橢球型蔬果采摘力學特性分析

鐘金鵬, 陳 豐, 童 以, 劉士靜, 陳敏權, 左若雨, 陳 蒙

(安徽科技學院 機械工程學院,安徽 鳳陽 233100)

在農業(yè)生產過程中,采摘是一項復雜且難以實現(xiàn)自動化的一環(huán)。目前采摘機器對果實損傷大,不適用于鮮果采摘。因此,標準作業(yè)及精細化采摘成為采摘機器人發(fā)展的重中之重[1-4]。目前,Pathare等[5]、李濤等[6]根據不同高度跌落的轉紅期、全紅期番茄表面損傷情況建立了損傷模型。劉燕德等[7]揭示了溫度、成熟度、生長季節(jié)對番茄碰傷的影響規(guī)律。姜松等[8]應用平板壓縮法對不同時間的桔子進行壓縮試驗,探究不同成熟度柑橘與壓縮力的規(guī)律。王鵬等[9]通過試驗發(fā)現(xiàn)葡萄果柄耐拉力與果柄直徑、果刷尺寸有關。劉繼展等[10]發(fā)現(xiàn)番茄果實的抗壓載能力從青果到綠果期迅速減小。以上研究針對單一品種果實,探究了多種環(huán)境下果蔬的生物力學特性,能對各式智能農機裝備的研究起到重要作用[11-12]。但如今農業(yè)生產具有多樣化的特點,單一品種采摘機器不符合農業(yè)發(fā)展的要求,因而對多種果實進行對照試驗并研究其內部力學結構,對通用采摘機器人的研究有積極影響[13]。

為此,本研究就柔性采摘機器人所夾茄果類果蔬,選取梨、獼猴桃進行果實靜力壓載試驗,得到不同果實屈服極限力與直徑的關系曲線,建立并簡化力學結構,分析試驗中的力學原理,得到果實的采摘力學特性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選用的具有代表性的果蔬,分別為紅香酥梨、周至獼猴桃(一種為有核果,一種為無核果)。試驗果實均為綠熟期果實。

1.2 試驗方法

使用游標卡尺測量各果實試樣的直徑,測量3次取平均值,圖1～2為測量圖片。使用微控電子萬能試驗機UTM-5105(精度±0.5%,分辨率±1/120 000)進行靜力壓載試驗(圖3)。

圖1 獼猴桃直徑測量Fig.1 Kiwi diameter measurement

圖2 香梨直徑測量Fig.2 Pears diameter lateral amount

圖3 微控電子萬能試驗機Fig.3 Micro-controlled electronic universal testing machine

2 結果與分析

2.1 果實直徑與質量

使用游標卡尺、電子秤等工具測量供試水果,得到果實的直徑及質量數(shù)據(表1)。

表1 果實的直徑和質量

2.2 壓載試驗

圖4為不同果實不同方向加載產生的裂紋。對果實橫向加載,當載荷達到最大時,裂紋首先出現(xiàn)在果蒂周圍放射性延伸的凹紋處,裂紋從果蒂開始延伸。對果實縱向加載,隨著壓力逐步增大,果實頂部果肉被壓縮,壓力隨之作用于果核上,隨著壓力進一步加大,果核受到擠壓膨脹,使得附近果肉受到果核壓縮作用力而裂開[14-16]。

2.2.1 香梨壓載試驗 表2、圖5為香梨壓載試驗的數(shù)據及加力曲線,當處于彈性階段,特性曲線呈均勻上升趨勢,若此時去掉負載,產生的位移可恢復到原點,試驗材料表面沒有發(fā)生明顯形變,果肉內部無損壞。當曲線達到第一次波動時,樣品表皮沒有明顯破損,但其內部果肉受損。其直徑與屈服極限力關系如圖6所示,二者呈二次函數(shù)關系。

表2 香梨壓縮數(shù)據

圖5 香梨壓載試驗曲線Fig.5 Fragrant pear ballast test curve

圖6 香梨壓載直徑和屈服極限力關系Fig.6 The relationship between ballast diameter and yield limit force of pear

2.2.2 獼猴桃壓載試驗 表3、圖7為獼猴桃壓載試驗的數(shù)據及加力曲線,該曲線由2部分組成,可見獼猴桃在壓載的過程中,先進行彈性變化,在果實破損后曲線變?yōu)椴灰?guī)則曲線[17]?？蓪⒄麄€試驗分成2個階段:彈性階段和破損階段。在彈性階段,力學特性曲線上升平滑,與上面的香梨試驗相同。此時試驗材料表面沒有發(fā)生明顯損壞。曲線第一次波動產生表示果實開始產生不可修復的損壞,是采摘中應避開的階段。如圖8所示,獼猴桃直徑與屈服極限力與香梨相似,均為二次函數(shù)關系。

表3 獼猴桃壓縮數(shù)據

圖8 獼猴桃壓載直徑和屈服極限力關系Fig.8 Relationship between ballast diameter and yield limit force of kiwi fruit

2.3 直徑及加載方向對抗壓能力的影響

如圖6、8所示,在相同成熟度下,果實屈服極限力隨直徑的增大而增大。在相同直徑下,果實縱向承載力要高于橫向承載力[18]。確定香梨與獼猴桃屈服極限力與直徑的變化規(guī)律后,為建立屈服極限力與直徑的數(shù)學模型,對試驗數(shù)據進行擬合分析,得到的數(shù)學模型為:

Y=a+bx+cx2

其中,Y為屈服極限力,N;x為果實直徑,mm;a、b、c為常數(shù)。

數(shù)學模型具體參數(shù)如表4所示,數(shù)學模型中決定系數(shù)R2范圍為0.959 9～0.988 8,擬合優(yōu)度較好,表明該模型能有效表征屈服極限力與直徑的關系[19]。

表4 不同果實屈服極限力與直徑的數(shù)學模型

上述數(shù)學模型中果實屈服極限力與直徑之間為二次函數(shù)關系,該模型可以為采摘機器人的夾持力控制提供數(shù)據支持。

2.4 果實壓載的力學結構研究

果實的最大承載力特點與其內部結構息息相關。探究該結構,對香梨和獼猴桃的采摘、運輸、存儲都有很大的幫助[20-21]。

2.4.1 果實的截面結構 圖9為果實橫截面及力學結構,外觀近似于橢圓的車輪,果實的抗壓載能力除了與外果皮的強度有關外,與果實的內部構造也有重要關系。其中,以獼猴桃為代表的這類果實由外果皮、中果肉、內果肉組成,中果皮肉質多漿,通常由數(shù)層組成;而以香梨為代表的帶核水果則由果皮、果肉和內核組成。

圖9 果實橫截面及結構Fig.9 Cross section and structural diagram of fruit

2.4.2 果實抗壓載能力的各向異性 將果實縱向截面進一步簡化為圖10 所示的結構簡圖,果實可視為由若干環(huán)形結構組成的結構微元Δg(圖10B)。當果實受縱向加載時,其抗壓載力F為所有縱向環(huán)形結構Δg抗壓載能力的疊加,可推得:

其中,φ為環(huán)形結構Δg在平面xOy中的投影與x軸的夾角,F(Δg)=F0Δφ為環(huán)形結構微元Δg的抗壓載能力。

圖10 果實簡化環(huán)形力學結構Fig.10 Simplified annular mechanical structure of fruit

當果實受橫向加載時,其承載能力F橫僅為若干縱向環(huán)形結構承載能力Δg沿橫向加載方向分量的疊加,可推得:

當果實整體分別受縱向和橫向壓載時,其果心分別受到壓縮和拉伸作用力,果心受到的壓縮強度明顯比拉伸強度要大。綜上,果實的縱向抗壓載能力明顯大于橫向。

3 結論

通過對獼猴桃、香梨橢圓形果實進行縱向和橫向壓載試驗,發(fā)現(xiàn)橢圓形果實的縱向、橫向壓載強度差異較大,具有明顯的各向異性特征,其縱向抗壓能力大于橫向,采摘時應當減少橫向壓力。同種果實的屈服極限力與直徑之間存在二次函數(shù)關系,該結果可以為采摘機器人的夾持力控制提供數(shù)據支持。