0、 引言

采摘機器人的末端執行器直接與采摘目標相接觸,是采摘機器人實現果蔬采摘的關鍵執行部分,直接決定了果蔬采摘品質。

果實物理參數為采摘機器人的末端執行器設計提供了理論依據,手指的形狀和尺寸往往與果實相適應。采摘機器人的末端執行器手指類型有凹型\\( 如弧形面\\)和凸型\\( 如棒形\\),兩種均采用軟硅膠等材料包裹增加緩沖。當手指夾持力過大,超過果實組織的損傷閾值時,果實將會產生機械損傷。

相關研究中,Seyed Mohammad Ali Razavi 對伊朗獼猴桃果實的物理參數進行了詳細探討。與果實的機械損傷相關的報道中,主要以果實宏觀機械損傷的力學特性參數指導末端執行器設計,但獼猴桃果實存在延遲損傷,早期的微損傷導致果實后期發生品質腐敗。因此,以獼猴桃果實微損傷力學特性參數指導末端執行器設計更接近實際。目前,已有學者對果實微損傷進行了檢測研究,呂強等利用高光譜成像技術對獼猴桃果實的微損傷進行識別。

本文通過統計分析我國獼猴桃果實的物理參數獲得果實物理特性; 采用正交試驗,以果實微損傷時的力學特性參數為評價指標研究了果實的損傷因素,為獼猴桃果實采摘機器人的末端執行器設計提供了理論依據。

1、 果實物理參數測定

1. 1 試驗材料

試驗材料為“海沃德”獼猴桃,2012 年 10 月 21 日采摘于西北農林科技大學眉縣獼猴桃試驗站,共計300 個果實,從中隨機選取 115 個果實進行測量。

1. 2 測量方法

1. 2. 1 主要物理尺寸的測定

利用電子稱\\( 精度 0. 01g\\) 稱量果實質量 m。利用電子游標卡尺\\( 精度 0. 01mm\\) 測量獼猴桃果實的長L、寬 W、厚 T。每個尺寸從果實的 3 個不同方向測量 3次,取平均值作為測量結果,通過式\\( 1\\) 、\\( 2\\) 、\\( 3\\) 分別求取果實的算術平均值 Da、幾何平均值 Dg 以及球度 Φ。有

1. 2. 2 靜摩擦因數的確定

通過確定靜摩擦因數可以確定抓持果實的最小夾持力,對分級機械和末端執行器設計具有指導意義。

為保證在測量過程中,果實不發生滾動和果實赤道部位與橡膠板表面可靠接觸,文中將平均數目為 5 ~ 6個\\( 因果實大小而異\\) 的果實裝進只有 5 個面的矩形盒\\( 去掉與橡膠表面相對的盒面,長 175mm,寬115mm,高 40mm\\) ,在保證果實之間無相對移動的情況下置于橡膠板表面; 然后,用萬能試驗機以 90mm/min 的速度將橡膠板的一頭拉起使其傾斜,直到果實和盒子開始滑落時停止,量取橡膠板與水平面的夾角θ,由式\\( 4\\) 求取摩擦因數 υ。每組重復 3 次,共進行10 組試驗,最終結果取平均值。有υ = tanθ \\( 4\\)1. 2. 3 最小夾持力的確定。

假設獼猴桃果實采用弧形面手指抓持,果實受重力 G,手指施加壓力為 F,弧形面手指內附橡膠,與果實的摩擦系數為 υ,最大靜摩擦力為 Ff。圖 1 所示為果實夾持受力俯視圖。由牛頓第一定律果實受力平衡條件,果實不滑落的臨界條件為果實重力等于果實與手指間產生的最大靜摩擦力。由此,最小夾持力 F為

2、 果實抓持損傷試驗

2. 1 材料與設備

試驗材料為成熟期“海沃德獼”猴桃果實,2012 年10 月 21 日\\( 收獲當天\\) 采摘于西北農林科技大學眉縣獼猴桃試驗站,共計 300 個果實。從中隨機選取 160個作為試驗樣本。

試驗設備采用上海衡翼精密儀器有限公司生產的HY-0230 型微控電子萬能試驗機\\( 精度等級 0. 5 級、分辨力 1/250 000、精度±0. 5% 、速度可在 0. 001 ~500mm / min 內任意調節、力傳感器量程為 0 ~ 100N\\) 。

果實加載位置如圖 2 所示。試驗中,根據需要更換壓頭,針對現有的弧形面和棒形兩種手指形式,自制弧形壓頭\\( 曲率半徑 52mm\\) 代替凹型接觸 \\( 半徑9. 5mm\\) 、棒形凸面型和球形壓頭接觸。

2. 2 試驗方法

試驗采用正交試驗法,從采摘的果實中隨機選取160 個因素分為 16 組,選用 L16\\( 42×29\\) 正交表。

試驗因素與水平選取: ①4 個壓縮量。選取參考文獻[6],何東健等對獼猴桃果實進行的壓縮試驗,指出 3mm 的壓縮率不損傷果實,因此本文選取 2、3、4、5mm 4 個水平。②4 個加載速率。結合機器人手指閉合速率并參考文獻[5],選擇 30、60、90、120mm/min,屬準靜態加載。③兩種加載位置?；A試驗發現,獼猴桃果實縱向和橫向存在各向異性,因此不同的加載位置對果實損傷存在影響。④兩種壓頭材料。⑤兩種壓頭類型。主要考慮了現有的末端執行器手指形狀。

萬能試驗機自動記錄樣本壓縮過程的加載力-位移曲線以及壓縮數據和峰值力 Fmax,用 MatLab7. 14 軟件對加載力-位移曲線積分即得到果實的力學特性參數壓縮能 E。試驗重復 10 次,最終結果取峰值力和壓縮能的平均值。采用 SPSS19. 0 軟件對試驗結果進行方差分析,獲得對果實損傷因素的顯著性順序。果實在壓縮處理完成之后對壓縮位置進行標記后置于室溫 21℃下儲藏,觀察果實變化情況。

3、 結果與分析

3. 1 果實物理參數測定

“海沃德”獼猴桃物理參數統計結果,如表 1 所示。數據統計分析采用 SPSS19. 0 軟件,從115 個水果的統計數據隨機抽取 50 個樣本數據進行統計分析。

由表 1 可知,果實平均質量、平均長度分別為 97. 41、64. 98mm,均小于 Seyed Mohammad Ali Razavi 的統計結果; 寬度和厚度分別為 52. 16mm 和 47. 86mm,均大于 Seyed Mohammad Ali Razavi 的統計結果。果實寬度和厚度方向極差分別為 11. 28mm 和 9. 14mm,相比長度方向 15. 50mm 變化小,有利于手指對果實大小的適應性,從而簡化夾持機構。球度均值為 0. 84,大于Seyed Mohammad Ali Razavi 統計結果。 由此可以看出,我國“海沃德”品種形狀規則,接近于球形,采摘末端執行器采用仿生圓弧面能保證夾持的穩定性和果實受力的均勻性,而且結構簡單易于實現。果實與橡膠的摩擦因數在 0. 38 ~ 0. 51 之間,平均為 0. 44。若取果實平均質量 97. 41g,則采用兩指夾持的方式,由式\\( 5\\) 可求得果實不滑落的最小夾持力 F 為 1. 08N。

表 2 所示為獼猴桃質量與其物理參數相關性分析,顯著水平 α=0. 05。由表 2 可知,果實質量與其幾何平均直徑、算術平均直徑以及長厚積均存在顯著的相關性,決定系數 R2均大于 0. 9,P = 0<α。果實的幾何平均直徑與質量的相關性最高,其相關系數 R =0. 964,長寬積與果實質量相關性最差,長、寬、厚 3 個單一尺寸與果實的質量存在相關性但相關系數較小,依據果實幾何平均直徑可對果實實現質量分級。

3. 2 果實抓持損傷試驗

3. 2. 1 果實損傷分析

圖 3 所示為壓縮量 5mm\\( 加載力 20N\\) 、不銹鋼球形壓頭的果實加載力-位移曲線。由圖 3 可知加載力與位移近似呈線性關系,擬合直線決定系數 R2均大于0. 99。針對試驗所選的壓縮量,果實受壓變形近似處于彈性變形階段。

圖 4 所示為壓縮處理后不同儲藏期果實品質變化對照。

處理完成之后,第 1 天、36 天和 44 天時,果實未去皮前表面無損傷痕跡; 但對比圖 4\\( c\\) 和 4\\( f\\) 可知,在儲藏 44 天后,去皮后果實內部出現白色斑點,表現出明顯果肉組織損傷。此時果實受力均值為 19. 5N。試驗結果與 Harmandeep Jaura 研究發現獼猴桃果實微損傷會導致果實后期品質下降的觀點一致,也同作者在陜西眉縣齊峰果業公司的調研結果一致。由此可知,獼猴桃果實存在延遲損傷,即使是微損傷也影響其儲藏期。

3. 2. 2 各因素對力學特性的影響

表 3 所示為峰值力方差分析結果。5 個因素均對峰值力產生顯著影響,顯著性水平 P 均小于 0. 05\\( α=0. 05\\) ,模型決定系數 R2為 0. 994,說明所選因素均為影響果實抓持損傷的影響因素。由統計量 F,FS>FT>FD>FM>FV可知,5 個因素對峰值力影響顯著性依次是加載位置、壓頭類型、壓縮量、壓頭材料、加載速率; 加載速率和壓頭材料對峰值力的影響較其他因素顯著性較低。

表 4 所示為壓縮能方差分析結果。5 個因素均對壓縮能產生顯著影響,顯著性水平 P 均小于 0. 05\\( α=0. 05\\) ,模型決定系數 R2為 0. 997,說明所選因素均為影響果實抓持損傷的影響因素。由統計量 F,FS>FT>FD>FM>FV可知,5 個因素對壓縮能的影響顯著性依次為壓縮量、加載位置、壓頭類型、壓頭材料、加載速率;加載速率和壓頭材料對壓縮能的影響較其他因素顯著性較低。

對比 5 個損傷因素對峰值力和壓縮能兩個力學參數影響顯著性順序,居前三位的是壓縮能、加載位置和壓頭類型,而加載速率和壓頭材料對兩者的影響較其他因素相對較小; 相比劉繼展等發現的加載位置對番茄果實的影響程度小而言,獼猴桃果實則相反。原因可能是獼猴桃果實的長度方向\\( 果蒂周圍\\) 有著較高硬度的果芯,因此表現為明顯的各向異性。峰值力受果實本身性質如果實曲率半徑、成熟度等因素影響,文中主要考慮與末端執行器抓持相關的損傷因素,未考慮果實本身的性質。

加載速率對果實的力學特性影響較小與劉繼展等研究結果一致,而壓頭材料相對偏低的原因可能是試驗采用的橡膠材料彈性度較低。末端執行器的設計以壓縮量為首要考慮因素,保證抓持的穩定性和果實的安全性,而手指內襯彈性材料可增加緩沖有利保證果實安全性。

4、 結論

1\\) 研究為采摘末端執行器機構設計和尺寸確定提供了理論依據。海沃德獼猴桃果實近似球形的果形宜于采用仿生弧形面進行夾持,其對果實形狀的適應性好,同時受力均勻。而果實厚度方向極小的尺寸變化,采用厚度方向夾持可提高手指對果實大小的適應性。

2\\) 獼猴桃果實因前期的微損傷會在后期儲藏期間加劇并表現出明顯組織損傷,影響果實品質。

3\\) 壓縮量、加載位置、壓頭類型、加載速率和壓頭材料均為果實抓持損傷的影響因素,而前 3 個因素對果實抓持損傷影響顯著性高于后兩個。末端執行器設計首要考慮壓縮量,保證抓持的穩定性和果實安全性,而手指內襯彈性材料可增加緩沖有利保證果實安全性。果實成熟度、表面曲率、品種等與抓持損傷的關系以及微損傷檢測方法需要進一步研究。