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(jī)器人采摘的櫻桃番茄力學(xué)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(jī)械研究開(kāi)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(lèi)型 其果實(shí)及果梗的力學(xué)特性是采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制的重要 依據(jù) 對(duì)不同成熟期的櫻桃番茄果實(shí)進(jìn)行了縱向和橫向擠壓試驗(yàn) 對(duì)其果梗進(jìn)行了折斷試驗(yàn) 結(jié)果表 明 不同成熟度櫻桃番茄果實(shí)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(shí)成熟而下降 成熟期櫻桃番茄的縱向 橫向擠壓強(qiáng)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(shí)應(yīng)當(dāng)減少橫向壓力 以便更好保護(hù)果實(shí) 成熟期櫻桃番茄果 梗膨大節(jié)處的折斷負(fù)荷較小 單果采摘時(shí)建議從果梗膨大節(jié)處以折斷方法進(jìn)行采摘 串果采摘時(shí)建議采 摘機(jī)器人與果實(shí)間的作用力 運(yùn)動(dòng)參數(shù)要特別注意果梗的力學(xué)脆性 避免串收過(guò)程 采摘 放籃 中成 熟果實(shí)從果梗膨大節(jié)處脫落 造成機(jī)器人采收失敗 關(guān)鍵詞 櫻桃番茄 采摘機(jī)器人 力學(xué)特性 成熟度 果梗 中圖分類(lèi)號(hào) TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673 2154 2020 03 0024 05 0 引言 櫻桃番茄是市場(chǎng)上最受消費(fèi)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(zhǎng)周期長(zhǎng) 櫻桃番茄采收 環(huán)節(jié)成為一項(xiàng)最為耗時(shí)耗力的繁重工作 需要投入 大量的人力 其投入的勞動(dòng)力占整個(gè)番茄種植環(huán)節(jié) 中勞動(dòng)力投入的 50 70 2 近年來(lái) 由于中國(guó) 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?jiǎng)荼仉y以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的需要 3 根據(jù)櫻桃番茄的成簇生長(zhǎng)特性 分為單果采收 和整串采收 4 櫻桃番茄采摘機(jī)器人采用前者作業(yè) 時(shí) 一般先對(duì)果實(shí)進(jìn)行可靠抓持 再通過(guò)拉斷或折 斷果梗等方式將果實(shí)從植株上分離 櫻桃番茄采摘 機(jī)器人采用后者作業(yè)時(shí) 一般先對(duì)整串果梗進(jìn)行可 靠夾持 再通過(guò)切割?yuàn)A持上方果梗方式將整串果實(shí) 從植株上分離 由于櫻桃番茄多汁皮薄以及其獨(dú)特 的易脫落膨大果梗節(jié)特點(diǎn) 無(wú)論采摘機(jī)器人是單果 采收還是整串采收 均需要對(duì)櫻桃番茄的果實(shí)及果 梗力學(xué)特性進(jìn)行研究 為采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制 提供依據(jù) 5 近年來(lái) 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)番茄果實(shí)力學(xué)特性進(jìn)行 了大量的研究 但針對(duì)櫻桃番茄果實(shí)和果梗的研 究相對(duì)較少 6 9 本文對(duì)與采摘機(jī)器人設(shè)計(jì) 控制 直接相關(guān)的櫻桃番茄果實(shí)的抗擠壓特性 果梗的折 斷特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究 得到了不同加載方向 不 同成熟度下番茄果實(shí)的擠壓力 變形規(guī)律 并結(jié)合 果梗的折斷試驗(yàn) 探討櫻桃番茄機(jī)器人采摘的作 收稿日期 2020 04 08 基 金 項(xiàng) 目 2019年廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專(zhuān)項(xiàng) 粵財(cái)農(nóng) 2019 73號(hào) 廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)有限公司 廣州市 院士專(zhuān)家工作站 項(xiàng)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(tuán)隊(duì) 2019KJ145 作者簡(jiǎn)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(jī)設(shè)施園藝研究 E mail xiongz109 通訊作者 李惠玲 1 98 2 女 高級(jí)工程師 主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施及裝備科研開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用工作 E mail 61445603 25 第3期 熊 征 等 面向機(jī)器人采摘的櫻桃番茄力學(xué)特性研究 業(yè)方式 1 材料與方法 1 1 試驗(yàn)材料與儀器 試驗(yàn)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(shí)變色 90 以上 半熟期 果實(shí)變色 60 90 初 熟期 果實(shí)變色 20 60 綠熟期 果實(shí)變色 0 20 青果期 果實(shí)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(shí)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(yàn) 試驗(yàn)儀器 美國(guó) Brookfield 公司 CT3 10K 質(zhì)構(gòu) 儀 負(fù)載量程 1 10 000 g 負(fù)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(yàn)方法 1 2 1 櫻桃番茄果實(shí)擠壓試驗(yàn) 1 CT3 質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置 預(yù)測(cè)試速度為 2 mm s 測(cè)試類(lèi)型為壓縮 測(cè)試目標(biāo)為距離 測(cè)試目標(biāo)值為 10 mm 等待時(shí)間為 0 s 觸發(fā)點(diǎn)負(fù)載為 7 g 測(cè)試 速度為0 5 mm s 探頭為T(mén)A4 100 直徑 38 1 mm 長(zhǎng) 20 mm 透明有機(jī)玻璃圓柱探頭 夾具為 TA RT KIT 旋轉(zhuǎn)工作基臺(tái) 2 擠壓試驗(yàn)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(cè)試 每組 10 個(gè) 分別去除果梗 先用 JA1203 電子分析 天平稱(chēng)量 再隨機(jī)均分為兩小組 用 CT3 質(zhì)構(gòu)儀分 別測(cè)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(yàn) 1 CT3 質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)設(shè)置 預(yù)測(cè)試速度為 2 mm s 測(cè)試類(lèi)型為壓縮 測(cè)試目標(biāo)為距離 測(cè)試目標(biāo)值為 10 mm 等待時(shí)間為 0 s 觸發(fā)點(diǎn)負(fù)載為 7 g 測(cè)試 速度為 0 5 mm s 探頭為 TA41 直徑 6 mm 質(zhì)量 7 g 長(zhǎng) 35 mm 不銹鋼圓柱探頭 夾具為 TA RT KIT 旋轉(zhuǎn)工作基臺(tái) 和 TA AVJ 可調(diào)節(jié)固定 夾具 2 折斷試驗(yàn)方法 11 選擇成熟期櫻桃番茄 4805016 RT19 和黃櫻 果梗 每組 10 個(gè) 放 到 TA AVJ 可調(diào)節(jié)固定夾具 探頭 的正下方測(cè)試 如圖 2 所示 2 結(jié)果與分析 2 1 櫻桃番茄果實(shí)的壓縮負(fù)荷 變形規(guī)律 對(duì)不同成熟度櫻桃番茄模擬夾取操作 即縱向 壓縮 試驗(yàn)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(xiàn)關(guān)系 如圖 3 4 所示 圖1 櫻桃番茄果實(shí)擠壓試驗(yàn) 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(yàn) Fig 2 Stem breaking test of cherry tomato CT3質(zhì)構(gòu)儀 探頭 樣品 工作臺(tái) TA41探頭 可調(diào)節(jié)夾具 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 果梗 26 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 即從開(kāi)始?jí)嚎s至果皮出現(xiàn)裂紋階段 擠壓力壓縮負(fù) 荷與變形量近似直線(xiàn)關(guān)系 破裂后擠壓力壓縮負(fù)荷 驟然下降 待變形量壓縮距離足夠大時(shí) 擠壓力壓 縮負(fù)荷又繼續(xù)上升 但是黃櫻品種整個(gè)壓縮過(guò)程中 無(wú)品種 4805016 那樣有明顯的生物屈服點(diǎn)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(shí)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(qiáng)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(fù)荷 破裂距離 均大于橫向 其中品種 485016 的最大破裂負(fù)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(guò)橫向 擠壓測(cè)試觀(guān)察發(fā)現(xiàn) 縱向 加載時(shí) 當(dāng)載荷達(dá)到最大擠壓破裂力時(shí) 果實(shí)均沿 縱向出現(xiàn)細(xì)微裂紋 裂紋隨載荷增加而逐漸增大 直至果實(shí)完全破壞 橫向加載時(shí) 果實(shí)蒂部 去果 梗部位 附近首先出現(xiàn)放射性細(xì)微裂紋 裂紋隨載 荷增加而逐漸增大 直至果實(shí)從蒂部完全破壞 試 驗(yàn)結(jié)果表明番茄采摘要注意蒂部保護(hù) 櫻桃番茄必 須考慮帶果梗采摘 圖3 櫻桃番茄 品種4805016 果實(shí)縱向壓縮負(fù)荷 壓縮距離曲線(xiàn) Fig 3 Force deformation curve for cherry tomato 4805016 fruits under compression 圖4 櫻桃番茄 品種黃櫻 果實(shí)縱向壓縮負(fù)荷 壓縮距離曲線(xiàn) 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(shí)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(shí)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(fù)荷 N 破裂負(fù)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(shí)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(shí)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(cè)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(fù)荷 N 折斷負(fù)荷 N 折斷負(fù)荷 N 序號(hào) 序號(hào) 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(fù)荷 N 破裂負(fù)荷 N 485016 黃櫻 RT19 2 3 櫻桃番茄果實(shí)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(shí)的抗壓 能力具有明顯差異 櫻桃番茄 品種4805016 無(wú)論 縱向和橫向加載 不同成熟度果實(shí)出現(xiàn)裂紋時(shí)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(wú) 論縱向和橫向加載 不同成熟度果實(shí)出現(xiàn)裂紋時(shí)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(shuō)明品種4805016 開(kāi)始成熟后果實(shí)硬度變化趨勢(shì)不定 而黃櫻從綠熟 期到半熟期果實(shí)硬度幾乎不變化 直到成熟期果實(shí) 變軟明顯 這表明針對(duì)不同品種的櫻桃番茄采摘時(shí) 機(jī)是不同的 合理選擇采摘時(shí)機(jī)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(jìn)一步針對(duì) 3 種成熟期櫻 桃番茄的果梗進(jìn)行折斷測(cè)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(fù)荷為 8 3 4 N 最大折斷距離為 1 44 mm 黃櫻的最大折斷負(fù)荷為5 40 N 最大折斷 距離為3 25 mm RT19最大折斷負(fù)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(guò) 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(jī) 器人與果實(shí)間的作用力 運(yùn)動(dòng)參數(shù)要特別注意果梗 的力學(xué)特性 3 結(jié)論與討論 1 不同成熟度櫻桃番茄果實(shí)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(shí)成熟而下降 2 成熟期櫻桃番茄的縱向 橫向擠壓強(qiáng)度差 熊 征 等 面向機(jī)器人采摘的櫻桃番茄力學(xué)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(shí)應(yīng)當(dāng)減少橫向壓力 以便更好 保護(hù)果實(shí) 3 成熟期櫻桃番茄果梗膨大節(jié)處的折斷負(fù)荷 較小 單果采摘建議從果梗膨大節(jié)處以折斷方法進(jìn) 行采摘 串果采摘建議采摘機(jī)器人與果實(shí)間的作用 力 運(yùn)動(dòng)參數(shù)要特別注意果梗的力學(xué)脆性 避免串 收過(guò)程 采摘 放籃 中成熟果實(shí)從果梗膨大節(jié)處 脫落 造成機(jī)器人采收失敗 參考文獻(xiàn) 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(jī)器人目標(biāo)檢測(cè)與抓取的關(guān) 鍵技術(shù)研究 J 中國(guó)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(guó)應(yīng)對(duì) J 中國(guó)國(guó)情國(guó)力 2019 9 32 34 4 徐銘辰 串型番茄采摘機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì) D 鄭州 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 2016 5 劉繼展 李萍萍 李智國(guó) 等 面向機(jī)器人采摘 的番茄力學(xué)特性試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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