CN108169118A - 一种便携式果柄生物力学特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式果柄生物力学特性测试装置，包括有树果夹持机构，树果夹持机构包括有可移动的枝条固定叉和柔性果体夹持器，枝条固定叉工作位置由其底端的滑块连杆机构驱动调整，柔性果体夹持器为空腔套筒结构，空腔套筒内设有圆环状气囊，柔性果体夹持器的移动或旋转由滚珠丝杆驱动，滚珠丝杆上设有L形板，测试果柄纵向拉断力时L形板通过螺纹杆和拉力传感器与柔性果体夹持器连接，测试果柄横向扭断力矩时滚珠丝杆的前端通过联轴器和扭矩传感器与柔性果体夹持器连接。本发明利用滚珠丝杆动力传动系统，兼具果柄纵向拉断力和横向扭断力矩的测定功能；利用数据检测系统实现数据测定、显示与存储，满足野外果柄生物力学特性测定的要求。
Description
技术领域：
本发明涉及农业机械领域，主要涉及一种便携式果柄生物力学特性测试装置。
背景技术：
近年来，我国树果类果实机械化采摘技术及装备的研究备受关注。由于我国农村劳动力的不断转移，人工采摘果实的成本快速提高，导致果农迫切需求果实的机械化收获装备，然而市面上少有成熟的树果类机械采摘装备。为研制适用的树果类果实机械化采摘装备，必须明确其采收对象果柄的生物力学特性，为果实收获机械果体采摘执行机构的设计与研制提供理论和数据参考。
由于当前缺乏对树果类果柄生物力学特性进行准确测定的专门装置，研究人员的测定工具仍然十分简陋,大多采用数显拉力计，即通过数显拉力计将果柄拉断，在拉断瞬间人工记录最大拉力值。上述测定方式一般需多人协调配合，且人工观察记录瞬间最大拉力值误差大，难以连续地准确记录测定数据，并反映果柄的生物力学特性变化规律。另一种测定方式是将带果的枝条砍下带回实验室，借助微型万能材料试验机等力学测试仪器配合专制夹具进行果柄生物力学特性的测定，由于枝条、果柄、果实等均是生物活体，离开树体进行果柄生物力学特性测定将影响数据的真实性与准确性，且数据样本量也受到枝条砍伐对树体来年产量影响的限制。
目前已有研究人员针对有关果体和茎秆的生物力学特性开展了相关装置的设计与试验，如陈震等设计了一种荔枝果力学测量装置，主要由有微机、采集卡、重量传感器、位移传感器、果实压头等组成，可连续测定并存储外力加载与荔枝果形变等数据；马晓丽等为测定杨梅果的生物力学特性，研发了一种微压测试装置，主要部分为电子称量工作台、测头、微调传动箱、粗调力臂箱体、工作底盘等，通过加压旋钮带动施力测头进给，果体变形由微调旋钮升降刻度读取，受力大小通过电子称量工作台显示，研究得出杨梅果的生物力学特性；李耀明等研制的切割力测量系统，由机械系统部分和测控系统部分两组成，主要用于茎秆力学数据的采集和分析研究，能够完整的测得切割力随时间的变化曲线；蒋韬等研制了一种玉米茎秆切割测量试验台，主要由机械模块、控制系统和信号处理系统三部分组成，控制系统以STM32F103为核心，信号处理系统由负电压产生电路和 AD620信号放大器组成，切割试验表明，测试数据采集误差小于1.12%，明确了玉米茎秆切割力的规律变化。但对树果类果实采摘时，果柄的纵向拉断力和横向扭断力矩测定试验装置的设计研究还少见报导，而果柄纵向拉断力和横向扭断力矩参数的准确获取是开展树果收获机械果实采摘执行机构设计的重要依据。
本发明兼具果柄纵向拉断力和横向扭断力矩的测定功能，且整体小巧、重量轻、便于携带；能实现测试数据的自动测定与实时显示存储，测试精度满足野外环境下树果类果柄生物力学特性的要求；提出的柔性果体夹持方法，实现果实的无损快速夹持，满足多种测试对象。
发明内容：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种便携式果柄生物力学特性测试装置，以便于在野外环境下准确测定树果采摘时果柄的纵向拉断力和横向扭断力矩，为树果收获机械果实采摘执行机构设计提供参考。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：包括有安装在滚珠丝杆底座上的树果夹持机构，所述树果夹持机构包括有可移动的枝条固定叉和柔性果体夹持器，所述枝条固定叉工作位置由其底端的滑块连杆机构驱动调整，所述柔性果体夹持器为空腔套筒结构，所述空腔套筒内设有圆环状气囊，所述圆环状气囊由供气机构供气，所述柔性果体夹持器的移动或旋转由滚珠丝杆驱动，所述滚珠丝杆由其后端的动力系统驱动，所述滚珠丝杆上配合安装有丝杆滑块，所述丝杆滑块上设有L形板，测试果柄纵向拉断力时所述L形板通过螺纹杆和拉力传感器与柔性果体夹持器连接，测试果柄横向扭断力矩时所述滚珠丝杆的前端通过联轴器和扭矩传感器与柔性果体夹持器连接。
所述的滑块连杆机构包括有与枝条固定叉连接固定的L形螺纹杆，所述L形螺纹杆的水平段后端部连接在滑动块上，所述滑动块的正面设有两个通孔，侧面设有螺纹孔，所述L形螺纹杆与滑动块之间通过两个螺母固定，所述滑动块与底座侧面的凹槽通过螺栓连接。
所述的空腔套筒为双层结构，其内壁上设有与所述圆环状气囊连接的气嘴，且空腔套筒的外壁上设有进气嘴，所述进气嘴通过通气软管与供气机构连接。
所述的供气机构包括有充气乳胶球，所述充气乳胶球的进气管口处安装有回气阀，所述充气乳胶球的出气口与通气软管连通，且连接处设有单向阀，所述通气软管上安装有气阀帽。
所述的动力系统包括有电机，所述电机通过联轴器与所述滚珠丝杆连接，所述电机由直流锂电池供电且由电机启动转向调速模块控制。
所述的拉力传感器和扭矩传感器分别通过信号线连接到上位机，经过上位机中的labview测试系统中处理保存数据，得到相应的果柄纵向拉断力值和果柄横向扭断力矩值。
本发明的优点是：
本发明创新采用滚珠丝杆作为测试装置的动力传动系统，兼具果柄纵向拉断力和横向扭断力矩的测定功能；利用数据检测系统实现测定数据的准确测定、实时显示与同步存储；测试装置采用低压直流驱动方式，并可采用平板电脑作为测试上位机，装置整体小巧、重量轻、便于携带，满足野外测试环境的要求。
附图说明：
图1为本发明测试果柄纵向拉断力时的连接结构示意图。
图2为本发明测试果柄横向扭断力矩时的连接结构示意图。
图3为柔性果体夹持器的结构示意图。
图4为柔性果体夹持器的剖视图。
附图标记：1a. 枝条固定叉 1b. L形螺纹杆 1c. 滑动块 1k. 螺栓 1m.螺母 1d. 空腔套筒 1e. 圆环状气囊 1f. 通气软管 1g. 气阀帽 1h. 单向阀1i. 充气乳胶球 1j. 回气阀 2a. 滚珠丝杆 2b. 丝杆滑块 2c. 滚珠丝杆底座2d . L形板 2e. 螺纹杆 2f. 螺钉 2g、2h、2i. 联轴器 3a. 电机 4a. 拉力传感器 4b. 扭矩传感器。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：包括有安装在滚珠丝杆底座2c上的树果夹持机构，所述树果夹持机构包括有可移动的枝条固定叉1a和柔性果体夹持器，所述枝条固定叉1a工作位置由其底端的滑块连杆机构驱动调整，所述柔性果体夹持器为空腔套筒1d结构，所述空腔套筒1d内设有圆环状气囊1e，所述圆环状气囊1e由供气机构供气，所述柔性果体夹持器的移动或旋转由滚珠丝杆2a驱动，所述滚珠丝杆2a由其后端的动力系统驱动，所述滚珠丝杆2a上配合安装有丝杆滑块2b，所述丝杆滑块2b上设有L形板2d，测试果柄纵向拉断力时所述L形板2d通过螺纹杆2e和拉力传感器4a与柔性果体夹持器连接，测试果柄横向扭断力矩时所述滚珠丝杆2a的前端通过联轴器2g/2h和扭矩传感器4b与柔性果体夹持器连接。
所述的滑块连杆机构包括有与枝条固定叉1a连接固定的L形螺纹杆1b，所述L形螺纹杆1b的水平段后端部连接在滑动块1c上，所述滑动块1c的正面设有两个通孔，侧面设有螺纹孔，所述L形螺纹杆1b与滑动块1c之间通过两个螺母1m固定，所述滑动块1c与底座侧面的凹槽通过螺栓1k连接。
所述的空腔套筒1d为双层结构，其内壁上设有与所述圆环状气囊1e连接的气嘴，且空腔套筒1d的外壁上设有进气嘴，所述进气嘴通过通气软管1f与供气机构连接。
所述的供气机构包括有充气乳胶球1i，所述充气乳胶球1i的进气管口处安装有回气阀1j，所述充气乳胶球1i的出气口与通气软管1f连通，且连接处设有单向阀1h，所述通气软管1f上安装有气阀帽1g。
所述的动力系统包括有电机，所述电机3a通过联轴器2h与所述滚珠丝杆2a连接，所述电机由直流锂电池供电且由电机启动转向调速模块控制。
所述的拉力传感器4a和扭矩传感器4b分别通过信号线连接到上位机，经过上位机中的labview测试系统中处理保存数据，得到相应的果柄纵向拉断力值和果柄横向扭断力矩值。
测量果柄纵向拉断力时，如图1，将果实放入所述柔性果体夹持器的圆环状气囊内，通过调节螺母1m和螺栓1k，用枝条固定叉1a卡住果柄后面部分枝条，用充气乳胶球1i向柔性果体夹持器内充气使圆环状气囊膨胀并夹紧果实，启动电机3a，动力传动系统匀速带动夹持机构拉断果柄，拉力传感器传出数据到上位机labview测试系统中处理保存，得到果柄纵向拉断力值。
测量果柄横向扭断力矩时，如图2，将果实放入所述柔性果体夹持器的圆环状气囊内，用枝条固定叉固定住果柄后面部分枝条，用充气乳胶球1i向柔性果体夹持器内充气使圆环状气囊膨胀并夹紧果实，启动电机3a，动力传动系统匀速转动夹持机构扭断果柄，扭矩传感器传出数据到上位机labview测试系统中处理保存，得到果柄横向扭断力矩值。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应有权利来要求限定。
Claims (6)
1.一种便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：包括有安装在滚珠丝杆底座上的树果夹持机构，所述树果夹持机构包括有可移动的枝条固定叉和柔性果体夹持器，所述枝条固定叉工作位置由其底端的滑块连杆机构驱动调整，所述柔性果体夹持器为空腔套筒结构，所述空腔套筒内设有圆环状气囊，所述圆环状气囊由供气机构供气，所述柔性果体夹持器的移动或旋转由滚珠丝杆驱动，所述滚珠丝杆由其后端的动力系统驱动，所述滚珠丝杆上配合安装有丝杆滑块，所述丝杆滑块上设有L形板，测试果柄纵向拉断力时所述L形板通过螺纹杆和拉力传感器与柔性果体夹持器连接，测试果柄横向扭断力矩时所述滚珠丝杆的前端通过联轴器和扭矩传感器与柔性果体夹持器连接。
2.根据权利要求1所述的便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：所述的滑块连杆机构包括有与枝条固定叉连接固定的L形螺纹杆，所述L形螺纹杆的水平段后端部连接在滑动块上，所述滑动块的正面设有两个通孔，侧面设有螺纹孔，所述L形螺纹杆与滑动块之间通过两个螺母固定，所述滑动块与底座侧面的凹槽通过螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：所述的空腔套筒为双层结构，其内壁上设有与所述圆环状气囊连接的气嘴，且空腔套筒的外壁上设有进气嘴，所述进气嘴通过通气软管与供气机构连接。
4.根据权利要求1所述的便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：所述的供气机构包括有充气乳胶球，所述充气乳胶球的进气管口处安装有回气阀，所述充气乳胶球的出气口与通气软管连通，且连接处设有单向阀，所述通气软管上安装有气阀帽。
5.根据权利要求1所述的便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：所述的动力系统包括有电机，所述电机通过联轴器与所述滚珠丝杆连接，所述电机由直流锂电池供电且由电机启动转向调速模块控制。
6.根据权利要求1所述的便携式果柄生物力学特性测试装置，其特征在于：所述的拉力传感器和扭矩传感器分别通过信号线连接到上位机，经过上位机中的labview测试系统中处理保存数据，得到相应的果柄纵向拉断力值和果柄横向扭断力矩值。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Inventor after: Zhang Fan Inventor after: Zhang Shun Inventor after: Yao Huasheng Inventor after: Li Rongrong Inventor after: Wu Delin Inventor after: Jiang Jiawu Inventor after: Zhu Dequan Inventor after: Chen Zihong Inventor after: Hu Jinchang Inventor before: Zhang Shun Inventor before: Zhang Fan Inventor before: Yao Huasheng Inventor before: Li Rongrong Inventor before: Wu Delin Inventor before: Jiang Jiawu Inventor before: Zhu Dequan Inventor before: Chen Zihong Inventor before: Hu Jinchang |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |