Pushing simulation and experimental research of belt pusher robot based on EDEM
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摘要:目的
推料机的推料效果是牧场推料机器人性能的一个重要指标，为得出皮带式推料机器人最佳作业参数，研究推料机器人作业参数对推送率和推送效率的影响，本文基于EDEM软件对推料机器人推料过程进行模拟仿真分析。
方法基于离散元法，通过试验与仿真标定得出TMR饲料间、饲料与接触装置间的接触参数；运用EDEM软件建立3种离散单元物料颗粒的Hertz-Mindlin接触模型，以皮带式推料机装置的推料角度、皮带速度、前进速度作为试验因素，以推送率和推送效率作为评价指标，采用三因素三水平的正交试验方法进行推料仿真试验研究。通过实际试验对仿真结果进行验证。以推料机的推送率和推料效率最大为目标值，通过响应面进行优化求解。
结果仿真试验结果表明：本文推料机理论最优作业参数组合为推料角度30°、皮带速度2.99 m/s、前进速度0.83 m/s时，推送率为94.6%，推送效率为724.5 kg/min。对于推送率而言，皮带速度和前进速度对其影响极显著(P<0.01)，推料角度的影响显著(P<0.05)；对于推送效率而言，皮带速度和前进速度对其影响极显著(P<0.01)，推料角度对其影响不明显(P>0.05)。
结论本研究验证了推料机结构的合理性，为自动推料机器人推料作业参数组合提供了参考。
Abstract:PurposeThe pushing effect of the pushing machine is an important indicator of the performance of the ranch pushing robot. In order to obtain the optimal operating parameters of the belt pushing robot and study the influence of the operating parameters of the pushing robot on the pushing rate and efficiency, this paper used EDEM software to simulate and analyze the pushing process of the pushing robot.
MethodBased on the discrete element method, the contact parameters between TMR feed, as well as feed and contact device were obtained through experiment and simulation calibration. The EDEM software was used to establish Hertz- Mindlin contact models for three types of discrete unit material particles. The pushing angle, belt speed, and forward speed of the belt type pushing machine device were used as experimental factors, and the pushing rate and efficiency were used as evaluation indicators. A three-factor and three-level orthogonal experimental method was used to conduct pushing simulation experiments. The simulation results were verified through actual experiments. With the maximum pushing rate and efficiency of the pusher as the target values, optimization was carried out through response surface methodology.
ResultThe simulation test results showed that when the theoretical optimal operating parameter combination of the pusher in this paper was a pushing angle of 30°, a belt speed of 2.99 m/s, and a forward speed of 0.83 m/s, the pushing rate was 94.6%, and the pushing efficiency was 724.5 kg/min. For pushing rate index, the influence of belt speed and forward speed was extremely significant (P<0.01), and the influence of pushing angle was significant (P<0.05). For pushing efficiency, the influence of belt speed and forward speed was extremely significant (P<0.01), while the influence of pushing angle was not significant (P>0.05)
ConclusionThe study verifies the rationality of the pushing machine structure, and provides a reference for the combination of pushing operation parameters of automatic pushing robots.
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Keywords:
- Belt pusher /
- TMR feed /
- Simulation analysis /
- Pushing rate /
- Pushing efficiency
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普通大蓟马Megalurothrips usitatus又名豆大蓟马、豆花蓟马，隶属于缨翅目蓟马科大蓟马属，主要分布于澳大利亚、马来西亚、斯里兰卡、菲律宾、斐济、印度、日本等[1-3]，在我国海南、台湾、广东、广西、湖北、贵州、陕西等地也均有发生为害[4-5]。据报道，该虫有28种寄主，其中16种为豆科植物，目前它已成为危害华南地区豆科作物的主要害虫[6-9]，田间调查和室内试验均表明豇豆为其嗜好寄主[10-11]。普通大蓟马主要以锉吸式口器取食豇豆幼嫩组织的汁液，可造成叶片皱缩、生长点萎缩、豆荚痂疤等，严重影响豇豆品质[12-13]。此外，该虫体积小、发生量大、隐秘性强，大部分时间都躲在花中取食，从豇豆苗期至采收期均可为害[14-15]，以上特点均增加了农户的防治难度。当其为害严重时，农户只能增加施药频率和施药量，这也导致该虫对多种常用化学农药产生了严重的抗药性[16-17]。
目前关于普通大蓟马的研究主要集中在生物学特性[18]及综合防治技术[19-20]等层面，随着抗药性的不断发展与研究的不断深入，从分子层面解析普通大蓟马的抗药性机制和寄主选择机制等以寻求新型绿色防控方法势在必行，室内种群的大规模饲养是展开这些研究的基础。化蛹基质作为影响昆虫种群规模的关键因子，韩云等[21]曾指出普通大蓟马在含水量(w)为15%的砂壤土中羽化率显著高于砂土、壤土和黏土，但不适用于室内大规模饲养，因为实际应用中，存在土壤类型无法明确区分、配制砂壤土会增加人工饲养的工作量等问题。土壤以外的其他基质对普通大蓟马化蛹的适合度鲜见研究报道。
本研究以普通大蓟马为试验对象，室内观测其在沙子、蛭石和厨房用纸3种基质及无基质条件下的羽化规律，分析该虫对不同化蛹基质的适合度，以期为普通大蓟马的室内大规模饲养提供基础资料，为该虫的综合治理提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
普通大蓟马于2017年采自广东省广州市增城区朱村豇豆田，采回后在RXZ-500C型智能人工气候箱(宁波江南仪器厂)内用豇豆豆荚饲养，饲养条件为温度(26±6) ℃，光照周期12 h光∶12 h暗，相对湿度(70±5)%。室内饲养多代后，选取发育一致的老熟2龄若虫(以体色变为橙红色为标准)进行室内试验。
供试基质包括沙子、蛭石、锯末和厨房用纸，并以无基质作为空白对照。试验前将沙子、蛭石和锯末置于DHG-9140型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)中105 ℃恒温烘烤6 h备用。
1.2 试验方法
首先称取过筛烘干后的沙子50 g 3组，分别加入2.5、3.5和4.5 mL蒸馏水，充分混匀，配制成含水量(w)分别为5%、7%和9%的沙子化蛹基质；称取过筛烘干后的蛭石10 g 3组，分别加入10.0、12.5和15.0 mL蒸馏水，充分混匀，配制成含水量(w)分别为20%、25%和30%的蛭石化蛹基质；称取过筛烘干后的蛭石10 g 3组，分别加入12.5、15.0和17.5 mL蒸馏水，充分混匀，配制成含水量(w)分别为25%、30%和35%的锯末化蛹基质。将以上基质分别转移至350 mL玻璃组培瓶内，基质深度均为5 cm，将厨房用纸对折成合适大小后平铺在组培瓶底部作为基质。在所有基质上放置纱网，再加入1根新鲜的豇豆豆荚(长度约4~5 cm)，分别接入50头普通大蓟马老熟2龄若虫，用250目纱布封口后置于人工气候箱中饲养，每日观察并记录成虫羽化数量。每个处理设6次重复。设置不加入任何化蛹基质的空白对照。
含水量的测定方法按以下公式[22]进行：
含水量=实际含水质量/烘干后基质质量×100%。
1.3 数据分析
运用SPSS 24.0软件进行试验数据处理分析，不同基质及含水量对普通大蓟马羽化率、蛹历期和性比(雄性∶雌性)的影响采用单因素方差分析，并运用Duncan’s法检验差异显著性。
2. 结果与分析
2.1 不同基质对普通大蓟马羽化率、蛹历期和性比的影响
普通大蓟马在不同基质中的羽化率、蛹历期和性比具有显著差异(图1)。由图1A可知，普通大蓟马在厨房用纸中的羽化率显著高于其他基质，为54.33%，其次为含水量5%(w)的沙子，羽化率为44.67%；锯末最不适宜于普通大蓟马羽化，在含水量(w)为25%、30%、35%的锯末中普通大蓟马的羽化率分别为10.33%、5.33%、16.67%，显著低于空白对照与其他基质。
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图 1 不同基质对普通大蓟马羽化率、发育历期和性比(雄性∶雌性)的影响1~3分别为含水量(w)为5%、7%和1%的沙子，4~6分别为含水量(w)为20%、25%和30%的蛭石，7~9分别为含水量(w)为25%、30%和35%锯末，10：厨房用纸，11：无基质；各图中的不同小写字母表示差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 1. Effects of different substrates on eclosion rate, pupa developmental period and male-female ratio of Megalurothrips usitatus1: Sand with 5% moisture, 2: Sand with 7% moisture, 3: Sand with 10% moisture, 4: Vermiculite with 20% moisture, 5: Vermiculite with 25% moisture, 6: Vermiculite with 30% moisture, 7: Sawdust with 25% moisture, 8: Sawdust with 30% moisture, 9: Sawdust with 35% moisture, 10: Kitchen paper, 11: No substrate; Different lowercase leters in the same figure indicated significant difference among different substrate (P<0.05, Duncan’s method)由图1B可知，普通大蓟马在含水量5%(w)的沙子中蛹的发育历期最短，为5.29 d，其次为含水量7%(w)的沙子，为6.01 d，在其他基质中的蛹期则无显著差异，在6.14~7.16 d。
由图1C可知，普通大蓟马在含水量30%(w)的蛭石中性比最高，为0.60，含水量10%(w)的沙子和30%(w)的蛭石性比相对较低，分别为0.12和0.06，在其他基质中性比无显著差异。
2.2 不同基质条件下普通大蓟马的羽化情况
由表1数据可知，沙子含水量(w)为5%时普通大蓟马羽化最早，始于第2天；其次为蛭石，羽化始于第4天，其他条件下羽化均始于第3天；以锯末为基质时羽化最晚，始于第5天。沙子含水量(w)为5%和厨房用纸条件下，羽化高峰出现在第5天，羽化率分别为21%和22.67%；次高峰在第6天，羽化率分别为14.33%和21%。沙子含水量(w)为9%、锯末以及空白对照下羽化高峰出现在第7天，其他条件下羽化高峰均出现在第6天。不同基质类型及含水量条件下，普通大蓟马的羽化均结束于第8天或第9天，与不同基质培养条件下普通大蓟马蛹期之间的差异相对应。
表 1 不同基质对普通大蓟马逐日羽化率的影响1)Table 1. Effects of differents substrates on daily eclosion rate of Megalurothrips usitatus% t/d 沙子含水量(w) Water content in sand 蛭石含水量(w) Water content in vermiculite 5% 7% 9% 20% 25% 30% 1 0 0 0 0 0 0 2 1.67±0.42c 0 0 0 0 0 3 1.00±1.68c 0 0 0 0 0 4 1.33±0.67c 5.33±0.33c 0.33±0.33b 0 0 0 5 21.00±3.82a 5.33±2.17b 2.67±1.91b 3.00±2.30bc 10.33±3.48ab 0.33±0.33b 6 14.33±4.66b 17.33±1.76a 2.67±1.91b 11.67±2.09a 14.67±3.33a 7.67±2.22a 7 2.33±0.80c 5.00±0.85b 8.67±1.84a 6.33±2.28b 7.67±1.74bc 6.67±1.52a 8 0.67±0.42c 0.67±0.67c 0.67±0.42b 4.00±1.35bc 4.00±1.37cd 1.67±0.94b 9 0 0 0.33±0.33b 0.67±0.42b 0 0.67±0.42b 10 0 0 0 0 0 0 3. 讨论与结论
化蛹基质的类型对普通大蓟马化蛹具有一定影响，本研究发现锯末和蛭石不适宜于普通大蓟马化蛹，锯末和蛭石不同含水量条件下大蓟马的羽化率都显著低于空白对照。有研究指出土壤中砂土含量低于30%时，蓟马若虫不能化蛹[23]，蓟马在砂壤土中的羽化率也显著高于砂土、黏土、壤土等单一土壤[21]。
化蛹基质的含水量对普通大蓟马化蛹具有显著影响，本研究发现当沙子含水量(w)为5%时，羽化率仅次于厨房用纸，高达44.67%，与孟国玲等[23]关于豆带蓟马Taenithripsglycines在含水量(w)为5.7%时羽化率最高(43.63%)的报道相对一致。韩云等[21]研究发现普通大蓟马在含水量(w)为15%的砂壤土中羽化率最高，为52.08%，而土壤含水量(w)5%时羽化率仅为6.67%。这与本研究结果不符，究其原因可能是不同类型的基质吸水力与保水力不同，导致在相同的绝对含水量下湿度有差异。此外，有研究曾指出高含水量不利于蓟马化蛹[24]，这与本研究结果相一致，沙子含水量(w)5%时的羽化率显著高于含水量(w)7%和10%。
在本研究中，成虫性比普遍低于1∶1，含水量(w)30%的蛭石羽化性比最高，为0.6，含水量(w)30%锯末最低，为0.06，其他处理的性比无显著差异，为0.12~0.48。张念台[8]和谭柯[24]在田间调查的结果也显示其成虫性比低于1∶1，后代总是偏于雌性，谭柯[24]则表示后代偏雌性可能是蓟马暴发的原因之一。这与本研究结果相一致，后代偏于雌性。
本研究发现普通大蓟马在厨房用纸中的羽化率最高，蛹发育历期与其他基质相比无明显差异，且以厨房用纸为化蛹基质时，可以清楚地观察到普通大蓟马蛹期的形态特征变化，可以随时根据试验需求收集不同时期的若虫或成虫。虽然沙子含水量(w)5%时蛹发育历期最短且羽化率也较高，但蓟马一旦入土化蛹便无法继续观察形态或收集虫体。因此，本试验条件下，厨房用纸是最适合室内普通大蓟马大量饲养的化蛹基质。
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图 1 推料机器人结构简图
1：机器人主体部分，2：控制系统，3：精料抛撒装置，4：TMR饲料搅拌装置，5：RGB相机和IMU，6：激光雷达，7：皮带式推料机
Figure 1. Structure sketch of pushing robot
1: The main part of the robot, 2: Control system, 3: Concentrate throwing device, 4: TMR feed stirring device, 5: RGB camera and IMU, 6: LiDAR, 7: Belt type pusher
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图 2 皮带式推料机结构图
1：滚筒，2：皮带，3：伺服电机，4：张紧装置，5：皮带机支撑架
Figure 2. Structure sketch of belt pusher
1: Roller, 2: Belt, 3: Servo motor, 4: Tensioning device, 5: Belt conveyor support frame
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图 4 休止角测定
h：料堆竖直高度，d：料堆底面直径
Figure 4. Determination of rest angle
h: Vertical height of feed pile, d: Basal diameter of feed pile
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图 5 滑动摩擦角测量
θ：饲料滑动摩擦角
Figure 5. Measurement of sliding friction angle
θ: Sliding friction angle of feed
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图 9 TMR饲料滑动摩擦角测定过程模拟
θ：饲料滑动摩擦角
Figure 9. Simulation of TMR feed sliding friction angle measurement process
θ: Sliding friction angle of feed
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图 12 物料颗粒在各个角度的运动方向
各小图中的箭头指饲料运动方向
Figure 12. Movement direction of the material particles at various angles
The arrows in each figure indicate the movement direction of feed
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图 14 各因素对推送率的响应面图
Figure 14. Response surface graph of various factors to pushing rate
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图 15 各因素对推送效率的响应面图
Figure 15. Response surface graph of various factors to pushing efficiency
表 1 试验测定摩擦系数
Table 1 Determination of friction coefficient by tests
参数
Parameter饲料与饲料
Feed and
feed饲料与皮带
Feed and
belt饲料与地面
Feed and
ground静摩擦系数
Static friction
coefficient0.54 0.75 0.80 滚动摩擦系数
Rolling friction
coefficient0.85 0.40 0.48 
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表 2 物料特性参数
Table 2 Property parameters of materials
材料
Material密度/(kg·m−3)
Density泊松比
Poisson’s ratio剪切模量/Pa
Shear modulus饲料 Feed 700 0.30 2.30×107 皮带 Belt 1 380 0.45 2.40×108 地面 Ground 1 500 0.20 1.25×1010
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表 3 试验因素水平表1)
Table 3 Table of test factor and level
水平
Levelx1/(°) x2/(m·s−1) x3/(m·s−1) −1 0 1 0.5 0 15 2 1.0 1 30 3 1.5 1)x1：推料角度，x2：皮带速度，x3：前进速度
1) x1: Pushing angle, x2: Belt speed, x3: Forward speed
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表 4 推料仿真试验设计与结果1)
Table 4 Design and results of pushing simulation experiment
序号
Serial numberx1 x2 x3 Y1/% Y2/(kg·min−1) 1 0 1 1 92.6 833.4 2 1 1 0 96.5 579.0 3 −1 0 1 91.8 826.2 4 1 −1 0 93.3 559.8 5 1 0 1 92.0 828.0 6 −1 1 0 94.8 568.8 7 0 0 0 93.5 561.0 8 0 −1 −1 93.9 281.7 9 −1 −1 0 91.1 546.6 10 1 0 −1 95.8 287.4 11 0 0 0 94.0 564.0 12 −1 0 −1 95.1 285.3 13 0 −1 1 89.7 807.3 14 0 0 0 93.9 563.4 15 0 0 0 94.3 565.8 16 0 1 −1 98.1 294.3 17 0 0 0 95.0 570.0 1) x1：推料角度，x2：皮带速度，x3：前进速度，Y1：推送率，Y2：推送效率
1) x1: Pushing angle, x2: Belt speed, x3: Forward speed, Y1: Pushing rate, Y2: Pushing efficiency
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表 5 推料仿真试验推送率响应面方差分析
Table 5 Variance analysis of response surface of pushing rate in material pushing simulation test
来源
Source平方和
Square
sum自由度
Freedom
degree均方
Mean
squareF P1) 模型
Model64.08 9 7.12 15.44 0.000 8** x1 2.88 1 2.88 6.25 0.042 0* x2 24.50 1 24.50 53.15 0.000 2** x3 35.28 1 35.28 76.53 <0.000 1** x1x2 0.06 1 0.06 0.14 0.723 6 x1x3 0.06 1 0.06 0.14 0.723 6 x2x3 0.42 1 0.42 0.92 0.370 3 x12 0.01 1 0.01 0.03 0.867 0 x22 0.10 1 0.10 0.23 0.648 6 x32 0.70 1 0.70 1.52 0.257 9 残差
Residual error3.23 7 0.46 失拟项
Misfit term1.98 3 0.66 2.10 0.240 0 纯误差
Pure error1.30 4 0.31 总和
Sum67.30 16 1)“*”“**”分别表示在P<0.05和P<0.01水平影响显著(方差分析)
1) “*” and “**” indicate significant effects at P<0.05 and P<0.01 levels, respectively (Analysis of variance)
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表 6 推料仿真试验推送效率响应面方差分析
Table 6 Variance analysis of response surface of pushing efficiency in material pushing simulation test
来源
Source平方和
Square
sum自由度
Freedom
degree均方
Mean
squareF P1) 模型
Model5.77×105 9 64 117 3 484 <0.000 1** x1 93.16 1 93.16 5.06 0.060 0 x2 802.00 1 802.00 43.60 0.000 3** x3 5.76×105 1 5.76×105 31 293 <0.000 1** x1x2 2.25 1 2.25 0.12 0.736 9 x1x3 0.02 1 0.02 0.00 0.973 1 x2x3 45.56 1 45.56 2.48 0.159 6 x12 1.67 1 1.67 0.09 0.771 9 x22 15.52 1 15.52 0.84 0.388 9 x32 322.00 1 322.00 17.50 0.004 1** 残差
Residual error128.79 7 18.40 失拟项
Misfit term83.72 3 27.91 2.48 0.200 8 纯误差
Pure error45.07 4 11.27 总和
Sum5.77×105 16 1)“**”表示在P<0.01水平影响显著(方差分析)
1) “**” indicates significant effect at P<0.01 level (Analysis of variance)
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