徐賽超，毛罕平，劉 洋，邢高勇

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

近年來，植物工廠逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)環(huán)境調(diào)控、智能網(wǎng)絡(luò)控制及生產(chǎn)流程的規(guī)范等[1]，但前期投入費(fèi)用大、耗能高，因此降低成本是發(fā)展植物工廠的必要條件[2-3]。面對勞動(dòng)力日益減少的現(xiàn)狀，在耗費(fèi)人力的收獲環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)有利于植物工廠的加速發(fā)展。日本出光興產(chǎn)公司針對設(shè)施菠菜研制了一種菠菜自動(dòng)化采收機(jī)械[4-5]，先由剪切裝置將定植杯子和成熟的菠菜分離，再通過皮帶輸送機(jī)械將其放入收集箱內(nèi)，此采收機(jī)械的自動(dòng)化程度不高。北京工業(yè)大學(xué)的高國華等人研制了一套適用于溫室霧培小白菜的自動(dòng)化采收裝置[6-7]，通過帶有聚攏板的手爪可以同時(shí)對多顆小白菜實(shí)現(xiàn)聚攏夾緊并統(tǒng)一切根，進(jìn)而通過運(yùn)輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)蔬菜輸送；但不適用于生菜采收。

本文在基于江蘇大學(xué)植物工廠的基礎(chǔ)上，針對種植于栽培板上的營養(yǎng)液水培生菜，利用TA.XTplus質(zhì)構(gòu)儀對生菜進(jìn)行了力學(xué)特性測試，進(jìn)而根據(jù)力學(xué)特性參數(shù)對末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于江蘇大學(xué)植物工廠生菜自動(dòng)化采收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效采收作業(yè)。

1 生菜力學(xué)特性測試

1.1 試驗(yàn)材料

測試時(shí)間為2016年10-12月，測試地點(diǎn)為江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；測試材料為農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院自行種植的成熟期營養(yǎng)液水培生菜。

測試儀器包括：TA. XTPlus質(zhì)構(gòu)儀(SMS公司，英國)；UPM 0-150mm電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺(深圳市聯(lián)思精密機(jī)器有限公司，精度0.01mm)；LQ-1000g電子稱(樂祺電子衡器有限公司，精度0.01g)。

1.2 試驗(yàn)方法

1)生菜的物理特性。采收帶有根莖的生菜共60顆，在之后的12h內(nèi)完成測試，確保測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。使用數(shù)顯電子稱測量生菜的整體質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺丈量生菜莖部直徑。

2)生菜的抗壓力-位移特性。選取供試生菜樣本為60顆，于采收后6h內(nèi)完成試驗(yàn)。由生菜的物理特性試驗(yàn)結(jié)論可知：生菜平均高度約為200mm，100mm往上部位菜葉較松散，不宜夾持；考慮到后期設(shè)計(jì)的夾持器手爪的寬度，試驗(yàn)部位不宜太低，故需對供試生菜的3種不同部位進(jìn)行壓縮力-位移特性試驗(yàn)，測試部位分別為生菜莖部往上60、80、100mm，每個(gè)部位供試生菜樣本為20顆，分析生菜最佳夾持部位。質(zhì)構(gòu)儀工在作時(shí)選擇壓縮模式，測試前后探頭運(yùn)行速率都是5.0mm/s，測試速度為2.0mm/s，應(yīng)變量(Strain)設(shè)置為70%，探頭選擇P100壓縮探頭，其余參數(shù)選擇默認(rèn)值?？箟毫?位移特性試驗(yàn)裝置如圖1所示。

3)生菜莖部的滑動(dòng)剪切特性。測試儀器和試驗(yàn)前準(zhǔn)備同生菜的抗壓力-位移特性試驗(yàn)，如圖2所示。質(zhì)構(gòu)儀在工作時(shí)，選擇拉伸模式，測試前后探頭運(yùn)行速率都是2.0mm/s，測試速度分別為1.0，1.5，2.0mm/s，應(yīng)變量選擇距離模式，數(shù)值為25mm；在加載速率均為1mm/s的情況下，選取刀片與水平方向所呈角度分別為0°、5°、10°的情況下進(jìn)行滑動(dòng)剪切試驗(yàn)；其余參數(shù)選擇默認(rèn)值。相應(yīng)雙面剪切計(jì)算公式為[8]

(1)

式中τ—生菜莖部剪切時(shí)的極限應(yīng)力(MPa)；

Fmax—生菜莖部剪切力峰值(N)；

A—生菜莖部的橫截面面積(mm2)。

圖1 抗壓力-位移特性試驗(yàn)裝置

1.剪切探頭 2.生菜根莖 3.剪切支撐座

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)生菜的物理特性。根據(jù)測量結(jié)果顯示：生菜莖部均徑為14.84～23.18mm，生菜高度為190.54～205.22mm，生菜質(zhì)量為681.55～712.32g。如表1所示：生菜莖部均徑為19.42mm，平均高度為198.41mm，平均質(zhì)量為697.86mm，且均符合正態(tài)分布規(guī)律，置信水平在95%以上。

2)生菜的抗壓力-位移特性。在相同速率下，當(dāng)加載位置為生菜莖部往上60～100mm變化時(shí)，在壓縮曲線初始階段，生菜所受的壓力與變形量成正比，曲線為直線上升，生菜表現(xiàn)出壓實(shí)硬化特性；隨后壓縮曲線出現(xiàn)波動(dòng)，并在某個(gè)位移處出現(xiàn)一個(gè)明顯的折彎，同時(shí)生菜被壓縮處發(fā)出破裂的聲響，由于菜葉組織表皮及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性破壞所致，所受的壓力超過了生物屈服點(diǎn)，生菜葉片發(fā)生局部破裂。

表1 生菜物理特性參數(shù)

對60個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出不同位置下的抗壓力峰值與其相對應(yīng)的位移量，求得參數(shù)的平均值如表2所示。隨著壓縮位置由生菜莖部往上60、80、100mm處的不斷上移，生菜越蓬松，葉片間的距離變大；生菜所能承受的壓縮力和壓縮位移均相應(yīng)增大，即生菜抗壓能力隨著壓縮位置的上升而增大，在60、80、100mm處生菜的抗壓力峰值分別為19.851、21.368、34.143N。

3)生菜莖部的滑動(dòng)剪切特性。30個(gè)測試樣本為一組，在剪切過程中先后出現(xiàn)3個(gè)不同階段：一開始生菜莖部所受的剪切力與位移量呈近似線性關(guān)系，此為彈性變形階段；隨后曲線開始出現(xiàn)鋸齒形波動(dòng)，此為第2階段，這個(gè)階段下生菜莖部的表面組織被逐漸破壞；隨著生菜莖部深層組織進(jìn)一步被破壞，曲線呈鋸齒形上升趨勢；最后曲線呈現(xiàn)懸崖式回落，此為第3階段，在這個(gè)階段中生菜莖部深層組織被徹底破壞，無法再抵抗剪切力的作用，曲線上表現(xiàn)為隨著位移量的增加剪切力不斷降低。

表2 生菜抗壓力-位移特性參數(shù)

由式(1)計(jì)算可得生菜莖部極限剪應(yīng)力，如表3所示。當(dāng)剪切速率為1、1.5、2 mm/s時(shí)，平均最大剪切力分別為20.253、19.642、18.776N，剪切力峰值和極限剪應(yīng)力隨著剪切速度的增加而減小。當(dāng)剪切角度為0°、5°、10°時(shí)，平均最大剪切力分別為20.865、20.143、19.725N。在刀片安裝角度不同的情況下，剪切角度和剪切力峰值呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)?shù)镀嵌仍龃?，剪切力峰值隨之降低。

表3 生菜滑動(dòng)剪切力學(xué)參數(shù)

2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用雙曲柄滑塊平移型結(jié)構(gòu)，分為夾持器和剪切器兩部分，分別通過底板與Z軸同步帶直線運(yùn)動(dòng)單元上的滑塊和固定座相連接，夾持器隨著Z軸滑塊實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，而剪切器固定于Z軸。由于生菜為橢圓形形狀且上大下小，為了在采收作業(yè)時(shí)更容易對生菜進(jìn)行包絡(luò)抓取，末端執(zhí)行器與生菜接觸部位的夾持爪設(shè)計(jì)成包絡(luò)面且內(nèi)凹的形狀，且內(nèi)部輪廓與生菜輪廓相擬和。該末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理為電機(jī)帶動(dòng)中間曲柄，從而帶動(dòng)滑塊在滑槽上實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)夾持爪和刀片實(shí)現(xiàn)夾緊放松及剪切動(dòng)作，如圖3所示。

1.連桿 2.滑塊 3.曲柄 4.夾持連接桿 5.夾持爪

2.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

此末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)可以簡化為兩個(gè)組合的偏置曲柄滑塊結(jié)構(gòu)(見圖4)，在實(shí)際工作過程中，偏置曲柄滑塊結(jié)構(gòu)擁有一定的急回特性，在曲柄繞著支點(diǎn)OA在進(jìn)行等速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，滑塊空回行程的平均速率相比于工作行程的平均速率有所增加，即空回行程所需的時(shí)間較短。此機(jī)構(gòu)能夠縮短采收作業(yè)中無效工作時(shí)間，有效地提高了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作效率。

圖4 偏置曲柄滑塊結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)機(jī)構(gòu)中的曲柄從A1點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過Φ1角度到A2點(diǎn)時(shí)，滑塊3也相應(yīng)地從B1點(diǎn)移動(dòng)至B2點(diǎn)；當(dāng)曲柄1從A2點(diǎn)繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過Φ2角度回到A1點(diǎn)時(shí)，滑塊3也隨之從B2點(diǎn)返回至B1點(diǎn)。如圖4所示。OAA1和OAA2所夾的角度θ是搖桿2在機(jī)構(gòu)急回行程的過程中曲柄繞支點(diǎn)OA所轉(zhuǎn)過角度的補(bǔ)角；b為偏距；αmax為最大壓力角，出現(xiàn)于曲柄1上的端點(diǎn)A相對于滑塊3在其直線運(yùn)行軌跡B1B2上距離最遠(yuǎn)的時(shí)刻。由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中存在移動(dòng)副，故設(shè)機(jī)構(gòu)的許用壓力角 取為40°左右；K為滑塊3的行程速度變化系數(shù)，偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的該系數(shù)值較?。籬為滑塊行程。其中的關(guān)系可表示為

(2)

a=L2/L1

(3)

(4)

μ=b/L1

由生菜力學(xué)特性測試結(jié)論可知：生菜100mm處往下適宜被夾持，夾持爪寬度設(shè)計(jì)為50mm，則設(shè)定50～100mm上下區(qū)域?yàn)閵A持區(qū)域。根據(jù)對生菜樣本的測量統(tǒng)計(jì)，可知生菜100mm處的直徑約為100mm左右；又由于夾持爪和同側(cè)滑塊的垂直距離為30mm，剪切器的刀架與同側(cè)滑塊的垂直距離為60mm，要保證生菜能進(jìn)入夾持爪內(nèi)部空間同時(shí)根莖可以被完全剪切，則需要保證兩個(gè)滑塊之間的距離至少為160mm，滑塊離中心距離至少為80mm。且栽培板上每顆生菜之間的距離為200mm，考慮到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有一定的行程且滑塊在采收作業(yè)時(shí)和生菜離的較遠(yuǎn)，不會(huì)與生菜相接觸。由試驗(yàn)可得：生菜的最大壓縮量為40mm左右，所以滑塊離中心在60～80mm區(qū)間內(nèi)能夾持住生菜。為了保證夾持器在工作中能夠有效進(jìn)行夾持且不影響其他生菜的前提，設(shè)定單個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程為h=60mm，a=3.3。

在式(2)中取等號(hào)解出，并代入式(3)計(jì)算得出

(5)

將[α]=40°,a=3.3代入式(5)解出θ=14.061°；將θ=14.061°分別代入式(2)和式(3)，解出L1=27.997mm,μ=1.121 2；則L2=92.390mm，b=31.390mm。

3 自動(dòng)采收性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

采收成功率是衡量植物工廠生菜自動(dòng)化采收系統(tǒng)和所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性能的重要指標(biāo)，而采收效率與采收成功率相互制約。因此，需對系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)采收性能試驗(yàn)，從而評估其作業(yè)性能，為系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)提供參考。

將所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配于課題組研制的江蘇大學(xué)植物工廠生菜自動(dòng)化采收系統(tǒng)，分別在系統(tǒng)采收效率為15、20、30塊/h下進(jìn)行生菜自動(dòng)采收性能試驗(yàn)，一個(gè)采收周期即為采收一塊栽培板上9顆生菜，每組試驗(yàn)4個(gè)周期，共36顆生菜。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 采收試驗(yàn)裝置示意圖

用來評價(jià)生菜自動(dòng)采收系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)為采收成功率，用S表示，定義為

(6)

其中，N為生菜總數(shù)；N1為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)成功采收的生菜個(gè)數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 采收試驗(yàn)結(jié)果

在系統(tǒng)采收效率為15、20塊/h，系統(tǒng)采收成功率分別為94.4%、91.6%，采收成功率較高，滿足采收作業(yè)要求。當(dāng)采收效率增大至30塊/h時(shí)，采收成功率大幅度下降至83.3%，并出現(xiàn)采收過程中生菜脫落現(xiàn)象。這是由于同步帶直線運(yùn)動(dòng)單元屬于柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在高速運(yùn)行時(shí)，由于XYZ直角三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性所引起的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，表現(xiàn)為夾持器在采收作業(yè)中出現(xiàn)夾不穩(wěn)固的現(xiàn)象，導(dǎo)致生菜在未到達(dá)收集箱位置就提前脫落，使得采收作業(yè)失敗，采收效率和采收成功率呈負(fù)相關(guān)，采收最優(yōu)速率在15～20塊/h之間。

4 結(jié)論

1) 對營養(yǎng)液水培生菜進(jìn)行力學(xué)特性測試，分別測試了生菜的物理特性、抗壓力-位移特性和生菜莖部的滑動(dòng)剪切特性。結(jié)合測試結(jié)果進(jìn)行了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，適用于江蘇大學(xué)植物工廠生菜自動(dòng)化采收系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生菜采收作業(yè)，節(jié)省人力，有利于植物工廠的推廣和發(fā)展。

2) 將所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配于課題組研制的植物工廠生菜自動(dòng)化采收系統(tǒng)，并在采收效率分別為15、20、30塊/h下進(jìn)行了自動(dòng)采收性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：采收成功率分別為94.4%、91.6%及83.3%；采收效率和采收成功率呈負(fù)相關(guān)，為保證采收效率，采收最優(yōu)效率應(yīng)控制在15～20塊/h之間。