水培生菜低損柔性采收裝置設計與試驗

馬義東 胡鵬展 金 鑫 李心平 張 超 張 印

(河南科技大學農業裝備工程學院， 洛陽 471003)

0 引言

植物工廠是設施園藝的高級形式，水培生菜是植物工廠主要栽培作物，采收是植物工廠水培生菜的重要生產環節。水培生菜的菜葉柔嫩易損傷，低損傷采收是機械作業的難點；為適應植物工廠無人化作業的發展趨勢，研發水培生菜高質量(低損傷、高成功率等)采收裝備具有重要意義。

目前，植物工廠發展迅速，相關作業裝備需求日益增加[1-10]。國外，日本等國家植物工廠作業裝備的研發起步較早[11-16]，其采收裝備多采用圓盤刀直接切割生菜莖(不聚攏菜葉)[12]，作業效率高，但對農藝規范等要求較高。國內，水培葉菜采收裝備尚處于研發階段，且農藝條件不統一；因此，國內采收裝備作業時，一般先從生菜底部或側面聚攏菜葉，再切除生菜莖[17-21]；菜葉聚攏部件多采用夾持板[17-18]、聚攏桿[19-21]等剛性構件，相關研究集中于采收機構參數優化。上述研究為植物工廠高質量采收裝備研發提供了良好基礎，但剛性聚攏部件仍易損傷柔嫩菜葉，不滿足商業生產要求。柔性抓取構件因其軟體氣動等作業特點，對降低采收抓取損傷具有顯著優勢，近年相關研究多針對番茄等果菜[22-25]，適用于水培生菜等散葉蔬菜的柔性采收裝備設計及參數優化，尚未見報道。

本文面向植物工廠水培生菜高質量采收需求，設計一款低損柔性采收裝置并開發樣機，利用響應曲面試驗優化水培生菜抓取高度比、抓取圓周比、柔性手指彎曲角3個關鍵作業參數，以降低生菜損傷并提升采收成功率。

1 整機結構與工作原理

1.1 農藝特征分析

圖1為植物工廠水培生菜農藝特征，生菜種植于定植板，常用行距、株距分別為200、180 mm。生菜底部菜葉貼于定植板、相鄰生菜間的菜葉存在重疊，從生菜底部或側面聚攏菜葉，采收作業空間不足且易損傷菜葉。因此，本文提出一種從頂部柔性抓取生菜的低損采收新方法。

圖1 水培生菜農藝特征Fig.1 Agricultural technology of hydroponic lettuce

1.2 整機結構

結合水培生菜農藝特征，設計了一款單株水培生菜柔性采收裝置(圖2)，其主要由柔性抓取機構、切莖機構(切割器、切割器伸縮氣缸等)、機械臂、定植板輸送機構、圖像采集相機、控制系統等組成。水培生菜運送至圖像采集位置后，光電傳感器觸發拍照，經圖像處理獲取生菜株高和菜葉展開尺寸；隨后生菜運送至待采收位置，柔性抓取機構根據生菜株高和菜葉展開尺寸，自動調節柔性手指抓取高度和抓取直徑，并從生菜頂部抓取菜葉；為避免切割器直接伸出造成菜葉切傷，生菜莖切割流程設置為“生菜提升—切割器伸出—生菜下降—切莖”；切莖后生菜被橫向輸送至收集區，完成采收。

圖2 水培生菜柔性采收裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of hydroponic lettuce flexible harvester1.柔性抓取機構 2.切割器 3.切割器伸縮氣缸 4.定植板輸送機構 5.機架 6.圖像采集相機 7.收集傳送帶 8.光電傳感器 9、10.二自由度機械臂

1.3 工作原理

通過4根柔性手指對頂部菜葉的低損抓取、切割器對生菜莖的一次性切除，實現水培生菜低損柔性采收(圖3)。為提升生菜抓取穩定性和成功率，柔性手指先以負壓狀態接近生菜頂部(圖3a)，再以正壓狀態抓取并提升生菜；隨后，切割器從生菜側面切除生菜莖(圖3b)。

圖3 水培生菜柔性采收裝置作業原理圖Fig.3 Principle diagrams for hydroponic lettuce flexible harvester

2 關鍵部件設計

2.1 柔性抓取機構

柔性抓取機構(圖4a)是水培生菜采收裝置核心部件，主要由柔性手指、連接板、絲杠-滑塊、連桿、直線導軌、直線滑塊等組成；柔性手指安裝在直線滑塊上，由步進電機驅動絲杠，自動調節柔性手指抓取直徑。柔性手指軟體部分為橡膠材質，其彎曲方向由氣壓形式(正壓或負壓)決定，氣壓影響柔性手指端部豎直位移、水平位移、彎曲角等參數(圖4b，點M為柔性手指起始點，點N為柔性手指端點，點O為弧MN在點M、N切線的交點，hz為正壓下柔性手指端點豎直位移，lz為正壓下柔性手指端點水平位移，hf為負壓下柔性手指端點豎直位移，lf為負壓下柔性手指端點水平位移，θi為柔性手指彎曲角)。通過預試驗，柔性手指長、寬、厚分別為140、25、30 mm。

圖4 柔性抓取機構結構及柔性手指參數示意圖Fig.4 Flexible grabbing device structure and flexible finger parameters1.連接板 2.步進電機 3.絲杠-滑塊 4.連桿 5.柔性手指 6.直線導軌 7.直線滑塊

圖5 正負氣壓對柔性手指參數的影響Fig.5 Influence of positive and negative pressures on flexible finger parameters

圖5為正負氣壓對柔性手指參數的影響，柔性手指參數(圖4b)通過在方格紙上描繪手指的彎曲曲線進行測量(圖5a)，柔性手指參數隨氣壓變化曲線如圖5b所示。經預試驗確定：抓取過程中，柔性手指負壓狀態下的彎曲角為26.5°，柔性手指正壓抓取狀態下的彎曲角范圍為22.6°～48.0°。后續采收響應曲面試驗中，正壓狀態下柔性手指彎曲角通過氣壓進行調節，柔性手指參數與氣壓擬合方程如表1所示。

表1 柔性手指參數與氣壓擬合方程Tab.1 Fitting functions between flexible finger parameters and air pressure

2.2 切莖機構

切莖機構需精準切除生菜莖(莖長8～16 mm)，作業流程如圖6a所示，為避免切割器切傷生菜底部菜葉，切割器伸出前，先將生菜提升180 mm。切割器由氣缸驅動，其作業原理如圖6b所示，活塞桿拉力F1主要由氣缸輸入氣壓決定，計算方程為

(1)

式中p——氣缸輸入氣壓，MPa

D——氣缸直徑，取25 mm

d——活塞桿直徑，取10 mm

圖6 切莖流程及切割器作業原理圖Fig.6 Stem-cutting workflow and cutter working principle

輸入氣壓后，氣缸活塞桿帶動刀片連桿運動，進而完成切莖，剪切力計算方程為

(2)

式中F2——剪切力，N

l1——動力臂長度，取38 mm

l2——阻力臂長度，取58 mm

α1——活塞桿與連桿夾角，(°)

α2——刀片與連桿夾角，(°)

生菜莖所需剪切力約40 N[26]，在氣缸輸入氣壓為0.4 MPa時，活塞桿拉力F1約294 N，剪切力F2約182 N，滿足生菜根莖剪切力要求，預試驗中切割器均能切除生菜莖。

2.3 二自由度機械臂

圖7為采收裝置二自由度機械臂結構示意圖。絲杠由伺服電機驅動，橫向機械臂行程1 700 mm，豎直機械臂行程1 200 mm。

圖7 二自由度機械臂結構示意圖Fig.7 Structure diagram of two-degree mechanical arm1.橫向伺服電機 2.豎直伺服電機 3.限位傳感器

2.4 控制系統

控制系統由上位機和下位機組成(圖8)，上位機獲取生菜株高及菜葉展開尺寸后，進而下位機控制生菜抓取、切莖等作業。

圖8 控制系統構成框圖Fig.8 Diagram of control system structure

圖9 圖像處理過程Fig.9 Image processing process

上位機主要對生菜圖像進行采集和處理：光電傳感器觸發采集生菜原始圖像(圖9a)；為降低干擾，經高斯濾波、灰度化和閾值分割等預處理，得到二值化圖像(圖9b)；對二值化圖像進行二次濾波平滑處理，然后進行邊緣檢測、開運算和閉運算，以平滑生菜輪廓(圖9c)；調用Opencv中的boundingRect函數，檢測生菜輪廓外切矩形，并根據像素標定結果計算出生菜株高和菜葉展開尺寸(圖9d)；上述圖像處理時間為2.6 s，測量誤差3.3%。

上位機獲取生菜株高和菜葉展開尺寸后，通過RS232通訊串口將測量結果發送下位機PLC(信捷XD5-32T4-E型)，執行后續采收作業，控制系統電氣原理如圖10所示。

圖10 控制系統電氣原理圖Fig.10 Electrical schematic of control system

3 Box-Behnken試驗

3.1 試驗裝置與材料

為優化采收作業參數，研制水培生菜柔性采收裝置(圖11)。試驗材料選取植物工廠應用最廣的奶油生菜(圖12)，共275株(255株用于響應曲面試驗，20株用于驗證試驗)，生菜株高70～110 mm，菜葉展開尺寸170～220 mm，切莖后生菜質量100～139 g。

圖11 水培生菜柔性采收裝置Fig.11 Flexible harvesting device

圖12 水培奶油生菜Fig.12 Naiyou variety of hydroponic lettuce

3.2 試驗方法

為提升采收裝置作業質量(提升采收成功率、降低菜葉損傷)，采用響應曲面Box-Behnken試驗方法(共17組試驗)對柔性手指作業參數進行試驗優化。

3.2.1試驗因素

為減少生菜尺寸差異對試驗結果的影響，選取柔性手指抓取高度比(抓取高度比為h1/h，h為生菜高度、h1為柔性手指抓取高度，圖13a)、抓取圓周比(抓取圓周比為d2/d1，d1為菜葉展開尺寸、d2為柔性手指抓取直徑，圖13b)及柔性手指彎曲角(圖4b)，共3個試驗因素。

圖13 水培生菜抓取參數示意圖Fig.13 Hydroponic lettuce grabbing parameters

預試驗確定3個試驗因素的水平范圍為：抓取高度比0.45～0.65、抓取圓周比0.65～0.85、柔性手指彎曲角22.6°～48.0°；Box-Behnken試驗因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

根據Box-Behnken試驗的因素水平組合，開展試驗，主要步驟如下：調節采收裝置，保證柔性抓取機構與水培生菜同心同軸。手動調節柔性手指彎曲角，根據表1擬合方程，確定柔性手指端點水平位移lz及柔性手指端點豎直位移hz(圖4b)。計算機通過圖像處理獲取菜葉展開尺寸和株高。調節抓取圓周比：結合菜葉展開尺寸與lz，自動調節柔性手指抓取直徑(柔性手指抓取直徑范圍110～187 mm；柔性手指安裝直徑范圍148～269 mm)，如圖14所示。調節抓取高度比：結合生菜株高與hz，自動調節柔性手指抓取高度。試驗并記錄結果。

圖14 柔性手指抓取直徑調節示意圖Fig.14 Grabbing diameter adjustment for flexible fingers

3.2.2試驗指標

試驗指標為采收成功率Y1和菜葉損傷面積Y2。測試采收成功率時，每組試驗重復100次(每株生菜重復使用10次)；柔性手指將水培生菜穩定抓取至切莖位置，視為采收成功。測試菜葉損傷面積時，每組重復5次(取平均值作為每組試驗的結果)；菜葉損傷面積指切莖后單株生菜上所有菜葉的損傷面積之和，通過對每片菜葉進行品紅染色、人工提取損傷等步驟[20]測量(圖15)。

圖15 菜葉損傷面積測量Fig.15 Measuring for leaves damage area

3.3 試驗結果與分析

3.3.1試驗結果

表3為響應曲面Box-Behnken試驗結果。

利用Design-Expert 8.0.6軟件，獲得采收成功率Y1與各因素編碼值(x1、x2、x3)的二次擬合方程為

(3)

表3 試驗設計與結果Tab.3 Experimental design and results

對采收成功率進行方差分析，如表4所示。模型P值為0.000 2，小于0.05；失擬項P值為0.064 8，大于0.05；表明該模型具有統計學意義。由表4可知，各單因素影響采收成功率的顯著性順序為：柔性手指彎曲角X3、抓取圓周比X2、抓取高度比X1。

利用Design-Expert 8.0.6軟件，獲得菜葉損傷面積Y2與各因素編碼值的二次擬合方程為

(4)

表4 采收成功率方差分析Tab.4 Analysis of variance for harvesting success rate

對菜葉損傷面積進行方差分析，如表5所示。

表5 菜葉損傷面積方差分析Tab.5 Analysis of variance for leaves damage area

模型P值小于0.000 1，小于0.05；失擬項P值為0.214 9，大于0.05；表明該模型具有統計學意義。由表5可知，抓取高度比X1、抓取圓周比X2、柔性手指彎曲角X3的P值均小于0.000 1，說明各單因素對菜葉損傷面積的影響均極顯著。

3.3.2雙因素交互作用響應曲面分析

圖16為雙因素交互作用對采收成功率的影響。如圖16a所示，當柔性手指彎曲角X3一定時，隨著抓取高度比X1的減小，采收成功率增大；隨著抓取圓周比X2的減小，采收成功率增大；在抓取高度比X1小于0.50且抓取圓周比X2小于0.70的區域內，采收成功率均達到100%；當抓取高度比X1和抓取圓周比X2較大時，柔性手指對水培生菜的夾持力分布于生菜上部及外側，生菜不易抓取，造成采收失敗(圖17a)。如圖16b所示，當抓取圓周比X2一定時，隨著抓取高度比X1的減小，采收成功率增大；隨著柔性手指彎曲角X3增大，采收成功率先增大后減小；在抓取高度比X1小于0.50且柔性手指彎曲角X3大于40.0°的區域內，采收成功率均為100%；當抓取圓周比X1較大且柔性手指彎曲角X3較小時，柔性手指對水培生菜的夾持力較小，生菜不易被提起，造成采收失敗(圖17b)。如圖16c所示，當抓取高度比X1一定時，隨著抓取圓周比X2的減小，采收成功率增大；隨著柔性手指彎曲角X3增大，采收成功率先增大后減小；在抓取圓周比X2小于0.70且柔性手指彎曲角X3大于40.0°的區域內，采收成功率均達到100%；當抓取圓周比X2較大且柔性手指彎曲角X3較小時，柔性手指與菜葉間摩擦力較小，生菜提起過程中易脫落，造成采收失敗(圖17c)。

圖16 雙因素交互作用與采收成功率的響應曲面Fig.16 Response surfaces for double factors and harvesting success rate

圖17 采收失敗案例Fig.17 Harvest failure cases

圖18為雙因素交互作用對菜葉損傷面積的影響。如圖18a所示，當柔性手指彎曲角X3一定時，隨著抓取圓周比X2的增大，菜葉損傷面積減小；隨著抓取高度比X1的增大，菜葉損傷面積減小。如圖18b所示，當抓取圓周比X2一定時，隨著抓取高度比X1的增大，菜葉損傷面積減小；隨著柔性手指彎曲角X3的減小，菜葉損傷面積減小。如圖18c所示，當抓取高度比X1一定時，隨著抓取圓周比X2的增大，菜葉損傷面積減小；隨著柔性手指彎曲角X3的減小，菜葉損傷面積減小。

3.3.3最優參數組合求解

為提高采收成功率、降低菜葉損傷面積，利用Design-Expert軟件求解最優參數組合；經預試驗分析，將最優參數組合軟件求解過程中，采收成功率權值設置為0.6、菜葉損傷面積權值設置為0.4，目標函數和邊界約束函數為

(5)

圖18 雙因素交互作用與菜葉損傷面積的響應曲面Fig.18 Response surfaces for double factors and leaves damage area

利用Design-Expert軟件求解為得到采收裝置最優參組合：抓取高度比X1為 0.55、抓取圓周比X2為0.76、柔性手指彎曲角X3為39.7°，此時采收成功率Y1為94.9%，菜葉損傷面積為194 mm2。

4 驗證試驗

為驗證Design-Expert軟件求解得到的最優參數組合，開展驗證試驗。驗證采收成功率時，試驗重復100次；驗證菜葉損傷面積時，試驗重復10次。水培生菜主要采收作業過程如圖19所示(Miro LC111型高速攝影機拍攝，拍攝頻率400 f/s)；采收效果如圖20所示，生菜完整未切散、生菜莖切口平齊、菜葉無明顯損傷。

驗證試驗結果表明，最優參數組合下，采收成功率為96%(與軟件求解相差1.15%)，標準差7%，變異系數20.14%；菜葉損傷面積為186 mm2(與軟件求解相差4.30%；相較文獻[20]中剛性低損采收的菜葉損傷面積432 mm2，減小56.94%)，標準差24 mm2，變異系數23.31%；優化效果明顯。

圖19 水培生菜主要采收過程Fig.19 Harvesting process of hydroponic lettuce

圖20 采收效果Fig.20 Harvesting effect

5 結論

(1)設計了一款水培生菜柔性采收裝置并研制了樣機，通過柔性手指對菜葉的低損抓取、切割器對生菜莖的一次性切除，完成水培生菜低損采收。

(2)響應曲面試驗表明，各單因素影響采收成功率的顯著性順序為柔性手指彎曲角、抓取圓周比、抓取高度比，各單因素對菜葉損傷面積的影響均極顯著。

(3)采收裝置最優參數組合為抓取高度比0.55、抓取圓周比0.76、柔性手指彎曲角39.7°；驗證試驗表明，最優參數組合下，采收成功率為96%，菜葉損傷面積為186 mm2，實現了水培生菜低損柔性采收。