植物工廠生菜采收末端執(zhí)行機構設計與試驗

徐賽超，毛罕平，劉 洋，邢高勇

(江蘇大學 現代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

近年來，植物工廠逐步實現了自動環(huán)境調控、智能網絡控制及生產流程的規(guī)范等[1]，但前期投入費用大、耗能高，因此降低成本是發(fā)展植物工廠的必要條件[2-3]。面對勞動力日益減少的現狀，在耗費人力的收獲環(huán)節(jié)實現自動化生產有利于植物工廠的加速發(fā)展。日本出光興產公司針對設施菠菜研制了一種菠菜自動化采收機械[4-5]，先由剪切裝置將定植杯子和成熟的菠菜分離，再通過皮帶輸送機械將其放入收集箱內，此采收機械的自動化程度不高。北京工業(yè)大學的高國華等人研制了一套適用于溫室霧培小白菜的自動化采收裝置[6-7]，通過帶有聚攏板的手爪可以同時對多顆小白菜實現聚攏夾緊并統一切根，進而通過運輸平臺實現蔬菜輸送；但不適用于生菜采收。

本文在基于江蘇大學植物工廠的基礎上，針對種植于栽培板上的營養(yǎng)液水培生菜，利用TA.XTplus質構儀對生菜進行了力學特性測試，進而根據力學特性參數對末端執(zhí)行機構進行設計，適用于江蘇大學植物工廠生菜自動化采收系統，實現了高效采收作業(yè)。

1 生菜力學特性測試

1.1 試驗材料

測試時間為2016年10-12月，測試地點為江蘇大學農業(yè)裝備工程學院重點實驗室；測試材料為農業(yè)裝備工程學院自行種植的成熟期營養(yǎng)液水培生菜。

測試儀器包括：TA. XTPlus質構儀(SMS公司，英國)；UPM 0-150mm電子數顯游標卡尺(深圳市聯思精密機器有限公司，精度0.01mm)；LQ-1000g電子稱(樂祺電子衡器有限公司，精度0.01g)。

1.2 試驗方法

1)生菜的物理特性。采收帶有根莖的生菜共60顆，在之后的12h內完成測試，確保測試數據準確。使用數顯電子稱測量生菜的整體質量，用游標卡尺丈量生菜莖部直徑。

2)生菜的抗壓力-位移特性。選取供試生菜樣本為60顆，于采收后6h內完成試驗。由生菜的物理特性試驗結論可知：生菜平均高度約為200mm，100mm往上部位菜葉較松散，不宜夾持；考慮到后期設計的夾持器手爪的寬度，試驗部位不宜太低，故需對供試生菜的3種不同部位進行壓縮力-位移特性試驗，測試部位分別為生菜莖部往上60、80、100mm，每個部位供試生菜樣本為20顆，分析生菜最佳夾持部位。質構儀工在作時選擇壓縮模式，測試前后探頭運行速率都是5.0mm/s，測試速度為2.0mm/s，應變量(Strain)設置為70%，探頭選擇P100壓縮探頭，其余參數選擇默認值?？箟毫?位移特性試驗裝置如圖1所示。

3)生菜莖部的滑動剪切特性。測試儀器和試驗前準備同生菜的抗壓力-位移特性試驗，如圖2所示。質構儀在工作時，選擇拉伸模式，測試前后探頭運行速率都是2.0mm/s，測試速度分別為1.0，1.5，2.0mm/s，應變量選擇距離模式，數值為25mm；在加載速率均為1mm/s的情況下，選取刀片與水平方向所呈角度分別為0°、5°、10°的情況下進行滑動剪切試驗；其余參數選擇默認值。相應雙面剪切計算公式為[8]

(1)

式中τ—生菜莖部剪切時的極限應力(MPa)；

Fmax—生菜莖部剪切力峰值(N)；

A—生菜莖部的橫截面面積(mm2)。

圖1 抗壓力-位移特性試驗裝置

1.剪切探頭 2.生菜根莖 3.剪切支撐座

1.3 試驗結果與分析

1)生菜的物理特性。根據測量結果顯示：生菜莖部均徑為14.84～23.18mm，生菜高度為190.54～205.22mm，生菜質量為681.55～712.32g。如表1所示：生菜莖部均徑為19.42mm，平均高度為198.41mm，平均質量為697.86mm，且均符合正態(tài)分布規(guī)律，置信水平在95%以上。

2)生菜的抗壓力-位移特性。在相同速率下，當加載位置為生菜莖部往上60～100mm變化時，在壓縮曲線初始階段，生菜所受的壓力與變形量成正比，曲線為直線上升，生菜表現出壓實硬化特性；隨后壓縮曲線出現波動，并在某個位移處出現一個明顯的折彎，同時生菜被壓縮處發(fā)出破裂的聲響，由于菜葉組織表皮及其內部結構發(fā)生塑性破壞所致，所受的壓力超過了生物屈服點，生菜葉片發(fā)生局部破裂。

表1 生菜物理特性參數

對60個樣本進行試驗統計得出不同位置下的抗壓力峰值與其相對應的位移量，求得參數的平均值如表2所示。隨著壓縮位置由生菜莖部往上60、80、100mm處的不斷上移，生菜越蓬松，葉片間的距離變大；生菜所能承受的壓縮力和壓縮位移均相應增大，即生菜抗壓能力隨著壓縮位置的上升而增大，在60、80、100mm處生菜的抗壓力峰值分別為19.851、21.368、34.143N。

3)生菜莖部的滑動剪切特性。30個測試樣本為一組，在剪切過程中先后出現3個不同階段：一開始生菜莖部所受的剪切力與位移量呈近似線性關系，此為彈性變形階段；隨后曲線開始出現鋸齒形波動，此為第2階段，這個階段下生菜莖部的表面組織被逐漸破壞；隨著生菜莖部深層組織進一步被破壞，曲線呈鋸齒形上升趨勢；最后曲線呈現懸崖式回落，此為第3階段，在這個階段中生菜莖部深層組織被徹底破壞，無法再抵抗剪切力的作用，曲線上表現為隨著位移量的增加剪切力不斷降低。

表2 生菜抗壓力-位移特性參數

由式(1)計算可得生菜莖部極限剪應力，如表3所示。當剪切速率為1、1.5、2 mm/s時，平均最大剪切力分別為20.253、19.642、18.776N，剪切力峰值和極限剪應力隨著剪切速度的增加而減小。當剪切角度為0°、5°、10°時，平均最大剪切力分別為20.865、20.143、19.725N。在刀片安裝角度不同的情況下，剪切角度和剪切力峰值呈負相關，當刀片角度增大，剪切力峰值隨之降低。

表3 生菜滑動剪切力學參數

2 末端執(zhí)行機構的設計

2.1 結構及工作原理

末端執(zhí)行機構采用雙曲柄滑塊平移型結構，分為夾持器和剪切器兩部分，分別通過底板與Z軸同步帶直線運動單元上的滑塊和固定座相連接，夾持器隨著Z軸滑塊實現上下移動，而剪切器固定于Z軸。由于生菜為橢圓形形狀且上大下小，為了在采收作業(yè)時更容易對生菜進行包絡抓取，末端執(zhí)行器與生菜接觸部位的夾持爪設計成包絡面且內凹的形狀，且內部輪廓與生菜輪廓相擬和。該末端執(zhí)行機構的工作原理為電機帶動中間曲柄，從而帶動滑塊在滑槽上實現水平移動，進而帶動夾持爪和刀片實現夾緊放松及剪切動作，如圖3所示。

1.連桿 2.滑塊 3.曲柄 4.夾持連接桿 5.夾持爪

2.2 末端執(zhí)行機構參數分析

此末端執(zhí)行機構的傳動系統可以簡化為兩個組合的偏置曲柄滑塊結構(見圖4)，在實際工作過程中，偏置曲柄滑塊結構擁有一定的急回特性，在曲柄繞著支點OA在進行等速轉動的過程中，滑塊空回行程的平均速率相比于工作行程的平均速率有所增加，即空回行程所需的時間較短。此機構能夠縮短采收作業(yè)中無效工作時間，有效地提高了末端執(zhí)行機構工作效率。

圖4 偏置曲柄滑塊結構示意圖

當機構中的曲柄從A1點逆時針轉過Φ1角度到A2點時，滑塊3也相應地從B1點移動至B2點；當曲柄1從A2點繼續(xù)逆時針轉過Φ2角度回到A1點時，滑塊3也隨之從B2點返回至B1點。如圖4所示。OAA1和OAA2所夾的角度θ是搖桿2在機構急回行程的過程中曲柄繞支點OA所轉過角度的補角；b為偏距；αmax為最大壓力角，出現于曲柄1上的端點A相對于滑塊3在其直線運行軌跡B1B2上距離最遠的時刻。由于曲柄滑塊機構中存在移動副，故設機構的許用壓力角 取為40°左右；K為滑塊3的行程速度變化系數，偏置曲柄滑塊機構的該系數值較?。籬為滑塊行程。其中的關系可表示為

(2)

a=L2/L1

(3)

(4)

μ=b/L1

由生菜力學特性測試結論可知：生菜100mm處往下適宜被夾持，夾持爪寬度設計為50mm，則設定50～100mm上下區(qū)域為夾持區(qū)域。根據對生菜樣本的測量統計，可知生菜100mm處的直徑約為100mm左右；又由于夾持爪和同側滑塊的垂直距離為30mm，剪切器的刀架與同側滑塊的垂直距離為60mm，要保證生菜能進入夾持爪內部空間同時根莖可以被完全剪切，則需要保證兩個滑塊之間的距離至少為160mm，滑塊離中心距離至少為80mm。且栽培板上每顆生菜之間的距離為200mm，考慮到曲柄滑塊機構有一定的行程且滑塊在采收作業(yè)時和生菜離的較遠，不會與生菜相接觸。由試驗可得：生菜的最大壓縮量為40mm左右，所以滑塊離中心在60～80mm區(qū)間內能夾持住生菜。為了保證夾持器在工作中能夠有效進行夾持且不影響其他生菜的前提，設定單個曲柄滑塊機構的行程為h=60mm，a=3.3。

在式(2)中取等號解出，并代入式(3)計算得出

(5)

將[α]=40°,a=3.3代入式(5)解出θ=14.061°；將θ=14.061°分別代入式(2)和式(3)，解出L1=27.997mm,μ=1.121 2；則L2=92.390mm，b=31.390mm。

3 自動采收性能試驗

3.1 試驗方法

采收成功率是衡量植物工廠生菜自動化采收系統和所設計的末端執(zhí)行機構可靠性能的重要指標，而采收效率與采收成功率相互制約。因此，需對系統進行自動采收性能試驗，從而評估其作業(yè)性能，為系統優(yōu)化和改進提供參考。

將所設計的末端執(zhí)行機構裝配于課題組研制的江蘇大學植物工廠生菜自動化采收系統，分別在系統采收效率為15、20、30塊/h下進行生菜自動采收性能試驗，一個采收周期即為采收一塊栽培板上9顆生菜，每組試驗4個周期，共36顆生菜。試驗裝置如圖5所示。

圖5 采收試驗裝置示意圖

用來評價生菜自動采收系統性能的重要指標為采收成功率，用S表示，定義為

(6)

其中，N為生菜總數；N1為末端執(zhí)行機構成功采收的生菜個數。

3.2 試驗結果與分析

試驗結果如表4所示。

表4 采收試驗結果

在系統采收效率為15、20塊/h，系統采收成功率分別為94.4%、91.6%，采收成功率較高，滿足采收作業(yè)要求。當采收效率增大至30塊/h時，采收成功率大幅度下降至83.3%，并出現采收過程中生菜脫落現象。這是由于同步帶直線運動單元屬于柔性驅動系統，在高速運行時，由于XYZ直角三坐標運動機構的慣性所引起的末端執(zhí)行機構產生振動，表現為夾持器在采收作業(yè)中出現夾不穩(wěn)固的現象，導致生菜在未到達收集箱位置就提前脫落，使得采收作業(yè)失敗，采收效率和采收成功率呈負相關，采收最優(yōu)速率在15～20塊/h之間。

4 結論

1) 對營養(yǎng)液水培生菜進行力學特性測試，分別測試了生菜的物理特性、抗壓力-位移特性和生菜莖部的滑動剪切特性。結合測試結果進行了末端執(zhí)行機構的設計，適用于江蘇大學植物工廠生菜自動化采收系統，可實現自動化生菜采收作業(yè)，節(jié)省人力，有利于植物工廠的推廣和發(fā)展。

2) 將所設計的末端執(zhí)行機構裝配于課題組研制的植物工廠生菜自動化采收系統，并在采收效率分別為15、20、30塊/h下進行了自動采收性能試驗，結果表明：采收成功率分別為94.4%、91.6%及83.3%；采收效率和采收成功率呈負相關，為保證采收效率，采收最優(yōu)效率應控制在15～20塊/h之間。