基于機(jī)器人采摘的柑橘果柄切割力學(xué)特性研究

陳 燕，蔣志林，李嘉威，鄒湘軍，彭紅星，王佳盛，劉威威

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州 510642)

基于機(jī)器人采摘的柑橘果柄切割力學(xué)特性研究

陳 燕1，蔣志林1，李嘉威1，鄒湘軍1，彭紅星2，王佳盛1，劉威威1

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州 510642)

為了給柑橘采摘機(jī)器人切割裝置設(shè)計(jì)提供依據(jù)，根據(jù)采摘時(shí)被切割果柄彎曲的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了果柄切割?yuàn)A持試驗(yàn)架，對柑橘果柄進(jìn)行了不同切割條件的切割試驗(yàn)。結(jié)果表明：切割過程中，柑橘果柄發(fā)生彎曲，隨著滑切角增大，果柄產(chǎn)生的起始裂紋從外側(cè)轉(zhuǎn)移到內(nèi)側(cè)，同時(shí)果柄切口更光滑；切割速度、刀具形式和滑切角均顯著影響柑橘果柄的切割力學(xué)參數(shù)；隨著切割速度的增大，峰值切割力、切割功率和切割位移均先快速減小，然后緩慢減??；隨著滑切角的增大，峰值切割力減小，但切割位移先減少后增大；當(dāng)滑切角為0°時(shí)，相比平刀和齒刀，弧刀對柑橘果柄的峰值切割力和切割位移最少；采用平刀切割，滑切角不應(yīng)太大，以免切割位移過大，降低采摘速度；使用齒刀切割，滑切角應(yīng)大于30°，不但峰值切割力大大減小，而且切割位移增加也較小。

機(jī)器人； 柑橘果柄； 切割試驗(yàn)； 力學(xué)特性； 切割速度； 刀具形式； 滑切角

我國柑橘種植面積和產(chǎn)量均居世界之首，其采摘在整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)過程占有很大工作量[1]。采用機(jī)器人采摘，可提高采摘效率，降低成本，改善勞動(dòng)條件。根據(jù)柑橘的栽培特性，機(jī)器人采摘時(shí)，常用末端執(zhí)行器夾持果實(shí)，然后切割果柄。果柄的切割質(zhì)量、切割效率和切割效果等，不僅與切割裝置的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和控制有關(guān)，還與果柄的特性密切相關(guān)[2]。因此，為了更好地設(shè)計(jì)柑橘的切割裝置，有必要對柑橘果柄的切割特性進(jìn)行研究。

為了優(yōu)化收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[3-6]研究了甘蔗、玉米、油菜和水稻等果?；蚯o稈切割的影響因素。同樣，為優(yōu)化采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，尹秋等[7]研究了香蕉果梗切割力學(xué)特性，劉繼展等[8]研究了番茄果梗的拉斷與折斷特性，周會(huì)玲等[9]研究了葡萄果柄耐拉力與果實(shí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，錢少明等[10]研究了黃瓜果柄切斷阻力等物理特性。而基于機(jī)器人采摘，張水波[11]研究了柑橘的力學(xué)特性，其中在對柑橘果柄進(jìn)行切割試驗(yàn)時(shí)是將其放置于固定板上進(jìn)行切割，這與實(shí)際采摘時(shí)果柄被切割的狀態(tài)不一致。因機(jī)器人采摘時(shí)，果柄兩端分別連著樹枝和被末端執(zhí)行器夾緊的柑橘，此時(shí)，果柄的受力情況與簡支梁類似，在切割過程中果柄會(huì)發(fā)生彎曲。另外，廣東盛產(chǎn)貢柑，它是柑橘的其中一個(gè)品種，其特性與其他品種有較大差異，目前關(guān)于其力學(xué)特性未見報(bào)道。鑒于此，根據(jù)采摘時(shí)被切割果柄發(fā)生彎曲的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)果柄切割試驗(yàn)用的夾持架，對柑橘果柄進(jìn)行不同切割條件的切割試驗(yàn)，研究柑橘果柄的切割力學(xué)特性，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)柑橘采摘機(jī)器人的切割裝置提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料為柑橘品種貢柑，產(chǎn)于廣州南沙果園。持有較長果柄的柑橘采回后，去除果實(shí)和枝葉，保留果柄，從中選取較通直、無樹眼段的果柄為試樣。試樣長度為40 mm，直徑為2.8～3.7 mm。試樣在采后24 h內(nèi)完成試驗(yàn)。

試驗(yàn)用設(shè)備為精密微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)WD-20KE型，精度±5%，分辨率±1/120 000，試驗(yàn)過程可由微機(jī)自動(dòng)完成力、位移和時(shí)間的數(shù)據(jù)采集。自制的用以夾持果柄試樣兩端的夾持試驗(yàn)架如圖1所示。切割試驗(yàn)所用刀具為平刀、弧刀和齒刀。

1.2 試驗(yàn)方法

果柄的切割特性受刀具刃口形式、切割速度和滑切角等影響[2,5]。因此，分別選取3種切割速度(150、250、350 mm/min)、3種刀具(平刀、弧刀和齒刀)和3種滑切角(0°、30°和60°)對柑橘果柄進(jìn)行單因素切割試驗(yàn)，研究這些因素對柑橘果柄切割性能的影響。

圖1 夾持試驗(yàn)架

試驗(yàn)時(shí)夾持試驗(yàn)架放置在試驗(yàn)機(jī)固定底板上，果柄兩端分別裝夾在試驗(yàn)架的虎鉗上(虎口處粘貼橡膠墊)，在試驗(yàn)機(jī)的上壓頭處安裝刀具，刀具刃口垂直果柄軸線。切割試驗(yàn)采用果柄固定不動(dòng)，刀具垂直向下運(yùn)動(dòng)的方式，切割位置處于果柄中部，每組切割試驗(yàn)重復(fù)5次。

試驗(yàn)后分別按下式計(jì)算切斷果柄所需的切割功率：

P=∫F(l)vdl

(1)

式中：P為切割功率(W)，F(xiàn)為果柄切割力(N)，v為切割速度(m/s)，l為切割位移(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 果柄切割力-變形規(guī)律

不同切割條件下柑橘果柄切割力與位移關(guān)系曲線具有相似性，圖2是平刀和滑切角為0°時(shí)柑橘果柄切割的力-位移曲線。由圖2和試驗(yàn)觀察可見，切割力與切割位移關(guān)系整體是非線性的，隨著切割位移的增加，切割力不斷上升；切割過程中，果柄不斷發(fā)生彎曲，當(dāng)果柄外側(cè)(遠(yuǎn)離刀具一側(cè))表層出現(xiàn)裂紋，切割力達(dá)到第1個(gè)波峰值，然后下降；隨著刀具切入果柄的深度增加，切割力又開始上升，當(dāng)果柄被完全切斷時(shí)，切割力到達(dá)最大值，之后切割力瞬時(shí)下降。

圖2 柑橘果柄切割曲線

2.2 切割速度對果柄切割特性的影響

采用平刀和滑切角為0°時(shí)，不同切割速度下柑橘果柄峰值切割力和切割功率的變化如圖3所示。由圖3可見，切割速度與柑橘果柄的峰值切割力和切割功率呈非線性關(guān)系；隨著切割速度的增加，峰值切割力與切割功率先快速減小，然后緩慢減小。此外，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，3種切割速度(150、250、350 mm/min)下的切割位移分別為8.40、7.37、6.92 mm，即切割速度越大，果柄切割時(shí)的彎曲量越小，切割時(shí)間越短。但切割時(shí)間的縮短也是前期快，后期慢。由此可見，提高切割速度可減少果柄的切割力、切割功率和切割時(shí)間，但隨著切割速度的增加，其減小減緩。因此，為協(xié)調(diào)切割機(jī)構(gòu)的動(dòng)力匹配，切割速度應(yīng)大于一定值，但也不應(yīng)過大。后續(xù)還需擴(kuò)大切割速度的試驗(yàn)范圍，以獲取合適的切割速度選擇范圍。

圖3 切割速度對柑橘果柄峰值切割力和 切割功率的影響

不同切割速度下的柑橘果柄切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果見表1。由表1可知，切割速度對峰值切割力、切割位移和切割功率的影響均顯著(P<0.05)，但顯著性存在差異。切割速度對切割功率的影響最顯著，其次是切割力，最后是切割位移。

表1 不同切割速度的柑橘果柄切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

2.3 不同形式刀具對柑橘果柄切割特性影響

切割速度為250 mm/min和滑切角為0°時(shí)，不同形式刀具對柑橘果柄峰值切割力和切割位移的影響如圖4所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析如表2所示。由圖4和表2可知，刀具形式對柑橘果柄的峰值切割力和切割位移影響極顯著(P<0.01)；齒刀的峰值切割力和切割位移最大，而弧刀的最少；平刀的峰值切割力稍高于弧刀，但切割位移卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弧刀。因此，當(dāng)滑切角為0°時(shí)，采用弧刀較易且可快速切斷果柄，切割效率高。

圖4 刀具形式對柑橘果柄峰值切割力和切割位移的影響表2 不同形式刀具對柑橘果柄切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

方差來源變量平方和自由度均方F值P值刀具形式峰值切割力49182.05224591.0310.080.003切割位移37.20218.6018.090.000

2.4 滑切角度對柑橘果柄切割特性的影響

由滑切試驗(yàn)過程觀察到，當(dāng)滑切角為0°時(shí)，果柄在切割力作用下所產(chǎn)生的起始裂紋產(chǎn)生于外側(cè)(遠(yuǎn)離刀具一側(cè))，其截面如圖5(a)所示；而當(dāng)滑切角為30°和60°，起始裂紋產(chǎn)生于內(nèi)側(cè)(與刀具接觸一側(cè))，其截面如圖5(b)所示。對照兩圖可知，隨著滑切角增大，柑橘果柄切口更光滑。

圖5 不同滑切角下柑橘果柄的斷口形式

選擇切割速度為250 mm/min，采用平刀和齒刀分別進(jìn)行不同滑切角下柑橘果柄切割試驗(yàn)，得到峰值切割力和切割位移與滑切角的關(guān)系曲線如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析如表3所示。由圖6和表3可知，無論是平刀還是齒刀切割，滑切角對柑橘果柄峰值切割力影響極顯著(P<0.01)，隨著滑切角的增大，平刀和齒刀對果柄的峰值切割力減小，且齒刀對果柄的峰值切割力在滑切角0°時(shí)遠(yuǎn)大于平刀，但滑切角為30°時(shí)接近平刀；滑切角對柑橘果柄峰值切割位移影響也顯著(P<0.05)，但平刀切割時(shí)影響極顯著(P<0.01)，隨著滑切角度的增大，平刀和齒刀切割柑橘果柄的切割位移先減少后增大，但滑切角為30°后，平刀的切割位移大幅增加，而齒刀增大較少。

由以上分析可知，采用一定的滑切角，可減少柑橘果柄的峰值切割力，提高其斷口質(zhì)量。但使用平刀切割時(shí)，滑切角不應(yīng)過大，以免切割時(shí)間過長，降低采摘速度；而使用齒刀對果柄進(jìn)行切割，其滑切角應(yīng)大于30°，可快速切斷果柄。

圖6 刀具對柑橘果柄峰值切割力和切割位移的影響表3 柑橘果柄滑切試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

方差來源刀具形式變量平方和自由度均方F值P值滑切角平刀切割力2877.2421438.6212.520.001切割位移163.65281.8316.720.000齒刀切割力54905.23227452.6111.590.002切割位移15.1327.566.090.015

3 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，切割過程，柑橘果柄發(fā)生彎曲，當(dāng)滑切角為0°時(shí)，果柄起始裂紋產(chǎn)生于外側(cè)，當(dāng)滑切角為30°和60°，起始裂紋產(chǎn)生于內(nèi)側(cè)，且滑切角越大，果柄切口越光滑。

切割速度、刀具形式和滑切角均對柑橘果柄的切割力學(xué)參數(shù)影響顯著。隨著切割速度的增大，峰

值切割力、切割功率和切割位移均先快速減小，然后緩慢減小；隨著滑切角的增大，峰值切割力減小，但切割位移先減少后增大。

當(dāng)滑切角為0°時(shí)，相比平刀和齒刀，弧刀對柑橘果柄的峰值切割力和切割位移最少，可快速容易切斷果柄；雖然增大滑切角可降低柑橘果柄的峰值切割力，但對于平刀切割，滑切角不應(yīng)過大，以免切割時(shí)間過長，降低采摘速度；使用齒刀切割，滑切角應(yīng)大于30°，不但柑橘果柄的切割力大大減小，且切割時(shí)間增加也較小，可快速切斷果柄。

[1] 張水波,鮑官軍,楊慶華,等.基于機(jī)器人采摘的柑橘機(jī)械特性研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,40(3):340-344.

[2] 陳燕,蔡偉亮,向和平,等.面向機(jī)器人采摘的荔枝果梗力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(21):53-57.

[3] 劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂,等.甘蔗莖稈切割力試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(7):90-94.

[4] 李耀明,秦同娣,陳進(jìn),等.玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1):160-164.

[5] 吳明亮,官春云,湯楚宙,等.油菜莖稈切割力影響因素試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(6):141-144.

[6] 趙湛,李耀明,徐立章,等.超級稻單莖稈切割力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,41(10):72-75.

[7] 尹秋,王濤,張喜瑞,等.香蕉果梗切割力學(xué)特性試驗(yàn)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2013,34(4):75-77.

[8] 劉繼展,李萍萍,李智國,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)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,24(12):66-70.

[9] 周會(huì)玲,李嘉瑞.葡萄漿果耐壓力、耐拉力與果實(shí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(2):106-109,114.

[10] 錢少明,楊慶華,王志恒,等.黃瓜抓持特性與末端采摘執(zhí)行器研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(7):107-112.

[11] 張水波.柑橘采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2011.

Study of Citrus Pedicel Cutting Mechanical Property Based on Robot Picking

CHEN Yan1,JIANG Zhilin1,LI Jiawei1,ZOU Xiangjun1,PENG Hongxing2,WANG Jiasheng1,LIU Weiwei1

(1.College of Engineering,South China Agricultural University/Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,Guangzhou 510642,China； 2.College of Informatics,South China gricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to provide evidence for designing cutting device of citrus picking robot,according to the bent work state when picking the cut pedicel,a cutting pedicel test fixture was designed and a cutting experiment under different citrus pedicel cutting condition was carried out.The experiment results indicated that citrus pedicels were bent first when cutting,with the sliding angle increasing,the initial crack of pedicel transferred from the outside to the inside,and the pedicel incision became smooth simultaneously;cutting speed,cutter form and sliding angle affected significantly mechanical parameters of citrus pedicel;with the cutting speed increasing,the peak cutting force,cutting power and cutting displacement decreased rapidly at the initial phase,but decreased slowly at the last phase;with the sliding angle increasing,the peak cutting force decreased,but the cutting displacement decreased initially and then increased;compared with the flat cutter and teeth cutter,the peak cutting force and cutting displacement of citrus pedicel were minimum for arc cutter when the sliding angle was 0°;the sliding angle should not be too much for fear that cutting displacement was too large and cutting speed became slower when using the flat cutter;the sliding angle should be larger than 30° when using the teeth cutter,not only the peak cutting force reduced greatly but also the growth rate of cutting displacement was less.

robot; citrus pedicel; cutting experiment; mechanical property; cutting speed; cutter form; sliding angle

2016-11-15

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A020208091，2015A020209120，2015A020209111)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015A030310258)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31571568)

陳 燕(1964-)，女，廣東廣州人，副教授，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究。 E-mail：313786159@qq.com

S225.93；S666

A

1004-3268(2017)04-0147-04