雙孢菇采摘動力學研究及其采摘機械手設計

黃銘森 楊瀟 張成龍 李洪昌 吳海東 王峰

摘要：為確定一種適用于雙孢菇采摘機器人的采摘方法，基于力傳感器及慣性測量單元對不同采摘方法下的雙孢菇采摘力動力學開展研究。試驗的采摘方法包括人工采摘以及三種簡化采摘方法（包括折彎、扭轉及提拉法）。結果表明，在人工采摘過程中，雙孢菇圍繞其X、Y、Z軸均發生較大角度變化，設計一種相近于人手靈活度的采摘機械手較為困難；對于三種簡化采摘方法，折彎法相較扭轉、提拉法更為簡單有效，且所需采摘力最小3.1N±2.1N，其到達菌柄斷裂的臨界采摘時間、采摘角度分別為0.9s±0.4s、12.2°±6.8°。以期為雙孢菇采摘機器人設計提供參考。

關鍵詞：雙孢菇；采摘；動力學；采摘機械手；折彎

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12006606

Study on harvesting dynamics of button mushroom and design of picking end-effector

Huang Mingsen， Yang Xiao， Zhang Chenglong， Li Hongchang， Wu Haidong， Wang Feng

（Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology， Changzhou， 213164， China）

Abstract：

In order to determine a harvesting method applicable to a button mushroom picking robot， the picking dynamics of different picking methods were investigated based on force sensors and an inertial measurement unit. The experimental picking methods included manual picking and three simplified picking methods （including bending， twisting and lifting）. The results showed that during manual picking， the angle of the mushrooms changed significantly around its X， Y and Z axes， and it was difficult to design a picking end-effector with similar flexibility to human hands. For the three simplified picking methods， the bending method was simpler and more effective than the twisting and pulling methods， and required the least picking force 3.1N±2.1N， and the threshhold picking time and angle to reach the stalk breakage were 0.9s±0.4s and 12.2°±6.8°， respectively. Based on the bending method， this paper proposed a solution of a picking end-effector to provide a reference for the design of the button mushroom picking robot.

Keywords：

button mushroom; picking; dynamics; picking end-effector; bending

0 引言

雙孢菇（又名白蘑菇、蘑菇、口蘑、洋蘑菇等）是目前世界上栽培最廣、消費量最大的一種食用菌［1］，具有很好的經濟價值和社會效益［23］。自20世紀90年代起，通過引進、吸收國外先進設備及技術工藝，我國雙孢菇企業逐漸轉向規模化、工廠化、智能化生產［45］。在新型生產模式下，雙孢菇工廠中的大部分工序已實現自動化生產［67］。在雙孢菇的收獲環節中，面向罐頭加工市場的雙孢菇已實現高效的機械化收割，然而供應鮮菇市場的雙孢菇采摘仍主要依靠人工完成［89］。傳統人工采摘方式勞動強度高、作業效率低［1］，伴隨著近年來人力資源短缺及人力成本上升等問題，該方式已無法適應現代雙孢菇生產需求［10］。結合當前社會現狀及雙孢菇產業發展情況，雙孢菇采摘機器人的研發及應用已成為該產業的迫切需求［7］。

雙孢菇采摘動力學研究對雙孢菇采摘機器人，尤其是采摘機械手（末端執行器）的研發具有重要意義。近年，研究人員已對多種作物、果實開展了動力學研究。Castillo-Ruiz等［11］研究了在不同扭轉角度下采用提拉法與扭轉法的橄欖采摘力。Li等［12］采用力傳感器及慣性測量單元對4種蘋果采摘方法的采摘力進行對比研究，并分析了相應的采摘損傷。Davidson等［13］基于力傳感手套研究了人工采摘蘋果的采摘過程，并確定了不同蘋果品種的最佳采摘方法。上述研究表明，采摘力與采摘方法等因素對實現作物的采摘具有重要影響，然而在這一方面尚未有關雙孢菇的相關研究報道。因此，本文就雙孢菇采摘動力學開展研究，探尋一種適用于采摘機器人的采摘方法，以期為雙孢菇采摘機器人設計提供依據及參考。

1 材料與方法

1.1 采摘方法

本文研究的雙孢菇采摘方法共有4種，分別為人工采摘（采摘工人使用采摘方法）、折彎、扭轉及提拉法。后三種采摘方法是根據人工采摘過程提煉出的簡化動作，本文通過對比這4種采摘方法，最終確定一種簡單、有效的采摘方法并應用于今后雙孢菇采摘機器人的設計與開發。

4種采摘方法操作方法如下：（1）人工采摘法：該方法是一種較為復雜的動作，首先使用大拇指、食指與中指固定雙孢菇菌蓋，然后，圍繞雙孢菇根部輕微扭轉，并快速向側邊及上方提拉，在人工采摘過程應盡量避免損傷鄰域蘑菇或帶出鄰域小菇；（2）折彎法：在蘑菇菌蓋側邊使用食指施力，使蘑菇繞其根部折彎，如圖1（a）所示；（3）扭轉法：在蘑菇菌蓋側邊使用大拇指與食指捏住并扭轉蘑菇，如圖1（b）所示；（4）提拉法：在蘑菇菌蓋側邊使用大拇指與食指扭住并向上提拉蘑菇，如圖1（c）所示。

1.2 采摘動力學參數獲取方法

1.2.1 傳感系統搭建

為測量蘑菇采摘過程中各手指對蘑菇菌蓋的施加力，分別在大拇指、食指、中指粘貼薄片式力傳感器，該傳感器最大量程為20N，測量標定誤差小于0.1N。除提拉法采摘不涉及角度變化外，其余采摘法的采摘過程均涉及蘑菇自身的角度變化，為測量這一參數，采用WT61P高精度六軸慣性測量單元進行測試，測量標定誤差小于0.05°。使用時，將該傳感器安裝于一個底部配有固定針的底座內，固定針插入蘑菇菌蓋上表面。

1.2.2 數據獲取方法

傳感系統數據采集流程如圖2所示。在采摘過程中，粘貼在大拇指、食指和中指末端的力傳感器將受力轉化為模擬信號，通過InterfaceKit（型號1018_2B）模塊經由串口輸入計算機并儲存，所獲取的數據可通過式（1）計算施加力［14］。慣性測量單元WT61P通過其內部的陀螺儀、加速度計測量蘑菇在采摘過程中圍繞三軸的角度變化，所采集信號通過USB-TTL轉換器輸入電腦，并經由該硬件開發商提供的MiniIMU軟件進行角度實時顯示及數據記錄。所獲取的施加力及角度信息經整合后存儲在計算機中，待進一步數據分析。

F=15.311e5.199×Voltage Ratio·g（1）

式中：

F——施加力，N；

Voltage Ratio——電壓比；

g——重力加速度，m/s2。

1.3 試驗材料

本文試驗中使用的雙孢菇種植于江蘇泰州。采摘者使用上述4種采摘方法進行手動采摘試驗，采摘蘑菇時選擇成熟、大小相近，且多為單個生長或鄰域無干擾的蘑菇，采摘時采摘者手指末端粘貼上述薄片式力傳感器，采摘前在被采摘蘑菇菌蓋上安裝慣性測量單元。各采摘方法試驗次數，及被采摘蘑菇重量、菌蓋直徑、總高等信息如表1所示，圖3為測量參數示意圖。

2 結果與分析

2.1 動力學測試結果對比

4種采摘方法的采摘峰值力、角度峰值、采摘時間的試驗結果，如表2所示。使用人工采摘方法時，采摘者食指對菌蓋所施加的力為4.4N±2.3N，較大拇指（2.6N±1.5N）及中指（2.7N±2.0N）施加力大，在扭轉和提拉法中，這一差異更為明顯，扭轉法為1.8N±1.5N（F0）及7.3N±2.8 N（F1），提拉法為1.3N±1.2 N（F0）及6.6N±3.4 N（F1）。與上述采摘方法相比，折彎法食指施加力最小，僅為3.1±2.1N，該方法有利于減少在采摘過程對菌體造成的損傷。在角度變化方面，人工采摘使蘑菇圍繞其自身X、Y、Z軸的角度變化較為接近，分別為37.2°±31.2°、34.9°±24.2°和33.2°±31.6°，而折彎及扭轉法分別為28.3°±11.7°（Y軸）、86.6°±19.4°（Z軸）。就采摘時間而言，折彎法僅耗時1.6s±0.7s，少于其他三種采摘方法，后者采摘時間除人工采摘法（2.8s±1.1s）外均大于等于3s。

2.2 各采摘方法動力學分析

2.2.1 人工采摘法

人工采摘過程中施加力、角度變化如圖4所示。

圖4（a）為人工采摘過程中施加力變化，當采摘者三根手指開始抓緊蘑菇菌蓋，其施加力在0～0.7s這一時間段緩慢增加，隨著采摘動作的繼續，這些力快速上升并在1.1～1.4s這一范圍達到峰值，大拇指施加力峰值約為食指及中指施加力的2倍。此時，菌柄與其根部斷裂，采摘者感知斷裂發生后，將手指從菌蓋上松開，三根手指的施加力迅速將至0。圖4（b）為同一蘑菇采摘過程中繞三軸角度變化示例，該蘑菇在1.8～2.3s之間達到各軸的峰值角度，在這一區間菌柄已與其根部分離。根據所采集的數據，不同蘑菇的采摘力、采摘角度均有不同，這不僅是由各個蘑菇不同的生長條件造成，也存在采摘者根據現場條件、自身判斷調整采摘力、采摘角度的原因。上述分析表明，人工采摘蘑菇是一種復雜且基于人類感知判斷的過程，設計一種與人類手部具有等同靈活性的采摘終端難度較大。

2.2.2 折彎法

折彎采摘過程中食指施加力與蘑菇角度變化，如圖5所示。采摘開始后施加力與角度持續上升，直至菌柄與根部斷裂臨界值（1.4s處），此時，施加力與角度分別為2.5N、6.1°。之后，隨著菌柄的斷裂，角度變化急劇上升至約23.0°，略微下降后穩定在20°左右，而施加力則快速下降至約0.2N，并隨著手指離開菌蓋降至0。根據所采集數據，采用折彎法的總用時及角度變化分別為1.6s±0.7s和28.3°±11.7°，而其到達菌柄斷裂的臨界采摘時間和角度僅為0.9s±0.4s、12.2°±6.8°。基于這一特點，采用該采摘法的采摘機器人可通過合理配置折彎角度有效減少采摘時間。在所有采摘方法中，折彎僅需一個手指施力，且所需施加力最小，這一特點有利于實現執行終端的低功耗及小型化。因此，折彎法是一種可應適用于機器人采摘的簡單有效的方法。

2.2.3 扭轉法

扭轉法采摘過程中大拇指、食指施加力以及蘑菇繞其Z軸的角度變化，如圖6所示。在0～0.7s，大拇指、食指開始捏住蘑菇菌蓋，其施加力分別上升至6.1N、2.0N，隨后這些力在0.7～3.7s間呈波動狀（均出現三次波峰），其中食指施加力波動更為劇烈，在菌柄與根部斷裂后，施加力隨蘑菇被松開下降至0。繞Z軸的旋轉角度的波動與施加力相對應，但在施加力第三次波峰出現后開始迅速降低至-100.1°。在上述現象中，食指施加力遠大于大拇指的原因是出現的原因是采摘者傾向于使用大拇指穩定蘑菇菌體，而使用食指施加更大的力以實現菌體扭轉，這極易造成脆弱的蘑菇菌蓋側面發生凹陷損傷；在采摘過程中出現施加力與角度波動的原因是蘑菇菌蓋表面較為濕滑，手指在菌蓋表面滑移從而導致采摘多次失敗。

根據表2所示，所有使用扭轉采摘的旋轉角度為86.6°±19.4°，所需采摘時間為3.1s±1.4s。另外，若將該方法應用于機器人采摘，需滿足目標蘑菇周圍具有足夠的空間的前提，否則在蘑菇叢生的條件下，使用扭轉法容易打翻或損傷鄰域蘑菇。

2.2.4 提拉法

提拉采摘蘑菇過程中大拇指、食指的施加力變化，如圖7所示。從0～0.6s，大拇指與食指開始抓緊蘑菇菌蓋，其施加力快速增加，在隨后的1s中這些力保持在一個相對穩定的水平直至蘑菇菌柄斷裂。根據表2所示，在提拉采摘過程中，食指平均施加力（6.6N±3.4N）比大拇指施加力（1.3N±1.2N）大，其原因與扭轉法類似，其食指連續且較大的施加力也極易對菌蓋側邊造成損傷。提拉是一種豎直方向的動作，對采摘空間需求小，也是一種較為簡便的采摘方式，但是使用該法采摘的過程中發現，這一方法中會偶爾將相鄰蘑菇一并采下或僅采下蘑菇菌蓋的情況發生。

3 采摘機械手設計

3.1 基于折彎法的采摘原理

根據第2章節的試驗結果分析，相較于其他采摘方法，折彎法是一種易于實現且簡單有效的采摘方法，可應用于雙孢菇采摘機器人。為此，本文提出一種基于折彎法的采摘機械手設計方案，以期為將來采摘機器人設計提供參考。

本文中試驗所采用的折彎法是使用一根手指在菌蓋側邊施力，使蘑菇繞其根部折彎，其原理是需要一個圍繞蘑菇根部的力矩，使蘑菇發生折彎。考慮到蘑菇密集生長的條件，在菌蓋側邊施力較為困難，本文提供的方案（圖8）采用在蘑菇菌蓋表面產生的摩擦力替代菌蓋側邊的施加力，而在菌蓋表面產生摩擦力較為簡便的方法是使用真空吸盤產生的負壓并使蘑菇圍繞其根部發生折彎。

3.2 機械手結構及工作原理

基于上述原理進行采摘機械手設計，其結構如圖9所示，吸盤連接在真空發生器下端，真空發生器固定連接在L型連接板下端，拉壓傳感器下端與L型連接板上端連接，其上端與弧形導軌（弧形軌道圓心位于蘑菇根部）下端連接。弧形導軌背面設有內齒輪條，可與外齒輪嚙合，外齒輪由電機驅動進而實現圍繞蘑菇根部旋轉的折彎動作。整個采摘機械手可以安裝在機械臂或移動平臺上進行移動。

上述機械手具體工作流程如下：（1）通過移動平臺將機械手移動至待采蘑菇上方；

（2）通過移動平臺將機械手旋轉至適宜的折彎角度（折彎方向上無干涉）；

（3）通過移動平臺將機械手豎直向下移動，當所述拉壓傳感器接觸到所述待采蘑菇時，觸發負壓發生器，吸盤將待采蘑菇吸住；

（4）啟動驅動步進電機，使蘑菇繞其根部折彎；

（5）通過移動平臺將機械手向上提升，同時反轉驅動步進電機使所述弧形軌道回到初始位置；

（6）通過移動平臺將將機械手及蘑菇移動至蘑菇收集箱，關閉所述負壓發生器，蘑菇在重力作用下掉落。

現有雙孢菇采摘機械手一般采用吸盤進行提拉［15］或SRT柔性抓夾進行采摘［16］，但是對于高密度的蘑菇，SRT抓夾無法探入蘑菇叢中抓取菌蓋，因此無法順利進行采摘。本文所提出的設計可以借助移動平臺或機械手事先將機械手旋轉至適宜的折彎角度，再配合從蘑菇叢外圍開始采摘的方法，可以有效實現蘑菇叢生、高密度蘑菇的采摘。

采摘機械手僅是雙孢菇采摘機器人的關鍵部件之一，其還應包括蘑菇切根裝置、蘑菇視覺識別模塊［1720］等，本課題組將會在今后的研究中對包括本文提出的采摘機械手進行驗證，以及蘑菇切根裝置、蘑菇視覺識別模塊等進行研究與開發。

4 結論

本文測試了4種蘑菇采摘方法（人工采摘、折彎、扭轉、提拉法），試驗數據包括采摘過程中各手指施加力及蘑菇圍繞自身的旋轉角度。

最后基于折彎法提出了一種采摘機械手設計方案。

1） 在測試的4種采摘方法中，人工采摘方法最為復雜，扭轉與提拉法相較其他兩種采摘方法所需采摘力更大。

2） 折彎法是一種簡單有效的采摘方法，所需的采摘時間、角度和峰值力分別為1.6s±0.7s、28.3°±11.7°和3.1N±2.1N，其到達菌柄斷裂的臨界采摘時間、角度分別為0.9s±0.4s、12.2°±6.8°。

3） 扭轉和提拉法容易對蘑菇造成損傷，且兩種方法要求目標蘑菇周圍具備足夠采摘空間。折彎法適用蘑菇折彎方向上有足夠空間的情況。

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