西南丘陵地区的土壤粘重、含水率高,马铃薯大垄双行高密度种植,造成传统轻简型马铃薯收获机作业时挖掘阻力很大,因此亟待解决拖拉机动力不足和燃油消耗增加的问题。本论文基于耦合仿生理论,选取具有优秀挖掘能力的土壤生物为对象,进行了马铃薯挖掘铲片仿生改形设计和挖掘运动轨迹仿生优化,研究了耦合仿生挖掘对土壤的扰动情况和减阻效果,并在试验中得到验证。本论文研究方法和结果为土壤耕作部件的减阻研究提供理论参考。选择蝼蛄为对象,提取蝼蛄前爪趾轮廓信息,将其运用于马铃薯挖掘铲片的结构设计,并通过试验捕捉蝼蛄挖掘运动信息,经过图像处理、曲线拟合和挖掘运动分解,选择了蝼蛄最有效的掘土行为研究马铃薯挖掘铲片的破垄挖掘轨迹,获得马铃薯耦合仿生挖掘技术,与固定式挖掘铲的普通挖掘技术相比,试验验证了耦合仿生挖掘具有较好减阻效果。综观全文,本论文的主要工作和特色如下:(1)马铃薯挖掘铲片的静态仿生。利用数码体视显微镜获取蝼蛄前爪趾侧面轮廓的数字图像,运用MATLAB提取目标图像轮廓并离散为数据点,将提取的数据点进行六次多项式曲线拟合,分别获得了蝼蛄爪趾的内、外侧轮廓曲线的函数表达式,并利用内、外侧轮廓曲线分别设计了仿生挖掘铲片上、下铲面。(2)马铃薯挖掘铲片的动态仿生。采用高速摄像系统对蝼蛄前爪在土壤模拟介质中的挖掘运动进行图像采集,获得了前爪挖掘运动图像序列图,并在图像中标记点,提取该点运动轨迹并离散为数据点,进行六次多项式曲线拟合,获得用于马铃薯仿生挖掘的运动学规律。(3)耦合仿生挖掘过程离散元仿真。分析了土壤颗粒力学模型,基于湿颗粒接触力学模型分别建立了耦合仿生挖掘和普通挖掘离散元仿真模型,在EDEM离散元系统中进行仿真,对比研究了两种挖掘技术中不同铲片对土壤的扰动情况和所受挖掘阻力之间的差异,分析发现在本论文试验条件下耦合仿生挖掘较普通挖掘减阻近32%。(4)耦合仿生挖掘试验。分别设计了挖掘装置和试验方案,进行耦合仿生挖掘和普通挖掘试验,对比分析其挖掘阻力和能耗情况,结果表明在本论文试验条件下耦合仿生挖掘较普通挖掘减阻约27.5%,能耗降低约9%。