我國(guó)獼猴桃果實(shí)的物理特性及其損傷因素分析,園藝學(xué)論文

我們國(guó)家獼猴桃果實(shí)的物理特性及其損傷因素分析,園藝學(xué)論文0、引言采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器直接與采摘目的相接觸,是采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)果蔬采摘的關(guān)鍵執(zhí)行部分,直接決定了果蔬采摘品質(zhì)。果實(shí)物理參數(shù)為采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)提供了理論根據(jù),手指的形狀和尺寸往往與果實(shí)相適應(yīng)。采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器手指類型有凹型(如弧形面)和凸型(如棒形),兩種均采用軟硅膠等材料包裹增加緩沖。當(dāng)手指夾持力過大,超過果實(shí)組織的損傷閾值時(shí),果實(shí)將會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷。相關(guān)研究中,SeyedMohammadAliRazavi對(duì)伊朗獼猴桃果實(shí)的物理參數(shù)進(jìn)行了具體討論。與果實(shí)的機(jī)械損傷相關(guān)的報(bào)道中,主要以果實(shí)宏觀機(jī)械損傷的力學(xué)特性參數(shù)指導(dǎo)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì),但獼猴桃果實(shí)存在延遲損傷,早期的微損傷導(dǎo)致果實(shí)后期發(fā)生品質(zhì)腐敗。因而,以獼猴桃果實(shí)微損傷力學(xué)特性參數(shù)指導(dǎo)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)更接近實(shí)際。當(dāng)前,已有學(xué)者對(duì)果實(shí)微損傷進(jìn)行了檢測(cè)研究,呂強(qiáng)等利用高光譜成像技術(shù)對(duì)獼猴桃果實(shí)的微損傷進(jìn)行辨別。本文通過統(tǒng)計(jì)分析我們國(guó)家獼猴桃果實(shí)的物理參數(shù)獲得果實(shí)物理特性;采用正交試驗(yàn),以果實(shí)微損傷時(shí)的力學(xué)特性參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了果實(shí)的損傷因素,為獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)提供了理論根據(jù)。1、果實(shí)物理參數(shù)測(cè)定1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為海沃德獼猴桃,2020年10月21日采摘于西北農(nóng)林科技大學(xué)眉縣獼猴桃試驗(yàn)站,共計(jì)300個(gè)果實(shí),從中隨機(jī)選取115個(gè)果實(shí)進(jìn)行測(cè)量。1.2測(cè)量方式方法1.2.1主要物理尺寸的測(cè)定利用電子稱(精度0.01g)稱量果本質(zhì)量m。利用電子游標(biāo)卡尺(精度0.01mm)測(cè)量獼猴桃果實(shí)的長(zhǎng)L、寬W、厚T。每個(gè)尺寸從果實(shí)的3個(gè)不同方向測(cè)量3次,取平均值作為測(cè)量結(jié)果,通過式(1)、(2)、(3)分別求取果實(shí)的算術(shù)平均值Da、幾何平均值Dg以及球度。有1.2.2靜摩擦因數(shù)確實(shí)定通過確定靜摩擦因數(shù)能夠確定抓持果實(shí)的最小夾持力,對(duì)分級(jí)機(jī)械和末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。為保證在測(cè)量經(jīng)過中,果實(shí)不發(fā)生滾動(dòng)和果實(shí)赤道部位與橡膠板外表可靠接觸,文中將平均數(shù)目為5~6個(gè)(因果實(shí)大小而異)的果實(shí)裝進(jìn)只要5個(gè)面的矩形盒(去掉與橡膠外表相對(duì)的盒面,長(zhǎng)175mm,寬115mm,高40mm),在保證果實(shí)之間無相對(duì)移動(dòng)的情況下置于橡膠板外表;然后,用萬能試驗(yàn)機(jī)以90mm/min的速度將橡膠板的一頭拉起使其傾斜,直到果實(shí)和盒子開場(chǎng)滑落時(shí)停止,量取橡膠板與水平面的夾角,由式(4)求取摩擦因數(shù)υ。每組重復(fù)3次,共進(jìn)行10組試驗(yàn),最終結(jié)果取平均值。有υ=tan(4)1.2.3最小夾持力確實(shí)定。假設(shè)獼猴桃果實(shí)采用弧形面手指抓持,果實(shí)受重力G,手指施加壓力為F,弧形面手指內(nèi)附橡膠,與果實(shí)的摩擦系數(shù)為υ,最大靜摩擦力為Ff。圖1所示為果實(shí)夾持受力俯視圖。由牛頓第一定律果實(shí)受力平衡條件,果實(shí)不滑落的臨界條件為果實(shí)重力等于果實(shí)與手指間產(chǎn)生的最大靜摩擦力。由此,最小夾持力F為2、果實(shí)抓持損傷試驗(yàn)2.1材料與設(shè)備試驗(yàn)材料為成熟期海沃德獼猴桃果實(shí),2020年10月21日(收獲當(dāng)天)采摘于西北農(nóng)林科技大學(xué)眉縣獼猴桃試驗(yàn)站,共計(jì)300個(gè)果實(shí)。從中隨機(jī)選取160個(gè)作為試驗(yàn)樣本。試驗(yàn)設(shè)備采用上海衡翼精致細(xì)密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0230型微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)(精度等級(jí)0.5級(jí)、分辨力1/250000、精度0.5%、速度可在0.001~500mm/min內(nèi)任意調(diào)節(jié)、力傳感器量程為0~100N)。果實(shí)加載位置如此圖2所示。試驗(yàn)中,根據(jù)需要更換壓頭,針對(duì)現(xiàn)有的弧形面和棒形兩種手指形式,自制弧形壓頭(曲率半徑52mm)代替凹型接觸(半徑9.5mm)、棒形凸面型和球形壓頭接觸。2.2試驗(yàn)方式方法試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法,從采摘的果實(shí)中隨機(jī)選取160個(gè)因素分為16組,選用L16(4229)正交表。試驗(yàn)因素與水平選取:①4個(gè)壓縮量。選取以下為參考文獻(xiàn)[6],何東健等對(duì)獼猴桃果實(shí)進(jìn)行的壓縮試驗(yàn),指出3mm的壓縮率不損傷果實(shí),因而本文選取2、3、4、5mm4個(gè)水平。②4個(gè)加載速率。結(jié)合機(jī)器人手指閉合速率并以下為參考文獻(xiàn)[5],選擇30、60、90、120mm/min,屬準(zhǔn)靜態(tài)加載。③兩種加載位置。基礎(chǔ)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),獼猴桃果實(shí)縱向和橫向存在各向異性,因而不同的加載位置對(duì)果實(shí)損傷存在影響。④兩種壓頭材料。⑤兩種壓頭類型。主要考慮了現(xiàn)有的末端執(zhí)行器手指形狀。萬能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄樣本壓縮經(jīng)過的加載力-位移曲線以及壓縮數(shù)據(jù)和峰值力Fmax,用MatLab7.14軟件對(duì)加載力-位移曲線積分即得到果實(shí)的力學(xué)特性參數(shù)壓縮能E。試驗(yàn)重復(fù)10次,最終結(jié)果取峰值力和壓縮能的平均值。采用SPSS19.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,獲得對(duì)果實(shí)損傷因素的顯著性順序。果實(shí)在壓縮處理完成之后對(duì)壓縮位置進(jìn)行標(biāo)記后置于室溫21℃下儲(chǔ)藏,觀察果實(shí)變化情況。3、結(jié)果與分析3.1果實(shí)物理參數(shù)測(cè)定海沃德獼猴桃物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如表1所示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS19.0軟件,從115個(gè)水果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取50個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由表1可知,果實(shí)平均質(zhì)量、平均長(zhǎng)度分別為97.41、64.98mm,均小于SeyedMohammadAliRazavi的統(tǒng)計(jì)結(jié)果;寬度和厚度分別為52.16mm和47.86mm,均大于SeyedMohammadAliRazavi的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。果實(shí)寬度和厚度方向極差分別為11.28mm和9.14mm,相比長(zhǎng)度方向15.50mm變化小,有利于手指對(duì)果實(shí)大小的適應(yīng)性,進(jìn)而簡(jiǎn)化夾持機(jī)構(gòu)。球度均值為0.84,大于SeyedMohammadAliRazavi統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由此能夠看出,我們國(guó)家海沃德品種形狀規(guī)則,接近于球形,采摘末端執(zhí)行器采用仿生圓弧面能保證夾持的穩(wěn)定性和果實(shí)受力的均勻性,而且構(gòu)造簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。果實(shí)與橡膠的摩擦因數(shù)在0.38~0.51之間,平均為0.44。若取果實(shí)平均質(zhì)量97.41g,則采用兩指夾持的方式,由式(5)可求得果實(shí)不滑落的最小夾持力F為1.08N。表2所示為獼猴桃質(zhì)量與其物理參數(shù)相關(guān)性分析,顯著水平=0.05。由表2可知,果本質(zhì)量與其幾何平均直徑、算術(shù)平均直徑以及長(zhǎng)厚積均存在顯著的相關(guān)性,決定系數(shù)R2均大于0.9,P=0。果實(shí)的幾何平均直徑與質(zhì)量的相關(guān)性最高,其相關(guān)系數(shù)R=0.964,長(zhǎng)寬積與果本質(zhì)量相關(guān)性最差,長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)單一尺寸與果實(shí)的質(zhì)量存在相關(guān)性但相關(guān)系數(shù)較小,根據(jù)果實(shí)幾何平均直徑可對(duì)果實(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分級(jí)。3.2果實(shí)抓持損傷試驗(yàn)3.2.1果實(shí)損傷分析圖3所示為壓縮量5mm(加載力20N)、不銹鋼球形壓頭的果實(shí)加載力-位移曲線。由圖3可知加載力與位移近似呈線性關(guān)系,擬合直線決定系數(shù)R2均大于0.99。針對(duì)試驗(yàn)所選的壓縮量,果實(shí)受壓變形近似處于彈性變形階段。圖4所示為壓縮處理后不同儲(chǔ)藏期果實(shí)品質(zhì)變化對(duì)照。處理完成之后,第1天、36天和44天時(shí),果實(shí)未去皮前外表無損傷痕跡;但比照?qǐng)D4(c)和4(f)可知,在儲(chǔ)藏44天后,去皮后果實(shí)內(nèi)部出現(xiàn)白色斑點(diǎn),表現(xiàn)出明顯果肉組織損傷。此時(shí)果實(shí)受力均值為19.5N。試驗(yàn)結(jié)果與HarmandeepJaura研究發(fā)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)微損傷會(huì)導(dǎo)致果實(shí)后期品質(zhì)下降的觀點(diǎn)一致,也同作者在陜西眉縣齊峰果業(yè)公司的調(diào)研結(jié)果一致。由此可知,獼猴桃果實(shí)存在延遲損傷,即便是微損傷也影響其儲(chǔ)藏期。3.2.2各因素對(duì)力學(xué)特性的影響表3所示為峰值力方差分析結(jié)果。5個(gè)因素均對(duì)峰值力產(chǎn)生顯著影響,顯著性水平P均小于0.05(=0.05),模型決定系數(shù)R2為0.994,講明所選因素均為影響果實(shí)抓持損傷的影響因素。由統(tǒng)計(jì)量F,FSFTFDFMFV可知,5個(gè)因素對(duì)峰值力影響顯著性依次是加載位置、壓頭類型、壓縮量、壓頭材料、加載速率;加載速率和壓頭材料對(duì)峰值力的影響較其他因素顯著性較低。表4所示為壓縮能方差分析結(jié)果。5個(gè)因素均對(duì)壓縮能產(chǎn)生顯著影響,顯著性水平P均小于0.05(=0.05),模型決定系數(shù)R2為0.997,講明所選因素均為影響果實(shí)抓持損傷的影響因素。由統(tǒng)計(jì)量F,FSFTFDFMFV可知,5個(gè)因素對(duì)壓縮能的影響顯著性依次為壓縮量、加載位置、壓頭類型、壓頭材料、加載速率;加載速率和壓頭材料對(duì)壓縮能的影響較其他因素顯著性較低。比照5個(gè)損傷因素對(duì)峰值力和壓縮能兩個(gè)力學(xué)參數(shù)影響顯著性順序,居前三位的是壓縮能、加載位置和壓頭類型,而加載速率和壓頭材料對(duì)兩者的影響較其他因素相對(duì)較小;相比劉繼展等發(fā)現(xiàn)的加載位置對(duì)番茄果實(shí)的影響程度小而言,獼猴桃果實(shí)則相反。原因可能是獼猴桃果實(shí)的長(zhǎng)度方向(果蒂周圍)有著較高硬度的果芯,因而表現(xiàn)為明顯的各向異性。峰值力受果實(shí)本身性質(zhì)假如實(shí)曲率半徑、成熟度等因素影響,文中主要考慮與末端執(zhí)行器抓持相關(guān)的損傷因素,未考慮果實(shí)本身的性質(zhì)。加載速率對(duì)果實(shí)的力學(xué)特性影響較小與劉繼展等研究結(jié)果一致,而壓頭材料相對(duì)偏低的原因可能是試驗(yàn)采用的橡膠材料彈性度較低。末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)以壓縮量為首要考慮因素,保證抓持的穩(wěn)定性和果實(shí)的安全性,而手指內(nèi)襯彈性材料可增加緩沖有利保證果實(shí)安全性。4、結(jié)論1)研究為采摘末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸確定提供了理論根據(jù)。海沃德獼猴桃果實(shí)近似球形的果形宜于采用仿生弧形面進(jìn)行夾持,其對(duì)果實(shí)形狀的適應(yīng)性好,同時(shí)受力均勻。而果實(shí)厚度方向極小的尺寸變化,采用厚度方向夾持可提高