳定性、抓取顺应性机理进行研究，在摩擦面接触约束条件下的顺应行为建模方面有所创新。.本项目在分析不同种类树坚果果壳的外形特性和力学特性的基础上，研究一种新的具有拓扑可变的变胞多指机械手，探讨抓取操作中的复杂界面接触约束建模问题，从而建立精确的系统接触约束模型。研究机械手系统受到动态外载作用下的顺应响应过程，分析坚果个体形貌不一致时的夹持稳定性问题。针对机械手抓取顺应性分析的约束表达与求解方法，研究了接触约束微变子空间特征及约束子空间代数结构，分析了坚果类农业物料抓取的接触约束特点，建立了可变形面接触约束模型和接触刚度的估计方法。分析了接触变形与多关节手指末端位移的几何非线性关系，建立了接触变形与多关节机械手刚体动力学复合模型，实现了接触力分配优化求解。揭示坚果类农业物料夹持操作的稳定性和顺应性机理，建立夹持系统分析与综合方法。.项目的研究内容主要包括：不同种类树坚果的机械物理参数测试和壳体建模；机械手手指局部接触力的建模与分析；机械手整体抓取规划和接触力学特性研究；变胞机械手的设计与实验。.项目成果为树坚果精深加工过程的壳仁分离提供理论基础和关键技术，可为农产品精深加工自动化提供技术支撑，丰富食品加工机械学科内涵。变胞多指机械手的接触力规划和控制问题也是工业流水线中易损伤工件夹持、包装机械设计中的共性基础问题，本项目提出的理论方法必将有助于上述领域有关问题的理解及解决，具有一定的学术价值。