面向機器人采摘的櫻桃番茄力學特性研究.pdf

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 第41卷 第3期 2020年6月 VOL 41 No 3 Jun 2020 Modern Agricultural Equipment 24 面向機器人采摘的櫻桃番茄力學特性研究 熊 征 1 2 李惠玲 1 侯 露 2 陳金奇 1 薛坤鵬 1 黎業(yè)鉦 2 1 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所 廣東 廣州 510630 2 廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司 廣東 廣州 510555 摘 要 櫻桃番茄是番茄中的一種特殊類型 其果實及果梗的力學特性是采摘機器人設(shè)計與控制的重要 依據(jù) 對不同成熟期的櫻桃番茄果實進行了縱向和橫向擠壓試驗 對其果梗進行了折斷試驗 結(jié)果表 明 不同成熟度櫻桃番茄果實的抗壓能力具有明顯差異 以青果期的壓縮破裂最大 成熟期的最小 整 體抗壓能力隨著果實成熟而下降 成熟期櫻桃番茄的縱向 橫向擠壓強度差異較大 具有明顯的各向異 性特征 其縱向抗壓能力大于橫向 采摘時應(yīng)當減少橫向壓力 以便更好保護果實 成熟期櫻桃番茄果 梗膨大節(jié)處的折斷負荷較小 單果采摘時建議從果梗膨大節(jié)處以折斷方法進行采摘 串果采摘時建議采 摘機器人與果實間的作用力 運動參數(shù)要特別注意果梗的力學脆性 避免串收過程 采摘 放籃 中成 熟果實從果梗膨大節(jié)處脫落 造成機器人采收失敗 關(guān)鍵詞 櫻桃番茄 采摘機器人 力學特性 成熟度 果梗 中圖分類號 TP242 文獻標識碼 A 文章編號 1673 2154 2020 03 0024 05 0 引言 櫻桃番茄是市場上最受消費者歡迎的番茄品種 之一 1 大多數(shù)櫻桃番茄是在溫室中種植 由于設(shè) 施環(huán)境溫濕度高 番茄生長周期長 櫻桃番茄采收 環(huán)節(jié)成為一項最為耗時耗力的繁重工作 需要投入 大量的人力 其投入的勞動力占整個番茄種植環(huán)節(jié) 中勞動力投入的 50 70 2 近年來 由于中國 人口老齡化加快和農(nóng)業(yè)從業(yè)人口急劇下降 低效率 的人工采摘勢必難以適應(yīng)市場競爭發(fā)展的需要 3 根據(jù)櫻桃番茄的成簇生長特性 分為單果采收 和整串采收 4 櫻桃番茄采摘機器人采用前者作業(yè) 時 一般先對果實進行可靠抓持 再通過拉斷或折 斷果梗等方式將果實從植株上分離 櫻桃番茄采摘 機器人采用后者作業(yè)時 一般先對整串果梗進行可 靠夾持 再通過切割夾持上方果梗方式將整串果實 從植株上分離 由于櫻桃番茄多汁皮薄以及其獨特 的易脫落膨大果梗節(jié)特點 無論采摘機器人是單果 采收還是整串采收 均需要對櫻桃番茄的果實及果 梗力學特性進行研究 為采摘機器人的設(shè)計與控制 提供依據(jù) 5 近年來 國內(nèi)外學者對番茄果實力學特性進行 了大量的研究 但針對櫻桃番茄果實和果梗的研 究相對較少 6 9 本文對與采摘機器人設(shè)計 控制 直接相關(guān)的櫻桃番茄果實的抗擠壓特性 果梗的折 斷特性進行了試驗研究 得到了不同加載方向 不 同成熟度下番茄果實的擠壓力 變形規(guī)律 并結(jié)合 果梗的折斷試驗 探討櫻桃番茄機器人采摘的作 收稿日期 2020 04 08 基 金 項 目 2019年廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項 粵財農(nóng) 2019 73號 廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司 廣州市 院士專家工作站 項目 h2020 03 01 農(nóng)產(chǎn)品保鮮物流共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團隊 2019KJ145 作者簡介 熊征 1979 男 博士 工程師 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)人工智能裝備及有機設(shè)施園藝研究 E mail xiongz109 通訊作者 李惠玲 1 98 2 女 高級工程師 主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施及裝備科研開發(fā)和推廣應(yīng)用工作 E mail 61445603 25 第3期 熊 征 等 面向機器人采摘的櫻桃番茄力學特性研究 業(yè)方式 1 材料與方法 1 1 試驗材料與儀器 試驗材料 櫻桃番茄品種選擇紅色的 4805016 RT19 和黃櫻 分為成熟期 果實變色 90 以上 半熟期 果實變色 60 90 初 熟期 果實變色 20 60 綠熟期 果實變色 0 20 青果期 果實全青 未變色 均采 自于廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站 采摘時注意保留果 梗 采摘后立即使用保鮮袋包裝 24 h 內(nèi)完成試驗 試驗儀器 美國 Brookfield 公司 CT3 10K 質(zhì)構(gòu) 儀 負載量程 1 10 000 g 負載分辨率 1 0 g 精度 全量程 0 5 位移量程 0 101 6 mm 位移分辨率 0 01 mm 精度 0 1 mm 上海舜 宇 JA1203 電子分析天平 量程 0 120 g 精度 0 001 g 1 2 試驗方法 1 2 1 櫻桃番茄果實擠壓試驗 1 CT3 質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置 預(yù)測試速度為 2 mm s 測試類型為壓縮 測試目標為距離 測試目標值為 10 mm 等待時間為 0 s 觸發(fā)點負載為 7 g 測試 速度為0 5 mm s 探頭為TA4 100 直徑 38 1 mm 長 20 mm 透明有機玻璃圓柱探頭 夾具為 TA RT KIT 旋轉(zhuǎn)工作基臺 2 擠壓試驗方法 10 選擇各成熟度期兩種代 表顏色的櫻桃番茄 紅色 4805016 和黃櫻 測試 每組 10 個 分別去除果梗 先用 JA1203 電子分析 天平稱量 再隨機均分為兩小組 用 CT3 質(zhì)構(gòu)儀分 別測試橫向和縱向壓縮 如圖 1 所示 1 2 2 櫻桃番茄果梗折斷試驗 1 CT3 質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置 預(yù)測試速度為 2 mm s 測試類型為壓縮 測試目標為距離 測試目標值為 10 mm 等待時間為 0 s 觸發(fā)點負載為 7 g 測試 速度為 0 5 mm s 探頭為 TA41 直徑 6 mm 質(zhì)量 7 g 長 35 mm 不銹鋼圓柱探頭 夾具為 TA RT KIT 旋轉(zhuǎn)工作基臺 和 TA AVJ 可調(diào)節(jié)固定 夾具 2 折斷試驗方法 11 選擇成熟期櫻桃番茄 4805016 RT19 和黃櫻 果梗 每組 10 個 放 到 TA AVJ 可調(diào)節(jié)固定夾具 探頭 的正下方測試 如圖 2 所示 2 結(jié)果與分析 2 1 櫻桃番茄果實的壓縮負荷 變形規(guī)律 對不同成熟度櫻桃番茄模擬夾取操作 即縱向 壓縮 試驗結(jié)果表明 不同品種的壓縮載荷與壓縮 距離之間具有相似的曲線關(guān)系 如圖 3 4 所示 圖1 櫻桃番茄果實擠壓試驗 左為縱向 右為橫向 Fig 1 Compression test of cherry tomato fruit left is transverse right is longitudinal 圖 2 櫻桃番茄果梗折斷試驗 Fig 2 Stem breaking test of cherry tomato CT3質(zhì)構(gòu)儀 探頭 樣品 工作臺 TA41探頭 可調(diào)節(jié)夾具 旋轉(zhuǎn)工作臺 果梗 26 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 即從開始壓縮至果皮出現(xiàn)裂紋階段 擠壓力壓縮負 荷與變形量近似直線關(guān)系 破裂后擠壓力壓縮負荷 驟然下降 待變形量壓縮距離足夠大時 擠壓力壓 縮負荷又繼續(xù)上升 但是黃櫻品種整個壓縮過程中 無品種 4805016 那樣有明顯的生物屈服點出現(xiàn) 主 要原因是受櫻桃番茄的品種及其成熟度影響 2 2 成 熟期櫻桃番茄果實抗擠壓與加載方向的關(guān)系 成熟期櫻桃番茄的縱向 橫向擠壓強度差異較 大 具有明顯的各向異性特征 如表 1 2 所示 成熟期的櫻桃番茄的縱向擠壓破裂負荷 破裂距離 均大于橫向 其中品種 485016 的最大破裂負荷為 37 59 N 黃櫻的是 63 64 N 表明櫻桃番茄的縱向 抗壓能力顯著超過橫向 擠壓測試觀察發(fā)現(xiàn) 縱向 加載時 當載荷達到最大擠壓破裂力時 果實均沿 縱向出現(xiàn)細微裂紋 裂紋隨載荷增加而逐漸增大 直至果實完全破壞 橫向加載時 果實蒂部 去果 梗部位 附近首先出現(xiàn)放射性細微裂紋 裂紋隨載 荷增加而逐漸增大 直至果實從蒂部完全破壞 試 驗結(jié)果表明番茄采摘要注意蒂部保護 櫻桃番茄必 須考慮帶果梗采摘 圖3 櫻桃番茄 品種4805016 果實縱向壓縮負荷 壓縮距離曲線 Fig 3 Force deformation curve for cherry tomato 4805016 fruits under compression 圖4 櫻桃番茄 品種黃櫻 果實縱向壓縮負荷 壓縮距離曲線 Fig 4 Force deformation curve for cherry tomato Huang ying fruits under compression 485016 黃櫻 485016 黃櫻 24 69 44 36 21 36 32 30 17 77 30 64 21 07 26 37 21 42 39 77 23 06 29 63 8 18 11 05 5 04 7 11 3 94 7 78 3 49 6 31 5 44 9 73 4 02 6 65 37 59 63 64 20 31 44 00 18 31 41 97 17 84 33 11 23 84 54 19 19 34 39 31 表1 成熟期櫻桃番茄果實縱向抗壓能力 Tab 1 Longitudinal compressive capacity of cherry tomato fruit in mature stage 表2 成熟期櫻桃番茄果實橫向抗壓能力 Tab 2 Transversal compressive capacity of cherry tomato fruit in mature stage 最大 最大 品種 品種 最大 最大 最大 最大 最小 最小 最小 最小 最小 最小 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 橫向直徑 mm 縱向直徑 mm 破裂距離 mm 破裂距離 mm 破裂負荷 N 破裂負荷 N 壓縮載荷 N 壓縮載荷 N 壓縮距離 mm 壓縮距離 mm 27 第3期 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 最大值 最小值 平均值 成熟期 半熟期 初熟期 綠熟期 青果期 成熟期 半熟期 初熟期 綠熟期 青果期 1 44 0 63 0 92 8 34 3 20 4 76 3 25 0 34 1 85 5 40 1 56 3 13 3 95 1 13 2 47 8 86 3 16 6 38 6 505 5 468 4 778 4 626 3 482 26 368 20 786 14 408 12 185 10 676 19 71 20 27 19 62 19 68 18 48 33 02 30 27 28 78 25 78 28 18 5 03 4 85 5 60 4 74 5 32 6 62 8 85 7 14 7 27 8 39 25 52 23 93 28 54 24 09 28 79 20 05 29 24 24 81 28 20 29 77 20 54 15 97 19 16 16 09 32 65 37 00 55 43 53 24 55 47 61 20 表3 櫻桃番茄 品種4805016 果實擠壓破裂與破裂變形 Tab 3 Peak rupture force and rupture deformation for cherry tomato 4805016 fruit under compression 表4 櫻桃番茄 品種黃櫻 果實擠壓破裂與破裂變形 Tab 4 Peak rupture force and rupture deformation for cherry tomato Huang ying fruit under compression 表5 櫻桃番茄的果梗折斷測試 Tab 5 Breaking test of cherry tomato stem 折斷距離 mm 折斷距離 mm 折斷距離 mm 折斷負荷 N 折斷負荷 N 折斷負荷 N 序號 序號 品種 成熟度 成熟度 質(zhì)量 g 質(zhì)量 g 縱向直徑 mm 縱向直徑 mm 破裂距離 mm 破裂距離 mm 破裂變形量 破裂變形量 破裂負荷 N 破裂負荷 N 485016 黃櫻 RT19 2 3 櫻桃番茄果實抗壓能力與成熟度的關(guān)系 不同品種的不同成熟度的櫻桃番茄果實的抗壓 能力具有明顯差異 櫻桃番茄 品種4805016 無論 縱向和橫向加載 不同成熟度果實出現(xiàn)裂紋時刻的 擠壓變形量相近 擠壓破裂力關(guān)系 青果期 成熟 期 初熟期 綠熟期 半熟期 如表3所示 而黃櫻無 論縱向和橫向加載 不同成熟度果實出現(xiàn)裂紋時刻 的擠壓變形量相近 擠壓破裂力關(guān)系 青果期 綠 熟期 半熟期 初熟期 成熟期 如表4所示 這可能 與番茄品種的生理特性有關(guān)系 說明品種4805016 開始成熟后果實硬度變化趨勢不定 而黃櫻從綠熟 期到半熟期果實硬度幾乎不變化 直到成熟期果實 變軟明顯 這表明針對不同品種的櫻桃番茄采摘時 機是不同的 合理選擇采摘時機十分關(guān)鍵 2 4 櫻桃番茄果梗折斷特性 根據(jù)上述研究結(jié)果 進一步針對 3 種成熟期櫻 桃番茄的果梗進行折斷測試 結(jié)果如表 5 所示 3 組果梗折斷均從果梗膨大節(jié)處折斷 其中 485016 品種的最大折斷負荷為 8 3 4 N 最大折斷距離為 1 44 mm 黃櫻的最大折斷負荷為5 40 N 最大折斷 距離為3 25 mm RT19最大折斷負荷為8 86 N 最 大折斷距離為3 95 mm 表明如果單果采摘 通過 果梗膨大節(jié)處折斷是一種方便易行的方式 如果串 收采摘 要注意果梗膨大節(jié)處脫落 因此 采摘機 器人與果實間的作用力 運動參數(shù)要特別注意果梗 的力學特性 3 結(jié)論與討論 1 不同成熟度櫻桃番茄果實的抗壓能力具有 明顯差異 以青果期的壓縮破裂最大 成熟期的最 小 整體抗壓能力隨著果實成熟而下降 2 成熟期櫻桃番茄的縱向 橫向擠壓強度差 熊 征 等 面向機器人采摘的櫻桃番茄力學特性研究 28 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 異較大 具有明顯的各向異性特征 其縱向抗壓能 力大于橫向 采摘時應(yīng)當減少橫向壓力 以便更好 保護果實 3 成熟期櫻桃番茄果梗膨大節(jié)處的折斷負荷 較小 單果采摘建議從果梗膨大節(jié)處以折斷方法進 行采摘 串果采摘建議采摘機器人與果實間的作用 力 運動參數(shù)要特別注意果梗的力學脆性 避免串 收過程 采摘 放籃 中成熟果實從果梗膨大節(jié)處 脫落 造成機器人采收失敗 參考文獻 1 OCHIDA C O ITODO A U NWANGANGA P A A review on postharvest storage processing and preservation of tomatoes lycopersicon esculentum mill J Asian Food Science Journal 2019 1 10 2 李昱華 番茄采摘機器人目標檢測與抓取的關(guān) 鍵技術(shù)研究 J 中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2018 12 23 55 57 3 陳紅梅 黃石松 全球性人口老齡化的挑戰(zhàn)與中 國應(yīng)對 J 中國國情國力 2019 9 32 34 4 徐銘辰 串型番茄采摘機器人的研究與設(shè)計 D 鄭州 河南農(nóng)業(yè)大學 2016 5 劉繼展 李萍萍 李智國 等 面向機器人采摘 的番茄力學特性試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2008 24 12 66 70 6 MATSUO T SONODA T TAKEMURA Y et al Toward smart tomato greenhouse the fourth tomato harvesting robot competition J Journal of Robotics Networking and Artificial Life 2019 6 2 138 142 7 REDDY B S SRINIVAS P Effect of fruit size and maturity on selected mechanical properties of tomato J International Journal of Pure 2 Guangdong Hongke Agricultural Machinery R harvesting robot mechanical property maturity fruit stem