水培生菜是植物工廠典型作物之一,多采用立體栽培�，F(xiàn)階段,我國水培生菜生產(chǎn)過程中,立體搬運、切莖、包裝等環(huán)節(jié)仍以人工為主,費時費力。為提升水培生菜生產(chǎn)全程機械化水平,本文研究了水培生菜低損整株收獲方法及關(guān)鍵技術(shù),研制了自動收獲裝置(包含立體輸送機構(gòu)、聚攏-切莖-卸菜機構(gòu)、包裝機構(gòu)等)。本文開展了基于響應(yīng)曲面的生菜莖部剪切特性試驗研究,設(shè)計了水培生菜自動收獲裝置整體方案,對生菜低損整株收獲方法與機構(gòu)試驗優(yōu)化進行了研究,基于高速攝影機研究了縱向卸菜過程生菜位姿特性、對自動收獲裝置進行系統(tǒng)集成并開展了驗證試驗。本文主要研究及結(jié)論如下:(1)利用響應(yīng)曲面試驗方法求解了生菜莖部剪切過程刀片間隙、滑切角、斜切角、削切角4個因素最優(yōu)組合。為減小水培生菜收獲時莖部的切割力,開展了生菜莖部剪切特性基礎(chǔ)試驗研究。設(shè)計了生菜莖部剪切試驗夾具,基于響應(yīng)曲面試驗方法研究了剪切刀片滑切角、斜切角、削切角、刀片間隙對剪切應(yīng)力的影響。利用掃描電子顯微鏡觀察了生菜莖部微觀組織特性,結(jié)合剪切力-位移曲線,分析了生菜莖部的剪切特性。生菜莖部剪切過程中,剪切力-位移曲線呈雙峰狀,剪切力最大值出現(xiàn)在致密纖維最大處。響應(yīng)曲面試驗結(jié)果表明,單因素顯著性主次順序為滑切角、削切角、斜切角、刀片間隙;雙因素顯著性主次順序為刀片間隙和削切角、滑切角和斜切角、滑切角和削切角。響應(yīng)曲面試驗求解所得最優(yōu)組合參數(shù)為刀片間隙1.66 mm,滑切角39.88°,斜切角12.99°,削切角11.15°;此條件下剪切應(yīng)力為1.1844×10~4 Pa。最優(yōu)組合參數(shù)下的剪切應(yīng)力較對最大值減小69.9%。響應(yīng)曲面試驗優(yōu)化結(jié)果減小了剪切應(yīng)力,可為割臺的設(shè)計提供參考。(2)設(shè)計了水培生菜自動收獲裝置整體“T”型布置方案。為提高水培生菜生產(chǎn)全程機械化水平,設(shè)計了自動收獲裝置,主要包括立體輸送機構(gòu)、聚攏-切莖-卸菜機構(gòu)、包裝機構(gòu)等。調(diào)研分析了水培生菜農(nóng)藝特性和工藝流程,確定了收獲裝置的功能及性能指標(biāo)。對立體輸送機構(gòu)、聚攏-切莖-卸菜機構(gòu)、包裝機構(gòu)及其關(guān)鍵部件進行設(shè)計,確定了主要尺寸參數(shù)、作業(yè)參數(shù)范圍及工作流程。該研究可為后續(xù)章節(jié)提供基礎(chǔ)。(3)提出了生菜低損整株收獲方法,搭建了聚攏-切莖-卸菜機構(gòu)試驗平臺并進行試驗優(yōu)化。為解決水培生菜收獲品質(zhì)低等問題,提出了一種水培生菜低損整株收獲方法并試制了試驗樣機。結(jié)合生菜農(nóng)藝特點及其改進,通過夾持桿對菜葉的低損聚攏、割刀對生菜莖部的精準切割,實現(xiàn)單株水培生菜的低損整株收獲。歸納了影響菜葉損傷的因素,利用正交試驗研究了聚攏速度、聚攏角、聚攏高度、壓菜速度對菜葉損傷面積的影響。采用人工提取菜葉損傷的圖像處理方法計算菜葉損面積。通過力學(xué)分析、高速攝影分析了聚攏角、聚攏高度對菜葉損傷面積的影響。聚攏-切莖-卸菜機構(gòu)正交試驗表明:試驗因素影響菜葉損傷面積的顯著性次序為聚攏角、聚攏高度、壓菜速度、聚攏速度。最優(yōu)組合參數(shù)為聚攏速度100 mm/s、聚攏角15°、聚攏高度70 mm、壓菜速度100 mm/s。力學(xué)分析、高速攝影可知:增大聚攏角可減小菜葉受力;聚攏高度70 mm時,可避免切莖后生菜在輸送過程中菜葉與定植板接觸。對正交試驗優(yōu)化結(jié)果進行了試驗驗證,結(jié)果顯示:最優(yōu)組合參數(shù)下,菜葉損傷面積平均值為4.32×10~2 mm~2,損傷程度平均值(聚攏-切莖-卸菜過程)為0.13%,損傷較低;生菜均可實現(xiàn)整株收獲。聚攏-切莖-卸菜機構(gòu)試驗平臺及相關(guān)試驗,驗證了水培生菜低損整株收獲方法的可行性。(4)基于高速攝影機研究了卸菜過程生菜的水平偏移、姿態(tài)角等位姿特性。針對切莖后生菜縱向卸菜過程中的偏移、翻轉(zhuǎn)等問題,提出了一種切莖后生菜精準縱向裝盒方法并開展了試驗驗證。利用聚攏氣缸和壓菜氣缸執(zhí)行生菜縱向卸菜,利用導(dǎo)向環(huán)減小縱向卸菜過程中生菜的偏移、翻轉(zhuǎn),從而保證生菜縱向裝盒位姿要求�；诟咚贁z影機,提出了利用3個特征點檢測生菜位姿特性(水平偏移、姿態(tài)角)的方法:利用中間點計算生菜的水平偏移,利用兩端的點計算生菜翻轉(zhuǎn)的姿態(tài)角。開展了切莖后生菜卸菜試驗,試驗結(jié)果顯示:生菜入盒時,有導(dǎo)向環(huán)水平偏移平均值為5.8 mm,比無導(dǎo)向環(huán)時減小75.0%;有導(dǎo)向環(huán)姿態(tài)角平均值為17.9°,比無導(dǎo)向環(huán)時減小74.2%。導(dǎo)向環(huán)可減小生菜卸菜過程的偏移、翻轉(zhuǎn),保證生菜縱向裝盒成功。(5)集成了水培生菜自動收獲裝置(包括立體輸送機構(gòu)、聚攏-切莖-卸菜機構(gòu)、包裝機構(gòu)等),并開展了驗證試驗。為減少水培生菜立體輸送、聚攏-切莖-卸菜、包裝等過渡環(huán)節(jié)的人工操作,實現(xiàn)整機自動作業(yè),對收獲裝置硬件和控制系統(tǒng)進行了集成。整機驗證試驗結(jié)果表明:整機可實現(xiàn)自動作業(yè);單株生菜整機作業(yè)時間為44~81 s,平均用時61 s,整機作業(yè)效率為59株/h;整機作業(yè)成功率為92%;生菜損傷程度平均值(整機作業(yè)過程)為0.23%,生菜損傷程度較低。整機驗證試驗結(jié)果達到本文所提出的各功能性能指標(biāo)要求。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S636.2
【部分圖文】：

（a）大型植物工廠（Ohara et al. 2015） （b）小型植物工廠（賀冬仙等 2016）(a) Large plant factory (b) Small plant factory圖 1-1 植物工廠Fig. 1-1 Plant factory目前，生菜是最常見的水培作物；其立體搬運、切莖、包裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍以人工為主，費時費力且容易對營養(yǎng)液槽、定植板等水培設(shè)施造成污染。隨著其生產(chǎn)規(guī)模的增大、人工成本的提升，對機械化、自動化作業(yè)的需求日益增大，其中切莖、包裝等環(huán)節(jié)尤為迫切。水培生菜的收獲期較短，對收獲質(zhì)量要求較高，最主要表現(xiàn)在菜葉損傷方面，且一般水培生菜切莖后以帶包裝盒的形式進行銷售（高國華和馬帥 2015；鄭兆啟 2017；鄭兆啟等 2016a；鄭兆啟等 2016b；鄭兆啟等 2018；Cheng and Hsueh2007; Jarimopas et al. 2008）。因此，需研發(fā)水培生菜自動收獲裝置（包含立體輸送、聚攏-切莖-卸菜、包裝等作業(yè)環(huán)節(jié)）。針對上述背景下，本文根據(jù)水培生菜立體輸送、切莖、包裝等作業(yè)仍以人工為主的現(xiàn)狀，對水培生菜低損整株收獲方法及自動收獲裝置（包含立體輸送、聚攏-切莖-卸菜、包裝等作業(yè)環(huán)節(jié)）進行研究。在保證生菜收獲質(zhì)量的前提下，通過研發(fā)自動作

分之間的相互關(guān)系，研究了莖稈纖維素、半纖維素、成分間的差異，結(jié)果顯示纖維素為莖稈主要成分；伸強度的量化關(guān)系，未研究其他化學(xué)成分與拉伸強米、小麥等常見農(nóng)作物莖部剪切特性的研究外，大研究主要集中在切割方式、切割參數(shù)等方面（陳誠維俊等 2009；賈洪雷等 2017；姜元華等 2014；馬凡鐘和劉繼展 2014；龐聲海 1982；田昆鵬等 201張世福等 2013；趙春花等 2009；趙淑紅等 2017；楊等 2016；Chen et al. 2004; Ghahraei et al. 2011; 2; Khamedi et al. 2017; Liu et al. 2012; Mathanker et 2017）。Chen et al.（2004）對不同含水率下大麻莖試驗，研究了單點支承（動刀與定刀相結(jié)合）切割2），將剪切力-位移曲線分為 3 個特征區(qū)，最后將試

圖 1-3 洋麻剪切因素（Ghahraei et al. 2011Fig. 1-3 Shearing factors of kenaf農(nóng)作物收獲裝置的設(shè)計，常借用小麥臺布置形式。然而，由于水培生菜的明顯；且生菜以鮮食菜葉為主，對切刀片及割臺參數(shù)收獲生菜，會引起切此，需對影響生菜切割質(zhì)量的切割刀、斜切角等）等割臺參數(shù)展開基礎(chǔ)性裝置研究現(xiàn)狀散葉蔬菜（生菜、菠菜等）和結(jié)球蔬種類散葉蔬菜的物理特性、農(nóng)藝特它散葉蔬菜收獲裝置。散葉蔬菜的種常見形式有大田種植、大棚溫室種
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