可穿戴式無損水果檢測機設計

劉暢　陳涵　馮嘉娜

摘要：當前中國市場水果采摘過程的不規(guī)范和不合理的果品分級，每年會造成巨大的經(jīng)濟損失。為了提高采摘效率，改變單手手持式產(chǎn)品的使用狀態(tài)，本文分析可穿戴無損水果檢測機設計的影響因素，即采摘中的有效行為動作與采摘行為中的視野，并以紅外光譜檢測技術為基礎，為可穿戴無損水果檢測機設計提供思路，希望能有效提升用戶體驗。

關鍵詞：可穿戴;無損水果檢測機;設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）06-0031-02

1無損水果檢測機概述

隨著科學技術的進步，無損檢測技術逐漸應用到水果檢測中。無損檢測是指在不破壞樣品的前提下對其進行內部品質評價的方法，又稱非破壞檢測。而水果品質的無損檢測是指在不破壞水果外形的前提下，進行水果的外形、著色度、糖度、酸度、水分、堅實度、可溶性固形物、農(nóng)藥殘留度等參數(shù)的測量。目前，在無損水果檢測領域主要使用近紅外光譜技術，具有體積小、測量和在線分析速度快、精度高、成本低、對樣品無破壞、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。此項技術使用場景由于對光環(huán)境要求較高，僅限于在采摘后的室內環(huán)境檢測。目前浙江大學的劉輝軍、應義斌提出利用背景光校正方法能有效減小田間環(huán)境光照的影響，可以實現(xiàn)近紅外光譜技術采收成熟度的田間檢測，把此項技術推廣到果實采摘前，可提高第一階段的果品分級效率，減少損耗。

2現(xiàn)有水果檢測機的利弊分析

目前，市售近紅外光譜檢測儀以手持式產(chǎn)品為主，在果實采摘的過程中，因產(chǎn)品的自重較大，不正確動作會產(chǎn)生手部肌肉損傷，且一只手需手持設備工作，工作效率低。因此，手持式產(chǎn)品有一定的操作缺陷?，F(xiàn)有市售與手部相關的可穿戴產(chǎn)品，形式主要分為手套類、手環(huán)類和指環(huán)類。手環(huán)和指環(huán)使用和佩戴方式較為輕便，但需要體量更小的元器件，且產(chǎn)品缺少屏幕的設置，會減少交互的體驗感，不能收集到實時信息的對比和反饋。因此，手套類型的載體是相對比較適合嵌入元器件的形式，且手背部分可以預留設置屏幕的空間。Jinghong Xiong和Satoshi Muraki研究了拇指肌肉活動與拇指操作任務之間的關系，說明了手指區(qū)域活動的角度更為靈活，完成任務更加精確。

3可穿戴式無損水果檢測機設計的影響因素

3.1采摘行為中的有效動作

通過實地的調研，最終以直徑范圍為75mm～85mm、果實叢高位于2m以下，處于人的眼睛視野水平向下30°、水平向上25°的成熟蘋果為采摘對象，在采摘園采用非參與式觀察的方式，觀察實驗對象進行蘋果采摘的過程與狀態(tài)。對1378張采摘過程照片及51段采摘視頻，通過反復觀察、歸納和分析，采摘用戶的動作主要歸納為三個主要的步驟即：1、選抓;2、拉動;3、摘取，可以歸納為三種不同的采摘動作。依據(jù)三種采摘方式進行動作分解，將采摘過程中手部各區(qū)域與果實的接觸點進行圖像數(shù)據(jù)分析研究。

成熟蘋果果實以尺寸分級為65mm～75mm、75mm～85mm、85mm～95mm三個主要等級，因成人手掌抓握百分位數(shù)可知，直徑30mm～40mm以內的圓形截面才可完全抓握，因此65mm～95mm直徑區(qū)間的抓握狀態(tài)時，手各部位與果實接觸點均以各手指指球肌為中心，施力點受力均勻分散。

因此本次觀察選取果實叢高位于2m以下，處于人的眼睛視野水平向下30°、水平向上25°最佳眼睛轉動區(qū)域，以直徑范圍為75mm～85mm的成熟蘋果為對象，分析三種采摘方式下手各部位與果實的接觸區(qū)范圍。

由表1可知，在不借助工具的任意人工采摘方式下，采摘人員的大拇指、食指與中指的指球肌、指腹第二節(jié)區(qū)域與果實果皮皆存在大概率的接觸，并主要由三指指球肌施加一定壓力，通過扭掰等動作完成采摘，如圖1。

3.2采摘行為中的視野

在實際調研過程中，由于果實生長點高度錯落，用戶在采摘作業(yè)中的視野區(qū)也會隨之發(fā)生變化。當果實叢僅略高于地面，使得采摘者多以蹲姿呈俯平視視角進行采摘;當采摘者以站姿采摘，單臂直臂狀態(tài)下最大采摘區(qū)域為距地高75cm～200cm，垂直平面內人體最佳眼睛轉動區(qū)為視平線上25°至視平線以下30°，采摘者根據(jù)目標果實叢高靈活采用俯視、平視、仰視三種作業(yè)視角進行采摘;而叢高距地高于2m果實一般需要借助木梯幫助采摘人員提高視線區(qū)域，在此情況下果農(nóng)多呈仰視角進行作業(yè)。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，在俯視、平視（包括水平視線上10°至視平線下10°范圍）、仰視三種不同采摘作業(yè)視角下采摘人員視野中的手部可視區(qū)呈一定程度的動態(tài)集中分布。

由此，通過實驗圖像數(shù)據(jù)（表2）分析可得以下結論：（1）任意采摘方式下，伴隨采摘人員視野范圍的改變，其手部虎口位在抓取果實環(huán)節(jié)時均能夠保持相對正向地面對人眼視線，并且在扭掰采摘過程中虎口區(qū)仍可見大部分區(qū)域;（2）大拇指側手腕區(qū)及內手腕區(qū)在三種采摘視角過程中可見率較高，如圖2。

4可穿戴式無損水果檢測機設計的思路

4.1檢測裝置位置設計

傳感器作為與水果的接觸部分起到傳輸數(shù)據(jù)的關鍵作用，因而此處壓強不宜過大，且要同時保證在檢測器正常工作的同時不影響到手指的正常運動。因此，由圖1所知，該設計檢測設備的收發(fā)光機構的發(fā)光口處最佳位置為大拇指、食指與中指的指腹第二節(jié)區(qū)域，既可避免手部施力與擠壓造成發(fā)光口損壞變形和果實破壞，也實現(xiàn)了光源近距離投射果皮，可實現(xiàn)排除相鄰果實、枝丫等其他環(huán)境因素干擾進行精準測量。因大部分人三指抓握狀態(tài)下，拇指可活動半徑較小，因此檢測傳感器指環(huán)建議套在食指或者中指上使用。

4.2檢測裝置造型設計

如圖1所示，手部的造型以圍繞三個主要手指的形式而展開，前期方案包括全包圍，半包圍等形式，考慮到工作狀態(tài)中手指處于抬舉的活動狀態(tài)，最終選取了比較穩(wěn)定的套環(huán)的固定方式。

4.3檢測裝置顯示屏設計

顯示屏的放置受采摘動作，水果直徑大小的影響，影響用戶能夠保持在戶外直視數(shù)據(jù)而動作保持自然的工作狀態(tài)。由圖3所知，在任意采摘方式與采摘環(huán)境下，采摘人員手部虎口位、大拇指側手腕與內手腕區(qū)均能夠較為高頻的正向面對人眼視野，不僅如此，根據(jù)俯平仰三個視角采摘狀態(tài)的視野范圍，顯示屏設置與視角成30。的傾角，可以更好地輔助用戶快速接收信息并進行判斷，如圖3。

5結語

傳統(tǒng)手持工具使得用戶需雙手共同作業(yè)，采摘過程中兩手同時進行不同的單臂作業(yè)造成背部肌肉靜態(tài)施力，并且長時間地抬手舉重作業(yè)更增大了肌肉的實際負擔，易感疲勞，影響其身體健康，降低作業(yè)效率。因此，穿戴式無損水果檢測設備將目標檢測、數(shù)據(jù)反饋與采摘作業(yè)集于單手實現(xiàn)一體化操作，以達到解放單手的目的。