面向机器人采摘的樱桃番茄力学特性研究.pdf

现代农业装备 第41卷 第3期 2020年6月 VOL 41 No 3 Jun 2020 Modern Agricultural Equipment 24 面向机器人采摘的樱桃番茄力学特性研究 熊 征 1 2 李惠玲 1 侯 露 2 陈金奇 1 薛坤鹏 1 黎业钲 2 1 广东省现代农业装备研究所 广东 广州 510630 2 广东弘科农业机械研究开发有限公司 广东 广州 510555 摘 要 樱桃番茄是番茄中的一种特殊类型 其果实及果梗的力学特性是采摘机器人设计与控制的重要 依据 对不同成熟期的樱桃番茄果实进行了纵向和横向挤压试验 对其果梗进行了折断试验 结果表 明 不同成熟度樱桃番茄果实的抗压能力具有明显差异 以青果期的压缩破裂最大 成熟期的最小 整 体抗压能力随着果实成熟而下降 成熟期樱桃番茄的纵向 横向挤压强度差异较大 具有明显的各向异 性特征 其纵向抗压能力大于横向 采摘时应当减少横向压力 以便更好保护果实 成熟期樱桃番茄果 梗膨大节处的折断负荷较小 单果采摘时建议从果梗膨大节处以折断方法进行采摘 串果采摘时建议采 摘机器人与果实间的作用力 运动参数要特别注意果梗的力学脆性 避免串收过程 采摘 放篮 中成 熟果实从果梗膨大节处脱落 造成机器人采收失败 关键词 樱桃番茄 采摘机器人 力学特性 成熟度 果梗 中图分类号 TP242 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2020 03 0024 05 0 引言 樱桃番茄是市场上最受消费者欢迎的番茄品种 之一 1 大多数樱桃番茄是在温室中种植 由于设 施环境温湿度高 番茄生长周期长 樱桃番茄采收 环节成为一项最为耗时耗力的繁重工作 需要投入 大量的人力 其投入的劳动力占整个番茄种植环节 中劳动力投入的 50 70 2 近年来 由于中国 人口老龄化加快和农业从业人口急剧下降 低效率 的人工采摘势必难以适应市场竞争发展的需要 3 根据樱桃番茄的成簇生长特性 分为单果采收 和整串采收 4 樱桃番茄采摘机器人采用前者作业 时 一般先对果实进行可靠抓持 再通过拉断或折 断果梗等方式将果实从植株上分离 樱桃番茄采摘 机器人采用后者作业时 一般先对整串果梗进行可 靠夹持 再通过切割夹持上方果梗方式将整串果实 从植株上分离 由于樱桃番茄多汁皮薄以及其独特 的易脱落膨大果梗节特点 无论采摘机器人是单果 采收还是整串采收 均需要对樱桃番茄的果实及果 梗力学特性进行研究 为采摘机器人的设计与控制 提供依据 5 近年来 国内外学者对番茄果实力学特性进行 了大量的研究 但针对樱桃番茄果实和果梗的研 究相对较少 6 9 本文对与采摘机器人设计 控制 直接相关的樱桃番茄果实的抗挤压特性 果梗的折 断特性进行了试验研究 得到了不同加载方向 不 同成熟度下番茄果实的挤压力 变形规律 并结合 果梗的折断试验 探讨樱桃番茄机器人采摘的作 收稿日期 2020 04 08 基 金 项 目 2019年广东省乡村振兴战略专项 粤财农 2019 73号 广东弘科农业机械研究开发有限公司 广州市 院士专家工作站 项目 h2020 03 01 农产品保鲜物流共性关键技术研发创新团队 2019KJ145 作者简介 熊征 1979 男 博士 工程师 主要从事设施农业人工智能装备及有机设施园艺研究 E mail xiongz109 通讯作者 李惠玲 1 98 2 女 高级工程师 主要从事现代农业设施及装备科研开发和推广应用工作 E mail 61445603 25 第3期 熊 征 等 面向机器人采摘的樱桃番茄力学特性研究 业方式 1 材料与方法 1 1 试验材料与仪器 试验材料 樱桃番茄品种选择红色的 4805016 RT19 和黄樱 分为成熟期 果实变色 90 以上 半熟期 果实变色 60 90 初 熟期 果实变色 20 60 绿熟期 果实变色 0 20 青果期 果实全青 未变色 均采 自于广东省农业技术推广总站 采摘时注意保留果 梗 采摘后立即使用保鲜袋包装 24 h 内完成试验 试验仪器 美国 Brookfield 公司 CT3 10K 质构 仪 负载量程 1 10 000 g 负载分辨率 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 电子分析天平 量程 0 120 g 精度 0 001 g 1 2 试验方法 1 2 1 樱桃番茄果实挤压试验 1 CT3 质构仪参数设置 预测试速度为 2 mm s 测试类型为压缩 测试目标为距离 测试目标值为 10 mm 等待时间为 0 s 触发点负载为 7 g 测试 速度为0 5 mm s 探头为TA4 100 直径 38 1 mm 长 20 mm 透明有机玻璃圆柱探头 夹具为 TA RT KIT 旋转工作基台 2 挤压试验方法 10 选择各成熟度期两种代 表颜色的樱桃番茄 红色 4805016 和黄樱 测试 每组 10 个 分别去除果梗 先用 JA1203 电子分析 天平称量 再随机均分为两小组 用 CT3 质构仪分 别测试横向和纵向压缩 如图 1 所示 1 2 2 樱桃番茄果梗折断试验 1 CT3 质构仪参数设置 预测试速度为 2 mm s 测试类型为压缩 测试目标为距离 测试目标值为 10 mm 等待时间为 0 s 触发点负载为 7 g 测试 速度为 0 5 mm s 探头为 TA41 直径 6 mm 质量 7 g 长 35 mm 不锈钢圆柱探头 夹具为 TA RT KIT 旋转工作基台 和 TA AVJ 可调节固定 夹具 2 折断试验方法 11 选择成熟期樱桃番茄 4805016 RT19 和黄樱 果梗 每组 10 个 放 到 TA AVJ 可调节固定夹具 探头 的正下方测试 如图 2 所示 2 结果与分析 2 1 樱桃番茄果实的压缩负荷 变形规律 对不同成熟度樱桃番茄模拟夹取操作 即纵向 压缩 试验结果表明 不同品种的压缩载荷与压缩 距离之间具有相似的曲线关系 如图 3 4 所示 图1 樱桃番茄果实挤压试验 左为纵向 右为横向 Fig 1 Compression test of cherry tomato fruit left is transverse right is longitudinal 图 2 樱桃番茄果梗折断试验 Fig 2 Stem breaking test of cherry tomato CT3质构仪 探头 样品 工作台 TA41探头 可调节夹具 旋转工作台 果梗 26 现代农业装备 2020年 即从开始压缩至果皮出现裂纹阶段 挤压力压缩负 荷与变形量近似直线关系 破裂后挤压力压缩负荷 骤然下降 待变形量压缩距离足够大时 挤压力压 缩负荷又继续上升 但是黄樱品种整个压缩过程中 无品种 4805016 那样有明显的生物屈服点出现 主 要原因是受樱桃番茄的品种及其成熟度影响 2 2 成 熟期樱桃番茄果实抗挤压与加载方向的关系 成熟期樱桃番茄的纵向 横向挤压强度差异较 大 具有明显的各向异性特征 如表 1 2 所示 成熟期的樱桃番茄的纵向挤压破裂负荷 破裂距离 均大于横向 其中品种 485016 的最大破裂负荷为 37 59 N 黄樱的是 63 64 N 表明樱桃番茄的纵向 抗压能力显著超过横向 挤压测试观察发现 纵向 加载时 当载荷达到最大挤压破裂力时 果实均沿 纵向出现细微裂纹 裂纹随载荷增加而逐渐增大 直至果实完全破坏 横向加载时 果实蒂部 去果 梗部位 附近首先出现放射性细微裂纹 裂纹随载 荷增加而逐渐增大 直至果实从蒂部完全破坏 试 验结果表明番茄采摘要注意蒂部保护 樱桃番茄必 须考虑带果梗采摘 图3 樱桃番茄 品种4805016 果实纵向压缩负荷 压缩距离曲线 Fig 3 Force deformation curve for cherry tomato 4805016 fruits under compression 图4 樱桃番茄 品种黄樱 果实纵向压缩负荷 压缩距离曲线 Fig 4 Force deformation curve for cherry tomato Huang ying fruits under compression 485016 黄樱 485016 黄樱 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 成熟期樱桃番茄果实纵向抗压能力 Tab 1 Longitudinal compressive capacity of cherry tomato fruit in mature stage 表2 成熟期樱桃番茄果实横向抗压能力 Tab 2 Transversal compressive capacity of cherry tomato fruit in mature stage 最大 最大 品种 品种 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 横向直径 mm 纵向直径 mm 破裂距离 mm 破裂距离 mm 破裂负荷 N 破裂负荷 N 压缩载荷 N 压缩载荷 N 压缩距离 mm 压缩距离 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 绿熟期 青果期 成熟期 半熟期 初熟期 绿熟期 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 樱桃番茄 品种4805016 果实挤压破裂与破裂变形 Tab 3 Peak rupture force and rupture deformation for cherry tomato 4805016 fruit under compression 表4 樱桃番茄 品种黄樱 果实挤压破裂与破裂变形 Tab 4 Peak rupture force and rupture deformation for cherry tomato Huang ying fruit under compression 表5 樱桃番茄的果梗折断测试 Tab 5 Breaking test of cherry tomato stem 折断距离 mm 折断距离 mm 折断距离 mm 折断负荷 N 折断负荷 N 折断负荷 N 序号 序号 品种 成熟度 成熟度 质量 g 质量 g 纵向直径 mm 纵向直径 mm 破裂距离 mm 破裂距离 mm 破裂变形量 破裂变形量 破裂负荷 N 破裂负荷 N 485016 黄樱 RT19 2 3 樱桃番茄果实抗压能力与成熟度的关系 不同品种的不同成熟度的樱桃番茄果实的抗压 能力具有明显差异 樱桃番茄 品种4805016 无论 纵向和横向加载 不同成熟度果实出现裂纹时刻的 挤压变形量相近 挤压破裂力关系 青果期 成熟 期 初熟期 绿熟期 半熟期 如表3所示 而黄樱无 论纵向和横向加载 不同成熟度果实出现裂纹时刻 的挤压变形量相近 挤压破裂力关系 青果期 绿 熟期 半熟期 初熟期 成熟期 如表4所示 这可能 与番茄品种的生理特性有关系 说明品种4805016 开始成熟后果实硬度变化趋势不定 而黄樱从绿熟 期到半熟期果实硬度几乎不变化 直到成熟期果实 变软明显 这表明针对不同品种的樱桃番茄采摘时 机是不同的 合理选择采摘时机十分关键 2 4 樱桃番茄果梗折断特性 根据上述研究结果 进一步针对 3 种成熟期樱 桃番茄的果梗进行折断测试 结果如表 5 所示 3 组果梗折断均从果梗膨大节处折断 其中 485016 品种的最大折断负荷为 8 3 4 N 最大折断距离为 1 44 mm 黄樱的最大折断负荷为5 40 N 最大折断 距离为3 25 mm RT19最大折断负荷为8 86 N 最 大折断距离为3 95 mm 表明如果单果采摘 通过 果梗膨大节处折断是一种方便易行的方式 如果串 收采摘 要注意果梗膨大节处脱落 因此 采摘机 器人与果实间的作用力 运动参数要特别注意果梗 的力学特性 3 结论与讨论 1 不同成熟度樱桃番茄果实的抗压能力具有 明显差异 以青果期的压缩破裂最大 成熟期的最 小 整体抗压能力随着果实成熟而下降 2 成熟期樱桃番茄的纵向 横向挤压强度差 熊 征 等 面向机器人采摘的樱桃番茄力学特性研究 28 现代农业装备 2020年 异较大 具有明显的各向异性特征 其纵向抗压能 力大于横向 采摘时应当减少横向压力 以便更好 保护果实 3 成熟期樱桃番茄果梗膨大节处的折断负荷 较小 单果采摘建议从果梗膨大节处以折断方法进 行采摘 串果采摘建议采摘机器人与果实间的作用 力 运动参数要特别注意果梗的力学脆性 避免串 收过程 采摘 放篮 中成熟果实从果梗膨大节处 脱落 造成机器人采收失败 参考文献 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 李昱华 番茄采摘机器人目标检测与抓取的关 键技术研究 J 中国新技术新产品 2018 12 23 55 57 3 陈红梅 黄石松 全球性人口老龄化的挑战与中 国应对 J 中国国情国力 2019 9 32 34 4 徐铭辰 串型番茄采摘机器人的研究与设计 D 郑州 河南农业大学 2016 5 刘继展 李萍萍 李智国 等 面向机器人采摘 的番茄力学特性试验 J 农业工程学报 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