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第 28 卷第 21 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.21 2012 年11 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringNov. 201253 面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性 陈燕，蔡伟亮，向和平，邹湘军，谈建豪，林桂潮 （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，广州 510642） 摘要：为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据，对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性 能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明：峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小，随着切割角 度的减少而减少，凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小；除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度 影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度；切割角度每减少 1，峰值切割力和切割强度分别减少 4.45 N 和 0.16 MPa；相比平刃的峰值切割力和切割强度，凸刃分别减少 166.90 N 和 2.11 MPa，而凹刃分别减少 167.39 N 和 4.21 MPa。随着夹持力增加，荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加，夹持物为橡胶时，摩擦力最大，夹持 力对摩擦力的影响大于夹持材料；试验范围内，最大摩擦力为 44.54 N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力，平 均弹性模量为 867.15 MPa；试验范围内，最大弯曲力的平均值为 118.95 N，抗弯强度的平均值为 56.03 MPa。该 研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。 关键词：机器人，力学特性，试验，荔枝果梗，夹持特性 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.21.008 中图分类号：S225.93，S667.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-21-0053-06 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)：5358. Chen Yan, Cai Weiliang, Xiang Heping, et al. Mechanical properties of litchi stem for harvesting robotsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 5358. (in Chinese with English abstract) 0引言 荔枝是中国南方特产佳果，其产量和品质均居 世界首位。目前，荔枝采用人工采摘，劳动强度大、 效率低、费用高，采摘成本约占生产成本的 50% 70%。使用采摘机器人，能降低采摘成本，改善劳 动条件1。 根据荔枝的栽培生长特性，荔枝采摘机器人作 业时，一般先夹持荔枝果梗，然后通过对果梗的切 割将荔枝与结果母枝分离。切割后的果梗表面要求 光滑，没有拉裂和撕裂现象，避免损伤结果母枝再 生长； 而荔枝果梗的夹持需可靠， 否则荔枝易滑落， 产生跌落损伤。采摘机器人对果梗的夹持和切割的 质量、切割效率和切割效果等，不仅与夹持和切割 器的结构、参数和控制有关，还与作用对象（果梗） 的特性密切相关。因而对荔枝果梗力学特性的研 究，可以为采摘机器人夹持与切割器的设计和控制 提供依据。 收稿日期：2012- 05- 16修订日期：2012- 10- 12 基金项目：广东省自然科学基金资助项目(S2011010001933)；国家自然 科学基金资助项目（31171457） 作者简介：陈燕（1964） ，女，广东广州人，副教授，硕士，研究 方向：农业机械化工程。广州华南农业大学工程学院，510642。 Email：cy123 为指导水果作业装备设计，减少水果机械损 伤，国内外学者对水果果实的力学特性进行了大量 的研究2- 16，但针对水果果梗或果柄的研究相对较 少，见于文献报道的有：番茄果梗的拉断与折断特 性研究10、葡萄果柄耐拉力与果实结构的关系17、 黄瓜果柄切断阻力等物理特性研究18，以及对果梗 特性的初步研究19- 20，此外目前国内外尚未见有关 荔枝果梗力学特性的研究报道。 本文通过对荔枝果梗进行不同切割和夹持条 件的夹持与切割试验以及弯曲试验，研究荔枝果梗 的夹持、切割和弯曲特性，从而为设计和优化荔枝 采摘机器人的夹持与切割器提供依据。 1材料与方法 1.1试验材料与设备 试验材料取样地点为广东增城果园，品种为 “怀枝”荔枝，采样时间为 2011 年 7 月上旬。成串 新鲜荔枝取回后，去除荔枝果实和横枝、叶，保留 果梗，从中选取较通直、无病虫害的果梗为试样。 试样直径约为 410 mm，长度裁剪为 40 和 90 mm 2 种规格，所有试样在采后 12 h 内完成试验。 试验用设备为 WD- 20KE 型精密微控电子万能 试验机（广州市广材试验仪器有限公司），精度 0.5%，分辨率 1/120 000，试验过程可由微机自动 农业工程学报2012 年 54 完成力和位移的数据采集。试验用单面刃刀片厚度 为 3 mm，刃角 18，凹形和凸形刀片的圆弧半径均 为 70 mm。 1.2试验方法 1.2.1果梗切割 与采摘机器人切割器结构设计和控制相关的 因素包括刀具刃口形式、 切割速度、 切割角度 （如 图 1 所示）和果梗的直径，这些因素影响果梗的切 割力大小。本文首先选取这些因素作单因子试验， 考察这些因素对荔枝果梗切割性能的影响，然后采 用正交试验法分析各因素对荔枝果梗切割性能的 影响程度，正交试验安排如表 1。果梗试样长约 40 mm， 直径约为 410 mm。 切割试验时在试验机 的上压板上安装刀具，同时在固定底板上放置软木 板，将荔枝果梗试样放在软木板上，每组试验重复 10 次。使用凹形刀具试验时，将软木板开槽，以避 免凹形刀具对果梗进行切割时与软木板发生干涉。 图 1刀具切割角度 Fig.1Tool cutting angle 表 1果梗切割正交试验方案 Table 1Scheme of orthogonal test for stem cutting 因素 试验号 切割速度/(mm min- 1) 切割角度/() 刃口形式果梗直径/mm 11030平形4 21060凸形7 31090凹形10 43030凸形10 53060凹形4 63090平形7 75030凹形7 85060平形10 95090凸形4 1.2.2果梗夹持 荔枝果梗的夹持特性主要测试不同夹持材料、 夹持力对夹持物与果梗间摩擦力的影响。本文选取 4 种夹持材料（塑料、橡胶、钢板和有机玻璃）、3 种夹持力进行荔枝的果梗夹持试验。试验时在试验 机的上下压板上分别安装由不同材料构成的夹持 物将果梗夹住，夹持长度为 20 mm，由试验机施加 夹持力（正压力），果梗通过拉环与 YZC- 516/50kg 拉力传感器（精度 0.02%）一端连接，拉动传感器 另一端使果梗移动，荔枝果梗被拉动时拉力（夹持 物与果梗间摩擦力）的大小由配套的 T3850- 3 数据 采集器记录，每组试验重复 10 次。 1.2.3果梗弯曲 主要测试不同直径荔枝果梗的弯曲性能。试验 时将荔枝果梗试样置于试验机的支座上，加载采用 三点弯曲法，支撑架跨度为 40 mm，以 20 mm/min 的速度加载，直至果梗断裂。 1.3果梗力学参数计算方法 荔枝果梗截面近似圆形，因此，其切割强度可 采用式（1）计算。 maxmax 2 4sin /sin FF SD （1） 式中， 为试样剪切强度， MPa； Fmax为峰值切割力， N；S 为面积；为切割角度，( )；D 为试样直径， mm。 荔枝果梗的抗弯强度采用式（2）计算。 maxmax 3 8 z MPL WD （2） 式中，为试样抗弯强度， MPa； Mmax为最大弯矩； Wz为试样抗弯截面模量；Pmax为最大弯曲力，N； L 为弯曲跨度，mm；D 为试样直径，mm。 2结果与分析 2.1荔枝果梗切割特性 2.1.1果梗切割力-变形规律 图 2 是荔枝果梗切割的力- 位移曲线。由图 2 可见，切割力与位移关系整体是非线性的，但在切 割初始阶段近似线性关系；随着切割位移的增加， 切割力不断上升，当刀具对果梗切割深度大约为果 梗直径的 2/3 左右时，达到最大值，然后不断下降； 果梗被完全切断时，切割力下降到最低点，由于刀 具马上碰到下垫软板，切割力又开始上升。试验发 现，不同切割条件下，荔枝果梗切割力随位移变化 情况具有相似性。 图 2荔枝果梗切割的力- 位移曲线 Fig.2Force- displacement curve of litchi stem cutting 2.1.2单因素试验结果分析 不同切割速度条件下荔枝果梗峰值切割力和 切割强度的变化如图 3 所示。由图 3 可见，切割速 度与荔枝果梗的峰值切割力和切割强度呈非线性 第 21 期陈燕等：面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性 55 关系； 切割速度增加， 峰值切割力和切割强度减小， 但随着切割速度不断增加，峰值切割力和切割强度 下降的趋势减弱。 注：平刃口，切割角度 90，果梗直径 5 mm。 图 3切割速度对荔枝果梗峰值切割力和切割强度的影响 Fig.3Effect of cutting speed on peak cutting force and cutting intensity of litchi stem 图 4 是切割角度对荔枝果梗峰值切割力和切割 强度的影响曲线。从图 4 可以看出，随着切割角度 的增加，荔枝果梗的峰值切割力和切割强度不断增 大，当切削角为 90 （横切）时，峰值切割力和切 割强度最大。由于果梗的纵向抗拉强度大于横向， 横切时需要完全克服果梗的纵向抗拉强度，因此， 果梗横切的切割阻力大于斜切。 注：切削速度 30 mm/min，平刃口，果梗直径 6 mm。 图 4切割角度对荔枝果梗峰值切割力和切割强度的影响 Fig.4Effect of cutting angle on peak cutting and cutting intensity of litchi stem 注：切削速度 30 mm/min，切割角度 90，果梗直径 7 mm。 图 5刀具刃口对荔枝果梗峰值切割力和切割强度的影响 Fig.5Effect of cutting edge on peak cutting force and cutting intensity of litchi stem 刀具刃口形式对荔枝果梗峰值切割力和切割强 度的影响如图 5 所示。图 5 表明，刀具的刃口形式 对荔枝果梗的峰值切割力和切割强度有较大影响， 平刃口比其他刃口的峰值切割力和切割强度大，凹 形和凸形刃口的峰值切割力和切割强度相近。 2.1.3正交试验结果分析 利用正交切割试验数据分别求得各组荔枝果 梗峰值切割力和切割强度的平均值如表 2。 用 SPSS 软件对果梗峰值切割力和切割强度作方差分析，结 果如表 3 所示。 表 2荔枝果梗峰值切割力和切割强度 Table 2Peak cutting force and cutting intensity of litchi stem 试验号 力学 参数 123456789 峰值切 割力/N 201.23474.21776.36428.91127.13652.27171.01723.18172.86 切割强 度/MPa 8.0110.679.882.738.7616.952.227.9713.76 表 3峰值切割力和切割强度方差分析 Table 3Variance analysis for peak cutting force and cutting intensity 变量方差来源平方和自由度均方F 值P 值 切割速度252 515.362126 257.6824.250 切割角度1 101 264.622550 632.31105.780 刃口形式558 748.882279 374.4453.670 峰 值 切 割 力 果梗直径3 410 078.4321 705 039.22327.540 切割速度46.04223.025.780.005 切割角度1 273.262636.63159.830 刃口形式242.602121.3030.450 切 割 强 度 果梗直径205.292102.6525.770 由表 3 可知，切割速度、切割角度、刃口形式 和果梗直径对荔枝果梗峰值切割力和切割强度的 影响均极为显著，但显著性有差异。对峰值切割力 影响最显著的因素是果梗直径，其次是切割角度， 接着是刃口形式和切割速度；而对切割强度影响最 显著的因素是切割角度，其次是刃口形式和果梗直 径，最后是切割速度。 根据表 2 的切割试验数据对荔枝果梗峰值切 割力和切割强度进行线性回归。由于刀具刃口形 式为定性变量，回归过程需设定虚拟变量。刃口 形式有 3 个表现值，故设定 2 个虚拟变量 Q1和 Q2，回归过程中用数字“01”，“10”，“11”分 别代表刀具刃口形式“Q1Q2”中的凸形、凹形和平 形，所得回归方程如下所示： max 12 534.3579.294.45 3.21166.90167.39 FD vQQ （3） 12 0.520.160.0352.114.21DvQQ （4） 农业工程学报2012 年 56 式中，Fmax为峰值切割力，N；为试样剪切强度， MPa； D 为试样直径， mm； v 为切割速度， mm/min； 为切割角度，（）；Q1，Q2为虚拟变量。 式（3）的决定系数 R2为 0.958，式（4）的决 定系数 R2为 0.980，说明荔枝果梗峰值切割力和切 割强度的回归方程显著。 由回归方程可见，切割角度每减少 1，峰值切 割力和切割强度分别减少 4.45 N 和 0.16 MPa； 而切 割速度每增加 1 mm/min， 峰值切割力和切割强度分 别减少 3.21 N 和 0.035 MPa；凸刃口相比平形，峰 值切割力和切割强度分别减少 166.90 N 和 2.11 MPa；凹刃口相比平形，峰值切割力和切割强 度分别减少 167.39 N 和 4.21 MPa。 2.2果梗夹持特性 荔枝果梗夹持试验结果如表 4 所示。由表 4 可 以看出，无论何种夹持材料，随着夹持力增加，荔 枝果梗与夹持物间摩擦力增加；夹持物为橡胶时， 摩擦力最大；其次是有机玻璃，接着是钢板，夹持 物为塑料时，摩擦力最小。摩擦力越大，采摘时荔 枝果梗夹持越可靠。 表 4夹持材料和夹持力对摩擦力的影响 Table 4Effect of clamping materials and clamping force on friction 夹持力/N101010103030303050505050 夹持材料塑料钢板橡胶有机玻璃塑料钢板橡胶有机玻璃塑料钢板橡胶有机玻璃 摩擦力/N3.406.518.388.1712.7322.3527.9625.1129.7233.444.5435.73 对表 4 的试验数据作方差分析，结果如表 5 所 示。由表 5 可知，夹持力和夹持材料对荔枝果梗与 夹持物间摩擦力的影响均极为显著，夹持力对摩擦 力的影响大于夹持材料。 表 5摩擦力方差分析 Table 5Variance analysis of friction 方差来源平方和自由度均方F 值P 值 夹持力8553.4424276.72506.770 夹持材料1069.473356.4942.240 根据表 4 的夹持试验数据对荔枝果梗与夹持物 间摩擦力进行线性回归。刀具刃口形式为定性变 量，故回归过程设定 2 个虚拟变量 D1和 D2，用数 字“00”，“01”，“10”，“11”分别代表夹持 材料“D1、D2”中的塑料、钢板、橡胶和有机玻璃， 所得回归方程如下所示： 12 4.2840.7316.9650.759fNDD （5） 式中， f 为果梗与夹持物间摩擦力， N； N 为夹持力， N；D1，D2为虚拟变量。 式（5）的决定系数 R2为 0.960，说明荔枝果梗 与夹持物间摩擦力的回归方程显著。当已知采摘夹 持器的夹持材料和每次采摘荔枝的重量，借助回归 方程，可确定夹持机构需提供的可靠的夹持力。 2.3果梗弯曲特性 荔枝果梗弯曲的力- 变形曲线如图6 所示。 由图 6 可见，荔枝果梗弯曲的初始阶段，力与变形关系近似 线性，且弯曲力快速上升，但变形量增加较慢，体现 荔枝果梗有较强的抵抗变形的能力， 平均弹性模量为 867.15 MPa；随着弯曲力的不断上升，果梗的变形速 度加快，达到最大弯曲力后，果梗外层开始断裂；果 梗外层断裂后， 弯曲力迅速下降， 但随着果梗弯曲量 的增加，弯曲力开始缓慢的波动性下降。 图 6荔枝果梗弯曲的力- 变形曲线 Fig.6Force- deformation curve of litchi stem bending 果梗试样的直径平均值为 6 mm，标准差为 0.49 mm，变异系数为 8.17%，弯曲试验结果如图 7 所示。试样最大弯曲力的平均值为 118.95 N，标准 差为 22.11 N，变异系数为 18.59%；试样抗弯强度 的平均值为 56.03 MPa；标准差为 6.45 MPa；变异 系数为 11.51%。 图 7荔枝果梗最大弯曲力和抗弯强度 Fig.7Maximum bending force and bending strength of litchi stem 第 21 期陈燕等：面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性 57 5结论 1）荔枝果梗峰值切割力和切割强度随着切割 速度增加而减小，随着切割角度的减少而减少，平 刃比凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度大。 2）对峰值切割力影响显著的因素依次为果梗 直径、切割角度、刃口形式和切割速度，而对切割 强度影响显著的因素依次为切割角度、刃口形式、 果梗直径和切割速度；切割角度每减少 1，峰值切 割力和切割强度分别减少 4.45 N 和 0.16 MPa； 凸刃 和 凹 刃 的 峰 值 切 割 力 比 平 刃 减 少 166.90 和 167.39 N、切割强度比平刃减少 2.11 和 4.21 MPa。 3）随着夹持力增加，荔枝果梗与夹持物间摩 擦力增加；夹持物为橡胶时，摩擦力最大；夹持力 对摩擦力的影响大于夹持材料；摩擦力的回归方程 显著，试验范围内，摩擦力最大为 44.54 N。 4）荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力，平 均弹性模量为 867.15 MPa；试验范围内，荔枝果梗 最大弯曲力和抗弯强度的平均值分别为 118.95 N 和 56.03 MPa。 参考文献 1Pedersen S M, Fountas S, Have H, et al. 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(in Chinese with English abstract) Mechanical properties of litchi stem for harvesting robots Chen Yan, Cai Weiliang, Xiang Heping, Zou Xiangjun, Tan Jianhao, Lin Guichao (College of Engineering, South China Agricultural University, Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China) Abstract: To provide a basis for the design and control in litchi harvesting robot clamping and cutting device, effect factors test of cutting and clamping properties and bending test were