對蝦去頭柔順機械手的設計與研究

韓 翠 張秀花 李 娜 王澤河 弋景剛（河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001）

目前中國水產品加工水平遠遠落后于發達國家，深加工設備少，尤其是對蝦去頭的相關設備［1－4］。對蝦的蝦頭主要包括內臟、消化系統及可食部分，并且蝦頭含有重金屬，食用后對人體傷害較大，同時在貯藏過程中對蝦蝦頭容易破裂污染蝦仁，使其變質，造成巨大的經濟損失。每到蝦汛期，鮮蝦集中捕撈，為保證對蝦蝦仁的品質和后續加工的順利進行，必須迅速進行對蝦去頭處理［5］。目前國內外均有相關的對蝦去頭專利，Edwin B.Mitchell等［6］設計了利用剪切塊的形式去除蝦頭的去頭裝置；里德·P·阿蘭［7］設計了利用掐斷指片進行去頭的去頭裝置；安玉平［8］設計了推卡阻切式對蝦去頭裝置。這些去頭裝置都能完成對蝦的去頭動作，但是由于其機械結構復雜、成本高，使其應用受到了限制。目前中國在對蝦去頭方面仍以人工為主，效率低、加工環境惡劣、制品品質較低。

本試驗在研究以往對蝦去頭設備［6－8］的基礎上擬設計一種對蝦去頭柔順機械手，通過去頭試驗確定機械手末端的形式，在確保完成對蝦去頭動作的前提下，不增加裝置的復雜性，利用柔順材料的變形實現所要求運動軌跡以提高無頭蝦得率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 試驗材料

鮮活南美白對蝦：2014年8月份在河北保定市水產市場采購，體型呈長筒形，左右側扁，頭胸部、腹部和尾部均完整，蝦仁飽滿，蝦頭與蝦身連接正常。

1.1.2 儀器與設備

游標卡尺：MNT－150型，上海迎特貿易有限公司；

電子秤：CX－688型，東莞南城長協電子制品廠；

圖顯式推拉力計：SPJ－B型，溫州山度儀器廠。

1.2 試驗方法

根據 SC/T 3016—2004《水產品抽樣方法》和 SC/T 1102—2008《蝦類性狀測定》的要求，在同一批次中隨機選取140只，平均分為7組進行去頭試驗。綜合考慮去頭方法的可行性和效果，選取的刀具形式為有刃刀和無刃刀，對蝦去頭的施力點分為背部、腹部、側面（見圖1），進行有刃刀背部去頭、有刃刀腹部去頭、有刃刀側面去頭、無刃刀背部去頭、無刃刀腹部去頭、無刃刀側面去頭6組試驗。測量去頭前的質量、去頭后的質量、全長和頭長，分析無頭蝦的得率與去頭前質量、全長、頭長的相關性［9，10］。通過6組去頭試驗確定最佳的施力位置和刀具形式。用剩余一組進行去頭軌跡的優化。

圖1 對蝦去頭的施力點Figure 1 Point of shrimp head

1.3 試驗指標

1.3.1 無頭蝦得率 按式（1）計算：

1.3.2 感官評定 組織5名試驗人員成立感官評定小組，依據感官評定標準（見表1），對蝦體的切斷面質量進行感官評定。每組設計20次獨立重復試驗，為了增加試驗的可靠性，減小誤差，每組試驗采用均值作為評定結果。

1.4 數據處理

相關分析（correlation analysis）就是通過分析采集來的實際數據，研究各變量之間的關系，確定關系的緊密程度和性質。相關性分析的任務就是對數據變量之間的關系進行計算和描述。本試驗采用SPSS 17.0將統計的數據進行相關性分析，得出去頭前質量、全長、頭長、得率之間的相關系數，確定這幾個變量間的類型和緊密程度，由于數據都是等距變量，所以采用相關性分析中的Pearson相關分析。

表1 感官評定標準Table 1 Sensory evaluation standards

2 結果與分析

2.1 對蝦去頭相關性分析

綜合6組試驗結果分析無頭蝦得率與去頭前質量、全長、頭長生物結構的相關性見表2。

表2 得率與生物結構的相關性Table 2 Correlation rate and biological structure

表2 得率與生物結構的相關性Table 2 Correlation rate and biological structure

＊＊在0.01水平（雙側）上顯著相關；＊在0.05水平（雙側）上顯著相關。

相關量 去頭前質量 全長 頭長 得率去頭前質量1.000全長 0.803＊＊ 1.000頭長 0.571＊＊ 0.972＊＊ 1.000得率 0.710＊＊0.255 0.109 1.000

由表2可知：無頭蝦得率與去頭前質量的相關程度為0.710，與全長的相關程度為0.255，與頭長的相關程度為0.109。一般來說，反映相關性的相關系數若在0.40以下時反映變量之間低相關；在0.40～0.70時反映變量間較顯著相關；在0.70～0.90時反映變量間顯著相關；在0.90～1.00時則反映變量間最高相關［11，12］。分析結果表明去頭得率與頭長、全長均不是顯著相關，與去頭前質量為顯著性相關，所以后期試驗需要排除對蝦去頭前質量對得率的影響，后期試驗將對蝦的質量進行小范圍固定。

2.2 對蝦去頭試驗結果分析

由表3可知：同種去頭方式中背部去頭得率最高，施力點位置相同時有刃刀去頭得率要大于無刃刀去頭得率。由圖2可知：對蝦去頭有刃刀背部的感官質量評分較高。所以可以確定對蝦去頭柔順機械手末端為有刃刀在背部去頭效果最佳。

表3 各種去頭方式的平均得率Table 3 Average yield to head various ways%

圖2 去頭后感官質量評分Figure 2 Head the sensory quality score

具體原因分析：進行去頭時，若施力點在對蝦腹部，頭部與蝦身沒有明顯界限容易導致去頭位置不準確影響得率，同時腹部去頭使對蝦的頭部組織受壓迫嚴重，極易導致頭部的臟器破裂，污染蝦仁；若施力點在側面，需選在對蝦頭胸甲的邊緣，但頭胸甲覆蓋的一小部分蝦肉又會被去除，導致無頭蝦的得率降低；若施力點在背部，去頭時先把頭部組織與蝦身分離，使得蝦仁不易被污染，同時保證無頭蝦得率，所以最優施力點為對蝦的背部。有刃刀所得無頭蝦得率和感官質量評分明顯優于無刃刀，這是由于對蝦的肌肉組織比較細嫩，若采用無刃刀則切斷面的蝦肉組織容易被撕裂和扯斷，感官質量很差，更不用考慮有齒刀具等。

2.3 對蝦去頭軌跡的確定

觀察去除的蝦頭并進行解剖發現，蝦頭的頭肉部分占有一定比例，因此設計一種去頭軌跡，盡可能多地保留對蝦的頭肉部分，提高無頭蝦的得率，減少蝦肉的浪費。用1組對蝦進行去頭軌跡的優化見圖3，采用盤狀刀進行弧線狀軌跡去頭，保留頭肉部分，測量去頭前后質量，弧線狀去頭分析結果見表4。

圖3 無頭蝦的形狀Figure 3 Headless shrimp shape

表4 弧線狀去頭分析結果Table 4 Arc shaped head analysis results

由表4可知：采用弧線狀去頭軌跡所得無頭蝦的得率明顯高于直切方式的得率。原因是弧線狀去頭保留了對蝦頭部的頭肉部分，減少了蝦肉的損失，感官質量評分與直切方式相差不大。所以柔順機構末端應能實現弧線狀軌跡，才可以提高無頭蝦的得率。

3 裝置設計仿真和試制試驗

3.1 總體結構

根據以上試驗確定的對蝦去頭柔順機械手末端的最優結果，為了解決弧線狀的軌跡，又不增加裝置的復雜性，采用柔順材料變形來實現該運動軌跡。柔順機構具有構件數量少，運動和力的傳遞是利用其組成的構件變形來實現，可以避免長期工作的機械磨損等優點［13］。因此設計了一種對蝦去頭柔順機械手，該裝置包括柔順機械手、固定裝置、氣缸3個部分，整體結構見圖4。柔順機械手部分通過滑塊部分與側擋板形成移動副，以達到定位的作用，側擋板與頂板為一個整體固定在機架上，氣缸為柔順機械手提供動力。

柔順機械手為柔性材料制成的等截面的全柔順構件，呈軸對稱，通過柔性材料的變形來實現末端的弧線軌跡，兩個柔順機械手末端可以同時對兩條生產線上的對蝦進行去頭。同時通過柔性材料的彈性儲能，能自動恢復到原來的形狀，柔順機械手內部結構見圖5。

3.2 運動原理

圖4 柔順機械手整體結構Figure 4 Overall structure of compliant manipulator

圖5 柔順機械手內部結構Figure 5 Internal structure of compliant manipulator

柔順機械手與側擋板之間的移動副限制了柔順機械手只能做平面上的運動，在柔順機械手的對稱軸部分作為動力的輸入部分，動力輸入采用直線氣缸。當氣缸作用時，柔順機械手受力向上運動，但由于有頂板的限制，使得動力由直線轉為繞點的旋轉，柔順機械手圓弧部分在等效鉸鏈的作用下做圓弧運動，使得末端也做圓弧運動，完成去頭動作，去頭完成后氣缸撤去外力后，由于柔性材料的彈性儲能，自動恢復到原來的形狀，從而實現了直線的輸入，圓弧軌跡的輸出。

3.3 柔順機械手虛擬樣機設計

本裝置利用Solidworks軟件的零件設計模塊進行三維建模并進行裝配，運動ADAMS軟件進行運動的仿真。把基本模型從Solidworks軟件導入到ADAMS軟件中。利用ADAMS軟件對整個機構添加約束，除了對部件添加力、固定等約束以外，若要形成理想的軌跡還要添加2個接觸約束，通過接觸約束限制其自由度。如圖6所示為柔順機械手變形前、后的形狀。仿真結果顯示該裝置可以實現預期的運動效果，仿真的運動軌跡線符合對蝦去頭的弧線狀軌跡，結構和驅動簡單方便。

圖6 柔順機械手變形前、后的形狀Figure 6 Compliant manipulator deformation，shape

3.4 柔順機械手樣件試制與實驗驗證

3.4.1 柔順機械手樣件試制 根據仿真確定的模型參數及材料特性，本裝置采用厚度為15mm的聚氨酯材料進行樣件的試制，模型的函數圖像見圖7。

各段函數解釋式為：

柔順機械手試制樣件見圖8，選擇水產品市場采購的鮮活對蝦，質量分布范圍為17～19g，整體結構完整，蝦仁飽滿，對蝦頭部與蝦身連接正常，進行對比實驗驗證。

3.4.2 試驗數據與結果分析 由表5可知，用柔順機械手裝置去頭比刀具直切式去頭，無頭蝦的得率由65.18%提高到了70.78%，該方法雖然在效率上有待驗證，但為對蝦去頭設備的研制提供了一種新的方法和思路，可為后期對蝦去頭裝置的研究提供參考。

圖7 柔順機械手函數圖像Figure 7 Function image of compliant manipulator

圖8 柔順機械手樣件Figure 8 Compliant manipulator

表5 去頭試驗數據Table 5 Test data to the head

4 結論

本試驗在研究以往對蝦的去頭方式的基礎上，設計了一種對蝦去頭柔順機械手裝置，并結合試驗確定了機械手末端為有刃刀、背部為施力點；根據試驗確定的參數進行柔順機械手整體結構的設計并進行了仿真分析，發現該結構可以實現所要求的軌跡，并進行了后期的試制及試驗，通過試制和實驗驗證了該方法可以使無頭蝦的得率提高到70.78%，提高了蝦仁的利用率和經濟價值，但本試驗只制成了第一代樣件，樣件在結構上仍可以進行優化，以進一步提高效率。

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