蘋果采摘機(jī)械手對(duì)果實(shí)損傷的影響

張麒麟，姬長(zhǎng)英，高 峰，趙文旻

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省高等學(xué)校智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210031)

蘋果采摘機(jī)械手對(duì)果實(shí)損傷的影響

張麒麟，姬長(zhǎng)英*，高 峰，趙文旻

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省高等學(xué)校智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210031)

我國(guó)是蘋果種植大國(guó)，機(jī)械采摘的快速發(fā)展與大面積推廣應(yīng)用為我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。但同時(shí)由于機(jī)械采摘帶來的果實(shí)機(jī)械損傷每年都在增加。以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種采摘機(jī)械手，對(duì)果實(shí)進(jìn)行模擬采摘，并使用儀器檢測(cè)采摘后蘋果硬度和可溶性固形物含量的變化，確定是否造成損傷。結(jié)論表明，該機(jī)械手在滿足工作要求的同時(shí)，對(duì)果實(shí)幾乎沒有損傷。

蘋果，采摘機(jī)械手，機(jī)械損傷，硬度，可溶性固形物

蘋果是我國(guó)生產(chǎn)的主要果品之一，2010年蘋果產(chǎn)量占果品總產(chǎn)量的32.73%，居三大果品(蘋果、柑橘、梨)之首。同時(shí)我國(guó)蘋果種植面積2848萬(wàn)畝，產(chǎn)量2600萬(wàn)t，分別占世界蘋果面積、產(chǎn)量的35%以上，規(guī)模居世界第一［1］。機(jī)器人采摘在蘋果采摘過程中的大量應(yīng)用能夠極大地提高采摘效率、節(jié)約成本，但同時(shí)水果在采摘過程中容易產(chǎn)生機(jī)械損傷，機(jī)械損傷也是病源微生物的入侵之門，是導(dǎo)致水果霉?fàn)€的最主要的原因。由于在各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)中受載荷后瘀傷、破損，從而導(dǎo)致變質(zhì)腐爛的水果多達(dá)30%～40%，每年的損失高達(dá)數(shù)百億人民幣［2］。機(jī)械手是與果實(shí)直接接觸的部分，因此設(shè)計(jì)一種輕巧易用且對(duì)果實(shí)損傷小的機(jī)械手顯得尤為重要。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅富士蘋果 5顆，要求果實(shí)飽滿、大小均勻，無病蟲害和機(jī)械損傷。將蘋果編號(hào)為1～5號(hào)，果實(shí)規(guī)格見表1。

普通5倍放大鏡，TMS－PRO食品物性分析儀(質(zhì)構(gòu)儀) 美國(guó)食品特性研究開發(fā)機(jī)構(gòu) FTC［8］; SupNIR－1000型便攜式近紅外分析儀 北京英賢儀器有限公司。

表1 蘋果規(guī)格

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 處理方法 使用自行設(shè)計(jì)研制的蘋果采摘機(jī)械手對(duì)1～4號(hào)果實(shí)進(jìn)行模擬采摘實(shí)驗(yàn)，5號(hào)果實(shí)作為未經(jīng)處理的對(duì)比項(xiàng)，保持原有狀態(tài)。王學(xué)林［3］通過實(shí)驗(yàn)研究，提出了末端執(zhí)行器穩(wěn)固抓取水果的條件公式。

式中:fc－抓持力(N);G'－果蔬的非剛體抓取映射矩陣(行滿秩);mg－水果自重(N);wg=［0 0 1 0 0 0 0］T。

同時(shí)給出了對(duì)直徑在60～90mm范圍內(nèi)的蘋果，穩(wěn)定夾持力在3～6N范圍內(nèi)，所以在此選取6N為閾值。整個(gè)采摘過程為蘋果采摘機(jī)械手閉合抓持果實(shí)，當(dāng)安裝在手指內(nèi)側(cè)的力傳感器達(dá)到6N時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并保持一段時(shí)間，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手回到初始位置。

1.2.2 蘋果表面損傷測(cè)定 使用5倍放大鏡觀察果實(shí)夾持處有無表皮損傷或汁液溢出，如果有損傷，測(cè)量面積大小。

1.2.3 果實(shí)硬度測(cè)量 將蘋果置于質(zhì)構(gòu)儀實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，蘋果與機(jī)械手的接觸面作為測(cè)試面，設(shè)定好相應(yīng)參數(shù)后開始運(yùn)行，探頭與果實(shí)接觸后測(cè)出果實(shí)硬度，多次測(cè)量取平均值，連續(xù)測(cè)量10d。

1.2.4 果實(shí)可溶性固形物檢測(cè) 將蘋果置于桌面上，然后將探針放于立架上的固定高度對(duì)準(zhǔn)蘋果待檢測(cè)部位，選用波長(zhǎng)范圍為600～1100nm。選取蘋果夾持處多個(gè)位置進(jìn)行5～6次檢測(cè)，然后取平均值，連續(xù)測(cè)量10d。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械采摘對(duì)蘋果表面產(chǎn)生的影響

使用5倍放大鏡觀察果實(shí)表面的變化情況，表皮損傷情況見表2。

表2 蘋果表皮損傷實(shí)驗(yàn)

我國(guó)關(guān)于蘋果的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鮮蘋果》(GB/T 10651－2008)［4］對(duì)碰壓傷的規(guī)定見表3，對(duì)比表2和表3可以看出唯一產(chǎn)生表皮損傷的蘋果3也在國(guó)家二等品蘋果規(guī)定的范圍以內(nèi)。

表3 鮮蘋果質(zhì)量等級(jí)要求

2.2 機(jī)械采摘對(duì)蘋果硬度的影響

同一品種的蘋果硬度略有差異，由于果肉細(xì)胞每時(shí)每刻都在進(jìn)行呼吸作用并消耗養(yǎng)分，所以會(huì)造成果實(shí)硬度緩慢下降。如果果實(shí)受到機(jī)械損傷，會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成果實(shí)迅速軟化［5］。從圖1看出，在10d內(nèi)蘋果的硬度都在緩慢下降，蘋果1～4與蘋果5的下降趨勢(shì)相同，經(jīng)過機(jī)械采摘的蘋果并未表現(xiàn)出快速軟化的現(xiàn)象。

圖1 蘋果硬度的變化曲線

2.3 機(jī)械采摘對(duì)可溶性固形物的影響

可溶性固形物是指食品中所有溶解于水的化合物的總稱，包括糖、酸、維生素、礦物質(zhì)等。可溶性固形物含量對(duì)水果口感有著很大的影響，是評(píng)價(jià)水果內(nèi)部品質(zhì)的重要指標(biāo)之一［6］。

如圖2所示，在10d內(nèi)，蘋果可溶性固形物百分比先下降后上升，然后經(jīng)歷了反復(fù)升降的過程。這是因?yàn)樘O果一直在進(jìn)行呼吸，呼吸會(huì)消耗糖等養(yǎng)分，造成可溶性固形物的百分比下降，同時(shí)蘋果其他部位的養(yǎng)分也會(huì)向消耗處補(bǔ)充，阻止其繼續(xù)分解［7］。如果果實(shí)局部發(fā)生機(jī)械損傷，養(yǎng)分會(huì)快速流失且加劇消耗，蘋果可溶性固形物百分比會(huì)快速下降到一個(gè)很低的水平。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，1～4號(hào)蘋果和5號(hào)一樣，都保持了正常的變化規(guī)律。

圖2 蘋果可溶性固形物變化圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)蘋果機(jī)械采摘過程中對(duì)果實(shí)產(chǎn)生損傷的問題，設(shè)計(jì)了一種新型采摘機(jī)械手。對(duì)經(jīng)過機(jī)械手采摘的蘋果的重要生理指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)械手在滿足抓取要求的同時(shí)對(duì)果實(shí)幾乎沒有損傷，值得推廣使用。

［1］翟衡，趙鄭陽(yáng)，王志強(qiáng).世界蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.果樹學(xué)報(bào)，2005，22(1):44－50.

［2］徐麗明，張鐵中.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對(duì)策［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(5):38－42.

［3］王學(xué)林.基于力矩外環(huán)的軟物體抓取控制［J］.控制工程，2010，17(2):232－235.

［4］中共和華人民國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 10651－2008 B31［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［5］潘秀娟，屠康.紅富士蘋果采后品質(zhì)變化的破壞與非破壞檢測(cè)研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，32 (9):40－42.

［6］吝凱，王維新.果品的沖擊損傷研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010(1):233－235.

［7］熊秀芳.紅富士蘋果采摘及貯藏期間抗壓性能與品質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2004.

［8］Food Technology Corporatio.TMS－Pro Manual［OL］.(2008－07－1)［2011－05－22］http://www.foodtechcorp.com.

Effect of apple picking manipulator on fruits damage

ZHANG Qi－lin，JI Chang－ying*，GAO Feng，ZHAO Wen－min
(College of Engineering Nanjing Agricultural University/Intelligent Agricultural Equipmental Key Lab of Institution of Higher Learning in Jiangsu Province，Nanjing 210031，China)

China is a big country planting apples.Apple industry developed very fast with widely using of mechanical harvesting.The loss of fruits mechanical damage has increased every year because of the rapid development.In order to solve this problem，a kind of robot hand was designed to pick apples.Instruments were used to discover the change of the apple hardness and soluble solids content.The results indicted that the robot hand could meet the requirements of use and there was little damage on fruits.

apple;picking manipulator;mechanical damage;hardness;soluble solids content

TS255.35

A

1002－0306(2011)12－0404－05

2011－05－25 *通訊聯(lián)系人

張麒麟(1987－)，男，碩士，研究方向:機(jī)電一體化。

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA10Z259)。