椭球型蔬果采摘力学特性分析

钟金鹏, 陈 丰, 童 以, 刘士静, 陈敏权, 左若雨, 陈 蒙

(安徽科技学院 机械工程学院,安徽 凤阳 233100)

在农业生产过程中,采摘是一项复杂且难以实现自动化的一环。目前采摘机器对果实损伤大,不适用于鲜果采摘。因此,标准作业及精细化采摘成为采摘机器人发展的重中之重[1-4]。目前,Pathare等[5]、李涛等[6]根据不同高度跌落的转红期、全红期番茄表面损伤情况建立了损伤模型。刘燕德等[7]揭示了温度、成熟度、生长季节对番茄碰伤的影响规律。姜松等[8]应用平板压缩法对不同时间的桔子进行压缩试验,探究不同成熟度柑橘与压缩力的规律。王鹏等[9]通过试验发现葡萄果柄耐拉力与果柄直径、果刷尺寸有关。刘继展等[10]发现番茄果实的抗压载能力从青果到绿果期迅速减小。以上研究针对单一品种果实,探究了多种环境下果蔬的生物力学特性,能对各式智能农机装备的研究起到重要作用[11-12]。但如今农业生产具有多样化的特点,单一品种采摘机器不符合农业发展的要求,因而对多种果实进行对照试验并研究其内部力学结构,对通用采摘机器人的研究有积极影响[13]。

为此,本研究就柔性采摘机器人所夹茄果类果蔬,选取梨、猕猴桃进行果实静力压载试验,得到不同果实屈服极限力与直径的关系曲线,建立并简化力学结构,分析试验中的力学原理,得到果实的采摘力学特性。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验选用的具有代表性的果蔬,分别为红香酥梨、周至猕猴桃(一种为有核果,一种为无核果)。试验果实均为绿熟期果实。

1.2 试验方法

使用游标卡尺测量各果实试样的直径,测量3次取平均值,图1～2为测量图片。使用微控电子万能试验机UTM-5105(精度±0.5%,分辨率±1/120 000)进行静力压载试验(图3)。

图1 猕猴桃直径测量Fig.1 Kiwi diameter measurement

图2 香梨直径测量Fig.2 Pears diameter lateral amount

图3 微控电子万能试验机Fig.3 Micro-controlled electronic universal testing machine

2 结果与分析

2.1 果实直径与质量

使用游标卡尺、电子秤等工具测量供试水果,得到果实的直径及质量数据(表1)。

表1 果实的直径和质量

2.2 压载试验

图4为不同果实不同方向加载产生的裂纹。对果实横向加载,当载荷达到最大时,裂纹首先出现在果蒂周围放射性延伸的凹纹处,裂纹从果蒂开始延伸。对果实纵向加载,随着压力逐步增大,果实顶部果肉被压缩,压力随之作用于果核上,随着压力进一步加大,果核受到挤压膨胀,使得附近果肉受到果核压缩作用力而裂开[14-16]。

2.2.1 香梨压载试验 表2、图5为香梨压载试验的数据及加力曲线,当处于弹性阶段,特性曲线呈均匀上升趋势,若此时去掉负载,产生的位移可恢复到原点,试验材料表面没有发生明显形变,果肉内部无损坏。当曲线达到第一次波动时,样品表皮没有明显破损,但其内部果肉受损。其直径与屈服极限力关系如图6所示,二者呈二次函数关系。

表2 香梨压缩数据

图5 香梨压载试验曲线Fig.5 Fragrant pear ballast test curve

图6 香梨压载直径和屈服极限力关系Fig.6 The relationship between ballast diameter and yield limit force of pear

2.2.2 猕猴桃压载试验 表3、图7为猕猴桃压载试验的数据及加力曲线,该曲线由2部分组成,可见猕猴桃在压载的过程中,先进行弹性变化,在果实破损后曲线变为不规则曲线[17]。可将整个试验分成2个阶段:弹性阶段和破损阶段。在弹性阶段,力学特性曲线上升平滑,与上面的香梨试验相同。此时试验材料表面没有发生明显损坏。曲线第一次波动产生表示果实开始产生不可修复的损坏,是采摘中应避开的阶段。如图8所示,猕猴桃直径与屈服极限力与香梨相似,均为二次函数关系。

表3 猕猴桃压缩数据

图8 猕猴桃压载直径和屈服极限力关系Fig.8 Relationship between ballast diameter and yield limit force of kiwi fruit

2.3 直径及加载方向对抗压能力的影响

如图6、8所示,在相同成熟度下,果实屈服极限力随直径的增大而增大。在相同直径下,果实纵向承载力要高于横向承载力[18]。确定香梨与猕猴桃屈服极限力与直径的变化规律后,为建立屈服极限力与直径的数学模型,对试验数据进行拟合分析,得到的数学模型为:

Y=a+bx+cx2

其中,Y为屈服极限力,N;x为果实直径,mm;a、b、c为常数。

数学模型具体参数如表4所示,数学模型中决定系数R2范围为0.959 9～0.988 8,拟合优度较好,表明该模型能有效表征屈服极限力与直径的关系[19]。

表4 不同果实屈服极限力与直径的数学模型

上述数学模型中果实屈服极限力与直径之间为二次函数关系,该模型可以为采摘机器人的夹持力控制提供数据支持。

2.4 果实压载的力学结构研究

果实的最大承载力特点与其内部结构息息相关。探究该结构,对香梨和猕猴桃的采摘、运输、存储都有很大的帮助[20-21]。

2.4.1 果实的截面结构 图9为果实横截面及力学结构,外观近似于椭圆的车轮,果实的抗压载能力除了与外果皮的强度有关外,与果实的内部构造也有重要关系。其中,以猕猴桃为代表的这类果实由外果皮、中果肉、内果肉组成,中果皮肉质多浆,通常由数层组成;而以香梨为代表的带核水果则由果皮、果肉和内核组成。

图9 果实横截面及结构Fig.9 Cross section and structural diagram of fruit

2.4.2 果实抗压载能力的各向异性 将果实纵向截面进一步简化为图10 所示的结构简图,果实可视为由若干环形结构组成的结构微元Δg(图10B)。当果实受纵向加载时,其抗压载力F为所有纵向环形结构Δg抗压载能力的叠加,可推得:

其中,φ为环形结构Δg在平面xOy中的投影与x轴的夹角,F(Δg)=F0Δφ为环形结构微元Δg的抗压载能力。

图10 果实简化环形力学结构Fig.10 Simplified annular mechanical structure of fruit

当果实受横向加载时,其承载能力F横仅为若干纵向环形结构承载能力Δg沿横向加载方向分量的叠加,可推得:

当果实整体分别受纵向和横向压载时,其果心分别受到压缩和拉伸作用力,果心受到的压缩强度明显比拉伸强度要大。综上,果实的纵向抗压载能力明显大于横向。

3 结论

通过对猕猴桃、香梨椭圆形果实进行纵向和横向压载试验,发现椭圆形果实的纵向、横向压载强度差异较大,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。同种果实的屈服极限力与直径之间存在二次函数关系,该结果可以为采摘机器人的夹持力控制提供数据支持。