近日，機(jī)械與電子工程學(xué)院苑進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)在《Computers and Electronics in Agriculture》在線(xiàn)發(fā)表了題為“Development of a novel pull-cutting end-effector for ex-situ robotic harvesting of white asparagus based on MBD-DEM coupling simulation”的研究論文。張萍博士為該論文的第一作者，苑進(jìn)教授為該論文的通訊作者。

蘆筍富含營(yíng)養(yǎng)且具有抗癌保健功效，被譽(yù)為“蔬菜之王”，目前國(guó)際上白蘆筍采收仍以人工作業(yè)為主，成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。白蘆筍是我國(guó)出口額最大的單一蔬菜品種，攻克白蘆筍采收技術(shù)瓶頸，對(duì)提高蘆筍產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力意義重大。

蘆筍生長(zhǎng)在地下，且收獲空間有限，對(duì)采收模式和末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提出了極高的要求。該研究受“行船中下網(wǎng)撈魚(yú)”啟發(fā)，考慮采收過(guò)程與機(jī)器行走的運(yùn)動(dòng)協(xié)同，首次提出了不停車(chē)、非原位、網(wǎng)撈采收新模式，突破國(guó)外“不停車(chē)+原位采收+運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償”的采收方案弊端，實(shí)現(xiàn)了從原位采收到非原位采收的跨越，從源頭上解決了機(jī)器行走與原位采收的動(dòng)靜矛盾，為機(jī)器人的選擇性高速采收奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)蘆筍脆嫩多汁、易斷易損傷的特點(diǎn)，以及土中作業(yè)過(guò)程中的一些參數(shù)難以有效測(cè)量的難點(diǎn)，該研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)了剛?cè)狁詈侠心┒藞?zhí)行器(PCEE)，通過(guò)前行入土、拉切、出土、拋射4個(gè)子過(guò)程實(shí)現(xiàn)高效、低損傷收獲，整個(gè)采收過(guò)程筍芽由土壤包裹損傷概率極小。通過(guò)建立PCEE-土壤-筍模型，利用雙向耦合MBD-DEM (Multi-Body Dynamics and Discrete Element Method，多體動(dòng)力學(xué)與離散單元法)分析采收過(guò)程，明確了高速采收過(guò)程中末端執(zhí)行器的構(gòu)型變化以及部件-土-筍之間的互作耦合機(jī)理和粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化、采收性能提升具有重要的理論依據(jù)。

圖1. 基于MBD-DEM的采收過(guò)程仿真分析

該研究構(gòu)建了網(wǎng)撈采收機(jī)器人平臺(tái)，并進(jìn)行了室內(nèi)與田間采收試驗(yàn)，對(duì)采收過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的采收模式和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)在白蘆筍選擇性收獲機(jī)器人中的有效性和可行性，突破了筍芽高速采收的瓶頸問(wèn)題，為選擇性收獲和觸土部件創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新思路新方法，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值。

圖2. PCEE室內(nèi)與田間采收試驗(yàn)

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.107641

編      輯：萬(wàn)    千 

審      核：賈    波