基于机器人采摘的柑橘果柄切割力学特性研究

陈 燕，蒋志林，李嘉威，邹湘军，彭红星，王佳盛，刘威威

(1.华南农业大学 工程学院/南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东 广州 510642；2.华南农业大学 信息学院，广东 广州 510642)

基于机器人采摘的柑橘果柄切割力学特性研究

陈 燕1，蒋志林1，李嘉威1，邹湘军1，彭红星2，王佳盛1，刘威威1

(1.华南农业大学 工程学院/南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东 广州 510642；2.华南农业大学 信息学院，广东 广州 510642)

为了给柑橘采摘机器人切割装置设计提供依据，根据采摘时被切割果柄弯曲的工作状态，设计了果柄切割夹持试验架，对柑橘果柄进行了不同切割条件的切割试验。结果表明：切割过程中，柑橘果柄发生弯曲，随着滑切角增大，果柄产生的起始裂纹从外侧转移到内侧，同时果柄切口更光滑；切割速度、刀具形式和滑切角均显著影响柑橘果柄的切割力学参数；随着切割速度的增大，峰值切割力、切割功率和切割位移均先快速减小，然后缓慢减小；随着滑切角的增大，峰值切割力减小，但切割位移先减少后增大；当滑切角为0°时，相比平刀和齿刀，弧刀对柑橘果柄的峰值切割力和切割位移最少；采用平刀切割，滑切角不应太大，以免切割位移过大，降低采摘速度；使用齿刀切割，滑切角应大于30°，不但峰值切割力大大减小，而且切割位移增加也较小。

机器人； 柑橘果柄； 切割试验； 力学特性； 切割速度； 刀具形式； 滑切角

我国柑橘种植面积和产量均居世界之首，其采摘在整个生产作业过程占有很大工作量[1]。采用机器人采摘，可提高采摘效率，降低成本，改善劳动条件。根据柑橘的栽培特性，机器人采摘时，常用末端执行器夹持果实，然后切割果柄。果柄的切割质量、切割效率和切割效果等，不仅与切割装置的结构、参数和控制有关，还与果柄的特性密切相关[2]。因此，为了更好地设计柑橘的切割装置，有必要对柑橘果柄的切割特性进行研究。

为了优化收获机械的设计，文献[3-6]研究了甘蔗、玉米、油菜和水稻等果梗或茎秆切割的影响因素。同样，为优化采摘机器人末端执行器的设计，尹秋等[7]研究了香蕉果梗切割力学特性，刘继展等[8]研究了番茄果梗的拉断与折断特性，周会玲等[9]研究了葡萄果柄耐拉力与果实结构的关系，钱少明等[10]研究了黄瓜果柄切断阻力等物理特性。而基于机器人采摘，张水波[11]研究了柑橘的力学特性，其中在对柑橘果柄进行切割试验时是将其放置于固定板上进行切割，这与实际采摘时果柄被切割的状态不一致。因机器人采摘时，果柄两端分别连着树枝和被末端执行器夹紧的柑橘，此时，果柄的受力情况与简支梁类似，在切割过程中果柄会发生弯曲。另外，广东盛产贡柑，它是柑橘的其中一个品种，其特性与其他品种有较大差异，目前关于其力学特性未见报道。鉴于此，根据采摘时被切割果柄发生弯曲的工作状态，设计果柄切割试验用的夹持架，对柑橘果柄进行不同切割条件的切割试验，研究柑橘果柄的切割力学特性，从而为优化设计柑橘采摘机器人的切割装置提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设备

试验材料为柑橘品种贡柑，产于广州南沙果园。持有较长果柄的柑橘采回后，去除果实和枝叶，保留果柄，从中选取较通直、无树眼段的果柄为试样。试样长度为40 mm，直径为2.8～3.7 mm。试样在采后24 h内完成试验。

试验用设备为精密微控电子万能试验机WD-20KE型，精度±5%，分辨率±1/120 000，试验过程可由微机自动完成力、位移和时间的数据采集。自制的用以夹持果柄试样两端的夹持试验架如图1所示。切割试验所用刀具为平刀、弧刀和齿刀。

1.2 试验方法

果柄的切割特性受刀具刃口形式、切割速度和滑切角等影响[2,5]。因此，分别选取3种切割速度(150、250、350 mm/min)、3种刀具(平刀、弧刀和齿刀)和3种滑切角(0°、30°和60°)对柑橘果柄进行单因素切割试验，研究这些因素对柑橘果柄切割性能的影响。

图1 夹持试验架

试验时夹持试验架放置在试验机固定底板上，果柄两端分别装夹在试验架的虎钳上(虎口处粘贴橡胶垫)，在试验机的上压头处安装刀具，刀具刃口垂直果柄轴线。切割试验采用果柄固定不动，刀具垂直向下运动的方式，切割位置处于果柄中部，每组切割试验重复5次。

试验后分别按下式计算切断果柄所需的切割功率：

P=∫F(l)vdl

(1)

式中：P为切割功率(W)，F为果柄切割力(N)，v为切割速度(m/s)，l为切割位移(mm)。

2 结果与分析

2.1 果柄切割力-变形规律

不同切割条件下柑橘果柄切割力与位移关系曲线具有相似性，图2是平刀和滑切角为0°时柑橘果柄切割的力-位移曲线。由图2和试验观察可见，切割力与切割位移关系整体是非线性的，随着切割位移的增加，切割力不断上升；切割过程中，果柄不断发生弯曲，当果柄外侧(远离刀具一侧)表层出现裂纹，切割力达到第1个波峰值，然后下降；随着刀具切入果柄的深度增加，切割力又开始上升，当果柄被完全切断时，切割力到达最大值，之后切割力瞬时下降。

图2 柑橘果柄切割曲线

2.2 切割速度对果柄切割特性的影响

采用平刀和滑切角为0°时，不同切割速度下柑橘果柄峰值切割力和切割功率的变化如图3所示。由图3可见，切割速度与柑橘果柄的峰值切割力和切割功率呈非线性关系；随着切割速度的增加，峰值切割力与切割功率先快速减小，然后缓慢减小。此外，根据试验数据得到，3种切割速度(150、250、350 mm/min)下的切割位移分别为8.40、7.37、6.92 mm，即切割速度越大，果柄切割时的弯曲量越小，切割时间越短。但切割时间的缩短也是前期快，后期慢。由此可见，提高切割速度可减少果柄的切割力、切割功率和切割时间，但随着切割速度的增加，其减小减缓。因此，为协调切割机构的动力匹配，切割速度应大于一定值，但也不应过大。后续还需扩大切割速度的试验范围，以获取合适的切割速度选择范围。

图3 切割速度对柑橘果柄峰值切割力和 切割功率的影响

不同切割速度下的柑橘果柄切割试验数据的方差分析结果见表1。由表1可知，切割速度对峰值切割力、切割位移和切割功率的影响均显著(P<0.05)，但显著性存在差异。切割速度对切割功率的影响最显著，其次是切割力，最后是切割位移。

表1 不同切割速度的柑橘果柄切割试验数据方差分析

2.3 不同形式刀具对柑橘果柄切割特性影响

切割速度为250 mm/min和滑切角为0°时，不同形式刀具对柑橘果柄峰值切割力和切割位移的影响如图4所示，试验数据的方差分析如表2所示。由图4和表2可知，刀具形式对柑橘果柄的峰值切割力和切割位移影响极显著(P<0.01)；齿刀的峰值切割力和切割位移最大，而弧刀的最少；平刀的峰值切割力稍高于弧刀，但切割位移却远远大于弧刀。因此，当滑切角为0°时，采用弧刀较易且可快速切断果柄，切割效率高。

图4 刀具形式对柑橘果柄峰值切割力和切割位移的影响表2 不同形式刀具对柑橘果柄切割试验数据方差分析

方差来源变量平方和自由度均方F值P值刀具形式峰值切割力49182.05224591.0310.080.003切割位移37.20218.6018.090.000

2.4 滑切角度对柑橘果柄切割特性的影响

由滑切试验过程观察到，当滑切角为0°时，果柄在切割力作用下所产生的起始裂纹产生于外侧(远离刀具一侧)，其截面如图5(a)所示；而当滑切角为30°和60°，起始裂纹产生于内侧(与刀具接触一侧)，其截面如图5(b)所示。对照两图可知，随着滑切角增大，柑橘果柄切口更光滑。

图5 不同滑切角下柑橘果柄的断口形式

选择切割速度为250 mm/min，采用平刀和齿刀分别进行不同滑切角下柑橘果柄切割试验，得到峰值切割力和切割位移与滑切角的关系曲线如图6所示，试验数据的方差分析如表3所示。由图6和表3可知，无论是平刀还是齿刀切割，滑切角对柑橘果柄峰值切割力影响极显著(P<0.01)，随着滑切角的增大，平刀和齿刀对果柄的峰值切割力减小，且齿刀对果柄的峰值切割力在滑切角0°时远大于平刀，但滑切角为30°时接近平刀；滑切角对柑橘果柄峰值切割位移影响也显著(P<0.05)，但平刀切割时影响极显著(P<0.01)，随着滑切角度的增大，平刀和齿刀切割柑橘果柄的切割位移先减少后增大，但滑切角为30°后，平刀的切割位移大幅增加，而齿刀增大较少。

由以上分析可知，采用一定的滑切角，可减少柑橘果柄的峰值切割力，提高其断口质量。但使用平刀切割时，滑切角不应过大，以免切割时间过长，降低采摘速度；而使用齿刀对果柄进行切割，其滑切角应大于30°，可快速切断果柄。

图6 刀具对柑橘果柄峰值切割力和切割位移的影响表3 柑橘果柄滑切试验数据方差分析

方差来源刀具形式变量平方和自由度均方F值P值滑切角平刀切割力2877.2421438.6212.520.001切割位移163.65281.8316.720.000齿刀切割力54905.23227452.6111.590.002切割位移15.1327.566.090.015

3 结论

本试验结果表明，切割过程，柑橘果柄发生弯曲，当滑切角为0°时，果柄起始裂纹产生于外侧，当滑切角为30°和60°，起始裂纹产生于内侧，且滑切角越大，果柄切口越光滑。

切割速度、刀具形式和滑切角均对柑橘果柄的切割力学参数影响显著。随着切割速度的增大，峰

值切割力、切割功率和切割位移均先快速减小，然后缓慢减小；随着滑切角的增大，峰值切割力减小，但切割位移先减少后增大。

当滑切角为0°时，相比平刀和齿刀，弧刀对柑橘果柄的峰值切割力和切割位移最少，可快速容易切断果柄；虽然增大滑切角可降低柑橘果柄的峰值切割力，但对于平刀切割，滑切角不应过大，以免切割时间过长，降低采摘速度；使用齿刀切割，滑切角应大于30°，不但柑橘果柄的切割力大大减小，且切割时间增加也较小，可快速切断果柄。

[1] 张水波,鲍官军,杨庆华,等.基于机器人采摘的柑橘机械特性研究[J].浙江工业大学学报,2012,40(3):340-344.

[2] 陈燕,蔡伟亮,向和平,等.面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性[J].农业工程学报,2012,28(21):53-57.

[3] 刘庆庭,区颖刚,卿上乐,等.甘蔗茎秆切割力试验[J].农业工程学报,2007,23(7):90-94.

[4] 李耀明,秦同娣,陈进,等.玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析[J].农业工程学报,2011,27(1):160-164.

[5] 吴明亮,官春云,汤楚宙,等.油菜茎秆切割力影响因素试验[J].农业工程学报,2009,25(6):141-144.

[6] 赵湛,李耀明,徐立章,等.超级稻单茎秆切割力学性能试验[J].农业工程学报,2010,41(10):72-75.

[7] 尹秋,王涛,张喜瑞,等.香蕉果梗切割力学特性试验[J].中国农机化学报,2013,34(4):75-77.

[8] 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].农业机械学报,2008,24(12):66-70.

[9] 周会玲,李嘉瑞.葡萄浆果耐压力、耐拉力与果实结构的关系[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2007,35(2):106-109,114.

[10] 钱少明,杨庆华,王志恒,等.黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究[J].农业工程学报,2010,26(7):107-112.

[11] 张水波.柑橘采摘机器人末端执行器研究[D].杭州：浙江工业大学,2011.

Study of Citrus Pedicel Cutting Mechanical Property Based on Robot Picking

CHEN Yan1,JIANG Zhilin1,LI Jiawei1,ZOU Xiangjun1,PENG Hongxing2,WANG Jiasheng1,LIU Weiwei1

(1.College of Engineering,South China Agricultural University/Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,Guangzhou 510642,China； 2.College of Informatics,South China gricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to provide evidence for designing cutting device of citrus picking robot,according to the bent work state when picking the cut pedicel,a cutting pedicel test fixture was designed and a cutting experiment under different citrus pedicel cutting condition was carried out.The experiment results indicated that citrus pedicels were bent first when cutting,with the sliding angle increasing,the initial crack of pedicel transferred from the outside to the inside,and the pedicel incision became smooth simultaneously;cutting speed,cutter form and sliding angle affected significantly mechanical parameters of citrus pedicel;with the cutting speed increasing,the peak cutting force,cutting power and cutting displacement decreased rapidly at the initial phase,but decreased slowly at the last phase;with the sliding angle increasing,the peak cutting force decreased,but the cutting displacement decreased initially and then increased;compared with the flat cutter and teeth cutter,the peak cutting force and cutting displacement of citrus pedicel were minimum for arc cutter when the sliding angle was 0°;the sliding angle should not be too much for fear that cutting displacement was too large and cutting speed became slower when using the flat cutter;the sliding angle should be larger than 30° when using the teeth cutter,not only the peak cutting force reduced greatly but also the growth rate of cutting displacement was less.

robot; citrus pedicel; cutting experiment; mechanical property; cutting speed; cutter form; sliding angle

2016-11-15

广东省科技计划项目(2014A020208091，2015A020209120，2015A020209111)；广东省自然科学基金项目(2015A030310258)；国家自然科学基金项目(31571568)

陈 燕(1964-)，女，广东广州人，副教授，硕士，主要从事农业机器人、农业机械装备研究。 E-mail：313786159@qq.com

S225.93；S666

A

1004-3268(2017)04-0147-04