【水果快速分级系统问题探讨文献综述8600字（论文）】

IV水果品质快速分级系统机械设计研究文献综述目录TOC\o"1-2"\h\u17340关键词：水果分级机械手接触力学 152841.水果分级情况 211671.1水果分级因素 2274181.2国内水果分级 3148561.3国外水果分级 354362.分级装置 3318912.1传递工具 3104742.2识别装置 5218273.机械手夹持方式 6293903.1机械手类型 6200573.2机械手细节问题 729143.3机械手与水果接触形式 7247654.夹持力的控制 722935.总结与展望 928259参考文献 10摘要：21世纪的中国已属世界大国行列，在水果生产方面也不例外，虽然人口众多，但大部分水果来自种植团体和个人农户，由于水果自身的原因，贮存，采摘等方面，结合客观原因导致质量的差异，因此进行水果分选时会出现不同程度、种类的难题。随着农业机械化的不断推进，各种水果分级机械装置被研发出。针对目前分级装置的原理进行分析，着重介绍机械手在水果分级中的应用，依据接触力学原理分析机械手作业时夹持的方式及夹持力的控制方式。关键词：水果分级机械手接触力学我国一直是水果的大生产国，作为一个水果生产大国，水果商品化是水果盈利的必备环节，而水果商品化非常重要的的一个重要部分就是水果的产后分级。当今市场经济飞速发展，跨区域供应、交易，甚至是对外进出口等都是标准化的重要环节[1]。水果的分类选择是农民筛选出水果品质的更好的方法。由于水果生长在自然环境下，受外界因素影响较大，因此成熟水果的形状和外观等都存在着差异，而目前，我国水果的分级设备的分类水平仍然很低，致使国产水果的质量参差不齐，且由于生活水平等各方面的提升，人们对水果的要求越来越高，因此，对水果进行分级就显得越来越重要，这不仅能够满足人们日益增长的的对优质水果的需要，也能够不断提高我国水果的竞争市场[2]。由于传统水果的分级是依靠人工实现，长时间下来人工分级显示出许多弊端，分级过程中人工需要长期保持一种行为进行工作，劳动强度大，受到劳动者分级精神状况、视力、颜色鉴别等的影响，导致水果分级作业效率低下，有限的体力和精力面在无限的工作时，暴露出生产率低，分选精度不能达到标准的“坚硬”的短板。分级标准的客观性水平也不够高，同时随着工业化以及大型农业机械的发展，机械手在水果的品质分级中应用广泛，检测效率高且具有可重复性，本文就对基于接触力学的快速水果品质分级进行探究。1.水果分级情况随着社会的快速高水平发展，对于提升生活品质的观念受到很多人的关注。目前，我国优质水果大量依赖于进口水果，据中国食品土产畜进出口商会近期公布的数据显示，2019年，中国新鲜水果进出口量和价值均实现增长。其中进口增长更大，总量增至883万吨，同比增长24%，进口总值比2018年增长25%，达95亿元人民币。随着2020年疫情进口水果产量再次达到新高。[3]我国水果品质与国外水果有很大区别。近年来，国内水果一直疯狂的追求产量，品质却在年年下降。而国外水果根据客户有清楚的分级标准。1.1水果分级因素随着国内外水果的差异，水果分级标准也受到了专业人士的考量。国家标准发布的《果品质量分级导则》对果品质量分级要求做出规定。截止2020年，截至到2020年，我国制定包含有新鲜果品质量分级内容的国家标准有16项，只涉及果品种类有10种；行业标准有62项，涉及果品种类有62种。由此可见水果品质尤为重要。果品的分级应该从以下几个方面综合考量：一、果型的大小。一般来说，果型越大，品相越好，等级越高，价格也就越高。二、水果口感。多数水果以甜度，细腻度和水份含量等来衡量水果口感。越甜，越细腻，水份越多则被认为等级越高。三、种植环境。产自绿色有机农场的水果，因其严格的种植环境和过程，对农药激素等用量的严格控制，被认为是等级较高的水果。1.2国内水果分级目前我国水果分拣主要依靠物理因素，包括大小，质量等。[4]并没有考虑水果成熟度，甜度等内在因素，导致了人们买到了一次好吃的水果，再次去买时不是那么容易买到好吃的水果。1.3国外水果分级国外水果分级技术较为先进，美国于1995年便开始研制出了机器视觉水果分级机[5]，日本随之研制出了传感器，其通过可见光和近红外线来测定成熟度，并将其用于自动化设备之中，基本实现了对于水果的无损分拣。总而言之，结合国内外目前水果分拣水平，我国急需在水果分拣领域迈出一大步，从以往的简易的大小分拣进步到熟练的对于水果成熟度的考量。中国作为全球最大的水果种植和消费大国，水果成熟度是一个必须要考虑的因素，例如像猕猴桃，香蕉，苹果此类水果，在它成熟后会释放乙烯，如果对于其成熟度无法精确掌控，很容易发生多米乐骨牌事件，随着一个水果成熟导致大量水果的成熟，不利于果农售卖水果。目前人们对于水果的成熟度也只能依靠人为经验用手去感知。因此应用接触力学检测水果成熟度或许会成为一个合适的方法。2.分级装置2.1传递工具水果分级装置包括传递装置和识别装置两部分，传统的传递装置就是人工传递，现阶段的传递装置主要包含传送带式、收集箱式、机械爪式等，而应用最为广泛的便是传送带式。带式输送机的特点是结构简单，连续运行稳定，输送量大。由于每个零件的摩擦阻力都很低，因此消耗的功率更少，运输距离不受限制，并且可以在整个长度的任何位置进行装卸[6]。材料可以水平或对角线运输。驱动装置是输送机，电动机，驱动辊和驱动辊通过流体连接器和减速器旋转的动力源。物料将被连续输送并通过输送机一起移动以实现物料输送。国内，我国生产的传送带的种类、型号特别多。尤其是几个五年计划的实施，使得国家重工业产业的迅速发展，从而也带动了传送带等相关产业的发展，其技术水平也有了很大提高，有些传送带输送机构甚至填补了国内空白[7]。同时，我国也正在对传送带的关键技术及其主要元器件进行理论与实际的研究和产品开发，从而也成功研制出多种类型的电气输送装置。但是随着科技的发展，传送带式无法满足所有的分级需求，从而出现了机械手代替传送带将物料移动到特定区域的特定位置，提高工作效率，降低产品成本[8]。在20世纪70年代，我国开始对工业机械手进行研究和生产，且在1972年，我国第一台工业机械手于上海成功研发生产。随后全国各省都开始了对工业机械手的研发和生产。在第七个五年计划确定之时，我国将工业机器人的发展列入其中，并且为此投入大量的研究资金。第一代的机械手为传统的机械手，它实现的功能较为简单，其结构相对来说也较为简单，简单的来说分为臀部、手部两个组成部分，现大多数作为示教的机械手出现在市面上[9]。相对来说，其编程也较为简单，一般是通过在线编程得到指定的动作。较第一代机械手而言，第二代机械手反馈能力非常的灵敏，是带感应的机械手，它的控制方式比较复杂，具备着一定的触觉，视觉等。在1990年第二代机械手就已经进入了使用阶段，目前虽未铺展开来，但它的前景非常客观，我相信用不了多久，这类机械手将会普遍应用于各行业中。而第三代工业机械手较第一代结构来说比较复杂，它不仅拥有第二代机械手的感应功能，同时，它也非常的智能化，可以根据所处的环境以及对所操作的物体进行扫描识别，做出相应要求的指令[10]。并且它可以随着识别目标的变化做出相应更改。目前第三代机械手尚处于研发试制阶段，还存在一定的瓶颈，尚未能投入到市场中应用。之后各种工业机器人不断的被研发生产出来，如北京机械自动化研究所设计的喷涂机器人，大连机床研究所设计的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计的装卸载机器等等。并且由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所共同研发开发这些机器人的控制器和核心电子元件。同时如减震齿轮，机器人专用轴承，伺服电机，编码器等等的机器人关键部件也相继被研发出来[11]。物料搬运机械手是我国发展工业机器人中的一个重要类别，它广泛用于自动化生产和柔性加工生产中，其能够代替人工快速、平稳准确地夹起物料并完成搬运动作。因此我国发展工业机械手主要目的是逐步扩大其应用范围，改善国内工业的生产条件，提高生产效率，实现生产的自动化。我国在应用发展各种专用机械手的同时也在发展着各种通用机械手、示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。2.2识别装置传统的识别装置就是人眼识别，果农通过眼睛、分果器等依据水果的大小、颜色及水果表面缺陷将水果分级。这种分级方法不但耗费人力浪费时间，提高了果实的生产成本，还容易造成等级层次不齐的现象，从而导致其质量大打折扣。对于分级效率低这一问题，最初的解决方法式滚筒式和轧辊式分级装置，这两种都是依靠传送带的原理传递水果，且分级标准也只有果径。滚筒式分级装置是由多个带有不同规格的圆孔的滚筒连续排列而成，水果依靠与滚筒表面的摩擦力运动，掉入相应的孔洞中，从而实现分级的目的。[12]轧辊式分级装置是在输送线上设置从水果输入端匀速向输出端运动并自转的轧辊若干，轧辊间距逐渐变大，由输送带的直线移动和分级辊的旋转使水果产生滚动和移动，水果按照大小顺序依次从间距中掉落，进入不同的分果槽中，完成分级。[13]这两种分级装置由于构造简单、生产成本低且分级效率高，现在仍被果农们广泛应用，但它们也存在些许缺陷，比如分级标准只单一的考虑了果径，忽略颜色、表皮缺陷等其他因素，又如分级过程可能造成果实磕碰，导致残次品增多。基于水果称重的分级装置是在果径的标准下兼顾了重量，使分级进一步明确，这种分级装置又大致分为杠杆式和压力传感器式。杠杆式分级装置是利用杠杆原理依据水果的重量对水果进行分级，该装置由托盘和固定称两部分组成，托盘和固定秤相当于可绕支点转动的两根杠杆，当载有水果的托盘移动至固定秤时，若水果重量所产生的力矩大于固定秤的力矩，则水果被倾斜而出，杠杆失去平衡发生倾斜，完成分级。[14]而压力传感器式是将整个传送带划分开，实现单个水果运送，在水果经过压力传感器时重量数据被上传控制系统，进而被运进不同的收集箱，完成分级。这种分级方法将水果个体分离开，减少了由于个体间的摩擦碰撞导致果实的损伤。[15]基于机器视觉的水果分拣装置的工作原理是通过CCD进行图像采集，使用计算机提取水果果径、颜色等参数，进而完成分级[16]。李敏等人[17]将该装置运用于红提，将近红外线光源与黑白CCD工业相机相结合，得到可以屏蔽表面异物的清晰的边缘轮廓，使用该方法监测得到的红提果粒大小正确率为85.14%。王宇杰[18]将该装置应用于苹果，苹果在进入拍摄装置前会在传送带中进行预处理，防止个体之间相互干扰，拍摄时也会在不同方位多次拍摄，减小了表面信息收集不完整带来的误差，利用中值滤波实现图像平滑处理，同时采用Canny算子实现图像边缘锐化，建立苹果分级模型，完成分级。此分级装置与人工挑选分级的吻合率达到了96.8%。以上的装置虽然解决了许多问题，极大程度上提高了分级效率，但在某些方面仍有待改进。它们都只能在采摘过程结束后再集中进行分级，这样不但浪费时间浪费人力物力，还可能对水果造成一定损伤，造成不必要的损失。机械手的应用很好的将采摘与分级结合起来。3.机械手夹持方式基于我国水果分拣人工现状，智能化分拣急需自动化设备。机械手替代人手作为直接与水果接触的工具，对于水果分拣起着重要作用。3.1机械手类型机械手类型有刚性夹爪式、多指灵巧手、软体手、吸盘式、袋装软包。[19]目前市场上机械手主要分为刚性手和软体手，两者制作材料不同，刚性手主要由金属材料制成，软体手主要由各种柔性材料如橡胶、硅胶、智能材料、4D打印材料等构成，据材料可看，刚性手难以控制夹取力并且因此也无法实现通过接触力学对于成熟度的感知。软体手灵活性强、具有柔性材料的一系列特点、在抓取过程中基本不会对抓取物表面造成损伤。因此对于通过接触力学实现对于水果的分级应当使用软体手进行研究。应用接触力学和ABAQUS有限元软件[20]分析研究柔性触头接触问题将极大提升对水果成熟度的检测。3.2机械手细节问题想要做到合理向水果施力，机械手的手指数量，手指关节数目起到了关键作用。目前市场上大多机械手是两指型，一个关节。为了适应对于不同水果施加力的情况，多手指和多关节的手指也得到了研发，例如对于番茄此类水果有四个具有四个关节的手指。[21]手指的数量和形状与果实的外形密切相关，一般数量越多，抓取效果越好，施加力量感知成熟度也约好，但是手指、关节越多其控制难度越高，而对于国内市场我们应当在手指关节数量和控制难度当中做权衡，选择使用的机械爪。目前灵巧型三指手爪是机器人最理想的末端操作器。[22]3.3机械手与水果接触形式机械手与水果接触形式分为点接触与面接触，接触力学感知水果成熟度，机械手的接触形式也至关重要。机械爪的手指端与物体间是带摩擦的点接触，这种接触方式是最常见的方式。手指对于力度的感知更为敏感，而手掌能够很好的包络住水果，此优点能够避免水果收到损伤。因此对于点接触和面接触来施加力感知水果成熟度可以根据具体水果的形状大小来判断，两者均有各自优势。4.夹持力的控制随着计算机的发展以及电子元件逐步微型化，我国开始开拓高新技术领域，研发与人手形状相同拥有着人手功能的仿生机械手。这种仿生机械手可以做到如人手般灵活抓握控制物体。有用近乎人手的灵巧性意味着在极度有限的空间内有足够多的自由度,而且需要在机械手上安装足够多的集成器和感应器来实现灵敏的动作和反应，因此这种机械手的设计相对而言是非常复杂的。正因为其过于复杂的结构和系统，控制这种仿生机械手是相当复杂困难的,因此我国也在研究如何改进控制方式，从而使控制变的简单容易操作。目前我国研究出了让使用者通过手势控制机械手，非常简单便捷。这种控制方式的核心在于识别手势。原理是通过感应器和传感器跟踪裸手质心的位置并且检测手的姿态，将动作和位置反馈给机械手从而完成各种动作。将机械手应用于水果分拣，推进了水果采摘分级一体化，很大程度上节约了成本。应用最广的机械手是DELTA机械手，DELTA机器人是并联机器人，相较于串联机器人，刚度大，承载能力大，自重负荷比小，结构稳定。[23]最初机械手只是用于采摘，不能检测到水果的一些特性进而对水果进行分级，甚至由于没有很好的控制夹持力的大小，不能根据果径调节机械手，造成水果表面破损。机器人在位置的环境中工作时感知能力特别重要，因此引入了各种传感器，力传感器是基本的一种。在末端执行器上添加力传感器，一方面可以控制夹持力防止水果被夹坏，另一方面也可以测出水果果径等特征，依据水果硬度判断水果成熟度，进而对水果进行分级。韦庆[24]等人基于机械手力控制的一维分析方法，分析了机械手力的控制未稳定性的影响因素，并进行了仿真实验，得出结论：采样控制延时的减少对系统稳定性的改善有很大作用；在环境刚度很高时，力控制算法很难保持力控制系统稳定性；机械手电机的动态特性对机械手力控制的稳定性和系统的响应特性具有重大影响；机械手力传感器特性对力控制的稳定性影响不大。李雅倩等人采用拉格朗日法建立动力学模型，采用阻抗控制器外环与滑模位置控制器内环组成的串级控制结构控制方法，并对该方法中由于切换函数导致的振抖问题提出了光滑滑模控制方法，从而更高效的保证夹持机构的稳定，保证水果分拣过程进行。[25]胡国喜等人将时延估计和光滑滑模阻抗控制方法相结合，利用时延估计方法实时获取水果自动分拣系统夹持机构动力学模型，并设计了自适应规则调整的光滑滑模阻抗控制方法。[26]侯忠良参照人手无损采摘，对人手抓握机理进行了研究，并设计出仿生机械手。他通过抓握实验获取并分析抓握力曲线，提出抓握力系数，运用方差分析得到番茄重量影响抓握力且与抓握系数成正比。由于手指的组成部分复杂，其力学参数不能简化为手指的表观弹性模量，他将手指直接简化为指骨、皮下组织和皮肤三部分，通过有限元仿真获得皮下组织的弹性模量，将手指按指节划分为14个区域并获取各区域力学性能差异，并通过多元线性回归模型观察手指区域在不同力学和尺寸参数水平下的变化。[27]目前有高速化，高精化，轻量化和多轴化是国外先进机械手行业普遍的发展趋势。目的是使机械手的运行速度能远超当前，其定位精度能够达到微米及亚微米级甚至纳米级别，重量轻便的机械手便能带动极高的负载，设计6轴甚至6轴以上拥有高自由度的机械手。但发展机械手更重要的是将机械手与柔性制造系统和制造单元相结合，从根本上改变机械手由人工控制的状态，实现机械手智能化自动化的理想状态[28]。意大利的仿生机器人研究所研制了一款三指绳驱机械手，该欠驱动柔性机械手模仿人手的生理结构，其总体尺寸与人手尺寸相当，且都具有骨憋，关节，肌融等结构[29]。整个手指部分都采用柔性材料制作完成。按照等间距在上面切出两部分，手指较薄的部分作为手指关节，未切到的厚的部分为手指行格。同一根手指的骨骼使用腱绳连起来。这样一来，即使驱动的时候，手指依然可以在关节处弯曲。而骨骼仍能保持一定的刚度来抓取物体。这种机械手具有一定的抓取力，但不能实现连续弯曲的效果，抓取的效果也不理想。近年来，国内外学者对软体机械手的研究越来越感兴趣，研究领域包括了柔性机械手指的材料、结构、制造、驱动、传感、控制和建模等诸多方面[31]。现有的软体材料在使用寿命和撕裂强度等方面的性能都不能满足柔性驱动器与周围环境交互频繁的需求；柔性软体机械手一般由软体材料制成，结构与材料特性的复杂性导致很难建立其精确模型；基于自身的柔性结构，负载变化对柔性软体机械手抓取性能的影响十分显著，要想实现稳定抓取，必须先建立精确的反馈控制系统。中国科技大学研制了一款基于蜂窝气动网络结构的柔性手，该柔性手具有一系列蜂窝状的气腔，充气加压之后可以在两个不同方向进行弯曲，并且在长度方向上可以伸缩自如[32]。但是该柔性手需要在所有的气腔中都放置气囊，这在一定程度上增加了制作以及控制难度。上海交通大学研制了一款新型机械手，该机械手是基于纤维增强型的气动软体机械手。这种柔性机械手由三个具有纤维增强结构的柔性弯曲执行器组成，这些柔性弯曲执行器互相配合，达到抓取的效果，由于气体的可压缩性和软件驱动的弹性，柔性机械手可以进行无损抓取。5.总结与展望我国作为水果种植大国，其种植面积庞大，但水果品质不佳，大面积种植并未带来可观利益。传统模式下，水果行业操作效率低，所需劳动力庞大的现实问题以及人工触摸水果成熟度的方法具有一定局限性。因此急需将现代智能化产品应用于水果行业。本文就水果分级标准，分级装置，机械爪夹持方式以及加持力的控制进行表述。目前我国水果行业急需一个具体的水果分级标准其模范作用。机械设备更是我国吸取优秀经验追赶优势国家的契机。就当下而言，基于接触力学的快速水果品质分级或将是目前切实可靠的方法。此方法采用软体手，更为准切的运用接触力学模拟人手感知水果成熟度，并且减少机械手对于水果的损伤。采用ABAQUS有限元软件模拟仿真，建立压力、受力面积、压力位移与硬度等的关系，并且在机械手末端安装传感器感知不同状态力度和力度变化情况，运用大量实验获取不同水果的力大小将其作为素材库并进行接触力建模。因此基于接触力学的水果智能分级着重研究机械与力学问题为机械化感知成熟度带来新方法。参考文献[1]孟祥宁,张紫涵,李扬,等.苹果分级的研究现状及进展[J].落叶果树,2019,051(006):24-27.[2]TaoY,HeinemannPH,VargheseZ,etal.MachineVisionforColorInspectionofPotatoesandApples[J].TransactionsoftheAsae,1995,38(5):1555-1561.[3]蔡静,周昕,周锦云,张俊.水果加工分拣技术与损伤研究的现状与展望[J].浙江农业科学,2020,61(09):1881-1883+1886.[4]刘勋菊,刘璐瑶,刘帆,孙菀霞,纠松涛,张才喜.新冠疫情下我国水果贸易现状与发展对策[J].中国果业信息,2020,37(12):17-25.[5]李梅.水果分拣技术的研究现状与发展[J].江苏理工学院学报,2018,24(02):121-124.[6]孙少杰,吴刚.多电机驱动的带式输送机的传动控制[J].内燃机与配件,2018(3):1.[7]王哲.带式输送机的使用、维修与保养[J].化工设计通讯,2018,44(1):1.[8]成大先.机械设计手册.第三版．第4卷.化学工业出版社，2002.全书[9]邱宣怀.机械设计手册.第一卷.机械工业出版社.1991.全书[10]洪琳,孙宇,曹春平.多工位送料机械手的机构设计及电机同步控制[J].锻压技术,2018,43(6):5.[11]韩伯龙.浅谈机械手的类型、应用及发展趋势[J].中国高新区,2018,000(004):133-134.[12]迟颖.基于PLC控制系统的果蔬采摘机械手设计研究[J].农机化研究,2018,40(1):5.[13]蔡静,周昕,周锦云,张俊.水果加工分拣技术与损伤研究的现状与展望[J].浙江农业科学,2020,61(09):1881-1883+1886.[14]刘小龙,张杰,刘向东,李胜.辊式尺寸分级机的基本原理及种类[J].新疆农机化,2010(