蘋果成熟季樹枝力學綜合應力研究

摘 要：蘋果樹枝的力學特性是設計其采摘機的重要依據。文章將研究在蘋果樹枝同時受壓縮、拉伸和彎曲條件下，對蘋果樹枝所能承受的綜合型應力進行分析研究。先將破壞時的綜合性應力設為單位“1”，然后在matlab中利用近似偏最小二乘的算法對三者進行權值求解。從而建立三者之間的數學模型。將其破壞條件進行量化，以便在采摘過程中，提供更加符合實際的破壞性應力標準。簡化采摘機的判斷與計算過程。從而減少采摘過程中對樹枝造成的誤傷率。

關鍵詞：壓縮；拉伸；彎曲；偏最小二乘

引言

蘋果富含維生素，是我國主要的水果之一，規模居世界首位[1]。目前蘋果的采摘主要靠人工，既耗時又費力，作業環境差，更重要的是，采摘過程比較危險。在蘋果的采摘季節，還會造成采摘蘋果的用工緊張。因此，發明和制造蘋果采摘機具有十分深遠的意義。蘋果采摘機的應用，不僅可以解決以上問題，而且還可以減少采摘過程中的成本。但采摘機在采摘過程中容易造成水果和樹枝得到損傷。不僅破壞了水果的品質，而且影響了樹的長勢，造成來年產量的減少。這是采摘機不能得到充分發展的部分原因。采摘機會遇到這些問題，主要是因為其在采摘過程中，機械臂對樹枝的沖擊力沒有進行很好的判斷、分析和回應。一般的力學研究只是對純壓縮、純拉伸和純彎曲進行研究并把這些研究數據作為采摘過程中采摘機的力學判斷依據。然而在采摘過程中樹枝不可能只受單個類型的力，以這樣的數據來設計必然會出現各種問題。針對上述問題，為了獲取更符合實際的力學特性。文章將著重在同時受壓縮、拉伸和彎曲條件下[2]，對蘋果樹枝所能承受的綜合型應力進行研究，找到蘋果樹枝能承受破壞的閥值，從而為采摘機的設計研究提供更精確的數據和信息。由于文章著重介紹綜合應力對樹枝的影響，因此實驗部分不再累贅介紹。

1 蘋果樹枝的力學特性試驗結果分析

試驗結果處理與分析：

開動試驗機清零后使之緩慢勻速加載，試驗的變形勻速增長，在電腦顯示屏上，力的變化也是勻速增加的，在此階段試樣的變形是彈性的，如果在此階段終止拉伸和壓縮并卸載，試樣仍可恢復到原先的尺寸，試驗曲線將沿著拉伸壓縮的曲線回到初始點，表明試樣沒有任何的殘余變形。因此在蘋果采摘時我們比較關注蘋果樹枝的彈性階段可以承受的最大應力值？滓m，因為當蘋果樹枝所受應力？滓？叟？滓m時，蘋果樹枝就會受到較大的破壞，這個應力就會影響蘋果樹的長勢，甚至影響來年的產量，因此很有必要研究其最大的彈性應力？滓m。

拉伸和壓縮部分可根據：

2 模型的建立

由以上數據我們知道了使樹枝產生非彈性破壞時的壓縮、拉伸和彎曲應力的大小。在現實的生產過程中，通常要對生產過程建立數學模型，但是，現實的生產過程往往極其復雜，很難使用合適的模型來描述，由實驗可得到大量數據，建立輸入輸出模型，偏最小二乘法比較適合本題[3-7]。為了建立使樹枝發生非彈性破壞時三者應力的關系。我們可以用壓縮、拉伸和彎曲應力分別為x1、x2、x3。因此需要確定使其破壞的臨界值。我們假設使樹枝破壞時的y值為單位“1”，由此可以構建完整的偏最小二乘回歸算法模型。但是在實際操作中上述的數據結構在matlab中利用偏最小二乘勢必會造成最優解的結果是常數項為1，其他項的系數為0。因此我們要將數據進行二次處理，回避此種方法造成的弊端。我們將第1、2、3、8、9組數據同比例擴大1.5倍。實驗結果如表2。

我們將十組的數據分別定義為e1，e2，…，e10誤差波動的大小勢必會影響到整個模型的穩定性，因此我們還需要求出誤差的標準差。

求得的標準差為3.0277，說明系統誤差不僅小，而且不會出現誤差的較大浮動，說明此模型相對來說比較好。可以運用于實際的生產生活中。

4 結束語

（1）文章模型利用類偏小二乘的算法，引入壓縮、拉伸、彎曲三者力學性能的關系。構造了壓縮、拉伸、彎曲三者共同作用下的破壞強度準則。為蘋果采摘機提供了更加符合實際的破壞強度性能指標。

（2）該準則不僅在單個強度下使用，在多個強度下依然使用（如果對強度要求不是很嚴格的情況）。

（3）文章建模過程按照多輸入，多輸出的方式，不僅為研究其他樹枝提供了普遍的方法，而且為研究更加復雜的力學問題提供了參考依據。

參考文獻

[1]張潔，李艷文.果蔬機器人的研究現狀、問題及對策[J].機械設計，2010，27（6）：1-4.

[2]俞茂宏，劉鳳羽.雙剪應力三參數準則及其角隅模型[J].土木工程學報，1988，21（3）：90-95.

[3]肖琳，何大衛.偏最小二乘回歸與主成分回歸的比較[J].山西醫藥，2002，31（1）：37-39.

[4]王惠文.偏最小二乘回歸方法及其應用[M].北京：國防工業出版社， 1999.

[5]蔣衛紅，夏結來.偏最小二乘回歸及其應用[J].第四軍醫大學學報，2003，21（3）：280-283.

[6]周強，歐陽一鳴，胡學剛，等.數據挖掘中應用偏最小二乘法發現異常值[J].微電子學與計算機，2005，22（1）：25-31.

[7]張恒喜，郭基聯.小樣本多元數據分析方法及應用[M].西安：西北工業大學出版社，2002：22-70.

作者簡介：全朋坤（1992-），男，河南省南陽人，學生，研究方向為采摘機械手設計。

通訊作者：李艷聰（1965-），女，天津市寶坻區人，博士，教授，研究方向為采摘機械手設計。