面向番茄自動整枝的莖稈夾持力學特性測量與分析

王博文,張萬豪,馮青春

(1.新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.北京市農林科學院 智能裝備技術研究中心,北京 100097;3.國家農業智能裝備工程技術研究中心,北京 100097;4.農業智能裝備技術北京市重點實驗室,北京 100097)

0 引言

番茄是我國重要的蔬菜種植作物之一,因其果實風味獨特、營養均衡而成為民眾餐桌上常見的果蔬品類。番茄的食用方法多樣,不僅可以鮮果生食,還可以經過加工烹飪后制成各種美食,其相關制品在我國的消費量巨大,深受我國民眾的喜愛[1-3]。番茄具有較強的枝芽萌發能力,如不進行疏葉處理任由側枝自由生長,不僅會額外消耗大量養分影響植株正常坐果,且繁密的枝葉遮擋陽光,對植株的透氣性和接受光照造成影響,不利于果實的正常著色,影響番茄的商品性能,并導致植株的坐果率降低[4-6]。因此,在溫室番茄種植過程中,通過整枝管理及時去除成熟變色果實附近的葉片和側枝,可使整枝后具有更強的結果能力,植株更加健壯,負載能力及抵抗不利環境的能力顯著提升。

當前,番茄整枝打葉主要依靠人工手持切刀或者徒手折擰的方式實現側枝與主莖的分離,其整枝效果受主觀影響較大且費力耗時,是溫室番茄生產過程操作最復雜、投入人力最多的管理環節之一[7-8]。因此,研發便捷易用的智能化番茄整枝手爪是緩解人工作業勞動強度、降低果蔬生產成本及提高果蔬種植經濟效益的有效途徑。由于番茄植株嬌嫩易損,為了確保在不損壞整個植株的前提下對側枝進行安全摘除,還需要了解莖稈的多項力學特性,包括莖稈離層斷裂與夾持壓潰時的臨界力約束。目前,針對植株組織力學特性測量,大多圍繞果實、缽苗等目標,對于果蔬植株莖稈力學特性研究還未見報道[9-13]。

通過開展番茄莖稈力學特性的研究,對番茄整枝手爪末端的結構設計與材料的選取具有重要意義。為此,通過對番茄莖稈開展力學試驗,獲得了莖稈擠壓、剪切及離層斷裂等力學特性,測算了莖稈與典型工程材料間的最大靜摩擦因數,確立了番茄整枝操作臨界力學條件及整枝夾持機構柔性末端的最優夾持力學特性,旨在為設計一種自動化番茄整枝執行機構提供重要的理論依據。

1 番茄整枝原理與操作對象

1.1 溫室番茄整枝操作原理

番茄作為喜溫喜水性蔬菜品類,其最佳發育結果溫度為15～29℃、環境濕度為45%～50%。傳統露天種植番茄產量受環境和季節變化影響較大,遠不能滿足市場需求。近些年,隨著設施農業技術的發展,番茄棚室種植(見圖1)面積逐漸擴大,目前已成為設施栽培的主要蔬菜之一[14-16]。由于棚室內番茄種植通風條件差、光照弱且環境濕度大,因此需要控制番茄徒長并預防病害蔓延,根據番茄的這種生長特點,合理的溫室番茄整枝管理是一項必不可少的環節。

圖1 番茄棚室種植Fig.1 Tomato greenhouse planting

圖2 MTS E43電子萬能試驗機Fig.2 MTS E43 Electronic universal testing machine

由于番茄側枝與主莖結合處的韌皮部相連緊密,整枝時應當從葉柄末端對番茄目標側枝進行去除,可以有效降低番茄整枝對植株造成的損害[17]。在目前番茄生產中多采用單干整枝法,該方法普遍適用于密植栽培的環境中,對每株番茄只保留1根主莖,而將所有側枝全都陸續摘除,主莖保留有一定的果穗數摘心。番茄定植并在高度發育至40cm左右開始有倒伏現象,此時開始吊蔓并進行第1次抹杈;由于第1花穗下的第1側枝生長速度快,若不及時抹除會消耗較多養分進而影響主莖和果實的生長發育,故本次抹杈首先以去除該側枝為主,且由于抹杈過早會影響植株根系組織的正常發育并引發早衰,因此抹杈不易過早進行[18-20]。當側枝生長至10cm左右達兩葉一心時,對周圍葉片和花果出現遮擋時抹除最為適宜。隨著番茄植株的發育,在第1穗果迅速膨大進入結果期后,為促進果實發育,需陸續抹除剩余所有側枝[21-22]。

通過對溫室密植番茄進行修剪,不但能節省種植空間,減小植株養分的消耗,還能加快番茄果實的成熟,是促進花和果實發育、提高坐果率、加強番茄果品質量、提高番茄種植產量和經濟效益的關鍵措施。

1.2 番茄植株外觀形態特征測量

本文研究對象選取自荷蘭引進的“佳麗14”番茄植株,因其種植適應性良好,果實外觀品質與食用口感俱佳,在我國北方地區被廣泛引進種植。經觀測,“佳麗14”番茄植株呈半蔓生或半直立狀,主莖沿預先搭好的支架生長,植株高度為1.7～2.1m;植株主莖分生出的側枝節間距離較短,數量較多,約為10～16枝;種植間距約為0.6m,側枝與主莖間的銳角夾角在60°～85°之間,主莖直徑隨高度提升先增大再減少。在番茄溫室大棚中隨機選取12株“佳麗14”番茄植株,利用游標卡尺及精度為1mm的直尺測量植株0～0.5m、0.5～1.0m和1.0～1.5m等3種不同高度處番茄植株主莖與相鄰側枝的形態特征參數,結果如表1所示。

表1 番茄植株形態特征參數Table1 Morphological characteristic parameters of tomato plant

2 莖稈關鍵力學特性測量

2.1 試驗儀器

MTS E43型電子萬能試驗機適用于測量各種非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲及剪切等相關力學試驗,如圖1所示。試驗機選配100N(±0.30%)和10kN(±0.20%)兩種量程傳感器,并可以在5～300N的范圍內實現力控試驗,滿足對植物根莖不同部位的力學測量試驗要求。MTS E43型電子萬能試驗機通過與PC機實現實時通訊,使用最高1000Hz的數據采樣頻率、豐富的試驗方法標準庫,通過控制TestSuite TW軟件即可實現對實驗數據實時設定及測試結果的精確檢測。試驗機特制固定夾具的安裝采用裝拆方便的模塊化結構,根據不同測試對象的特點,選取恰當的夾具安裝在萬能試驗機的標準接口上,即可滿足對不同試驗研究對象的測量需要。

2.2 表面摩擦特性的測量與分析

靜摩擦力是指相互接觸的兩個物體保持相對靜止但接觸面間具有相對運動趨勢時,起到阻礙兩物體相對滑動的力。靜摩擦因數是最大靜摩擦力與正壓力的比值,與接觸物體間的粗糙程度、施加在接觸面上的正壓力有關,與接觸面積無關[23]。因此,通過對番茄莖稈施加不同的靜態載荷,測量其受到不同材料夾持時產生的最大靜摩擦力,并利用最小二乘法優化求解番茄莖稈與4種常見工程材料間的最大靜摩擦因數。

測量番茄莖稈與不同材料間的靜摩擦因數對面向番茄自動整枝手爪末端材料的選取、明確番茄側枝在整枝手爪夾持時產生的拉力能否實現離層斷裂的力學特性具有重要意義。本次測試分別選取不銹鋼金屬板(Ra0.8)、聚氯乙烯(PVC)板、硬質橡膠和硅膠4種典型工程材料作為對比來測量其與番茄莖稈間的靜摩擦因數,測量方法如圖3所示。

將兩組待測材料分別置于電子萬能試驗機壓頭和工作臺上,并將待測莖稈置于試驗材料之間,設定電子萬能試驗機壓頭對待測番茄莖稈分別加載5～30N的6組逐次增大的靜態載荷,使用拉力儀通過扎帶與莖稈相連接并向外勻速直線拉動,直至番茄莖稈發生勻速運動,同時讀取拉力儀數據,即可得出番茄莖稈與對比材料間的靜摩擦力。分別對每組靜態載荷隨機選取5個樣本,計算選取樣本靜摩擦力的平均值作為番茄莖稈與對比材料間的最大靜摩擦力。其中,番茄莖稈與對比材料間的最大摩擦力Ff滿足

Ff=2fμ·FN

(1)

式中Ff—最大靜摩擦力(N);

FN—正向壓力(N);

fμ—最大靜摩擦因數。

根據最小二乘法原理[24-25],通過最小化試驗實測摩擦力與理論摩擦力間誤差的平方和最小來求出未知數據,并結合式(1)中Ff的值,即取擬合函數為

(2)

式中Ffi—理論最大摩擦力(N);

FNi—莖稈受到的正向壓力(N);

fμ—最大靜摩擦因數。

為了損失函數的最小化,需要對擬合函數s求導,并令導數值等于0,即此時誤差最小,經化簡得

(3)

式中Ffi—理論最大摩擦力(F);

FNi—莖稈受到的正向壓力(N);

fμ—最大靜摩擦因數。

在受到不同靜態載荷的情況下,測算出每組番茄莖稈與4種典型材料間的最大靜摩擦力(見表2),并通過最小二乘法最小化誤差的平方和分別計算得出番茄莖稈與不同材料間的最大靜摩擦因數。

試驗結果表明:在受到相同靜態載荷時,番茄莖稈與硬質橡膠間的最大靜摩擦力最大,與不銹鋼金屬板(Ra0.8)間的最大靜摩擦力最小,番茄莖稈與不銹鋼金屬板、PVC、硬質橡膠和硅膠間的最大靜摩擦因數分別為0.23、0.28、0.38、0.36。

2.3 擠壓特性的測量與分析

準確獲取番茄莖稈擠壓破損力學特性參數是面向番茄自動整枝手爪無損夾持末端設計的前提。在番茄進入結果期后,為促進果實發育需要陸續抹除其它所有側枝,需要探究擠壓破損力學特性與番茄莖稈直徑、成熟度間的關系,對進入結果期不同天數和直徑的番茄側枝進行擠壓試驗。

番茄從第1穗果迅速膨大進入結果期到果實成熟收獲需要約40～50天[26],故分別選用進入結果期后1～40天不等的番茄側枝按成熟度的不同平均分成4組,并對每組側枝按直徑不同分別選取5次數據的平均值作為試驗最終結果。采取如圖4所示的試驗裝置來測量莖稈發生擠壓坍塌的極限值。

將待測莖稈置于電子萬能試驗機壓頭與工作臺之間,啟動電子萬能實驗機使壓頭以2mm/s的速度勻速下壓直至將待測莖稈壓潰,記錄莖稈壓潰時所能承受的最大壓力,即為番茄側枝擠壓破損的極限值,結果如表3所示。

表3 莖稈擠壓破損力測量結果Table 3 Measurement results of stem extrusion damage force

由表3可知:番茄進入結果期后,隨著側枝木質化程度提升,擠壓破損力從第1天到第40天提升約1.3倍,且從第21天到40天的變化最顯著。由此可見,番茄莖稈發生壓潰時受自身成熟度影響顯著,莖稈木質化程度越高受到擠壓發生壓潰所能承受的壓力越大;而擠壓破損力隨莖稈直徑增大所受影響不顯著,但總體趨勢呈緩慢上升。

2.4 側枝離層斷裂特性的測量與分析

明確番茄側枝離層斷裂特性參數是面向番茄自動整枝手爪能否有效摘除目標側枝的關鍵。因此,通過如圖5所示的試驗方法,分別測量番茄側枝離層斷裂力學特性參數,通過固定番茄主莖,使用電子萬能試驗機上夾具夾持側枝以2mm/s的速度勻速向上提升直至將側枝從主莖完全分離,分別測定在外力作用下番茄側枝離層斷裂的力學特性與側枝直徑和成熟度間的關系。

1.固定底座 2.電子萬能試驗機工作臺 3.下固定夾 4.番茄莖稈 5.上固定夾圖5 莖稈離層斷裂測量試驗Fig.5 Stem a bscission layer cracking force measurement

分別選用結果期后1～40天不等的番茄側枝按成熟度的不同平均分成4組,根據側枝直徑的不同分別進行試驗,選取5次試驗結果的平均值作為測量結果,如表4所示。

表4 莖稈離層斷裂力測量結果Table 4 Measurement results of stem delamination breaking force

由表4可知:隨著番茄植株木質化程度的提升,莖稈離層斷力顯著增大,且從結果期21天至40天離層斷力的提升最為顯著;另外,莖稈拉伸斷裂力會受直徑影響,莖稈直徑越大,側枝離層斷裂力也越大。

2.5 側枝剪切斷裂特性的測量與分析

剪切也是整枝操作的主要方式之一,側枝剪切斷裂特性的測量與分析對明確不同刀刃對番茄側枝的剪切效果具有重要意義。現選用同一階段直徑4～10mm的番茄側枝分別測試不同形狀及開刃方式的刀片對番茄側枝的剪切效果,刀片材質均選用厚度為0.1mm的高速鋼,開刃形狀分別為U型、V型和平口刀刃,開刃類型分別為單側開刃和雙側開刃,如圖6所示。

使用萬能試驗機的固定夾爪分別夾持待測刀刃,試驗機壓頭以2mm/s的速度勻速下降對固定于切臺的番茄側枝進行切割,分別將直徑為6～10mm的番茄側枝樣本的分為3組,每組分別使用單側開刃和雙側開刃兩種刀刃進行切割,測量方法如圖7所示。每次試驗測試5組取其平均值,剪切測量結果均值如表5所示。

表5 莖稈剪切斷裂力測量結果Table 5 Measurement results of stem shear fracture N

1.固定底座 2.電子萬能試驗機工作臺 3.番茄莖稈 4.電子萬能試驗機壓頭 5.固定夾爪 6.待測刀刃圖7 莖稈剪切斷裂測量試驗Fig.7 Stem shear fracture force measurement

由表5可知:側枝剪切斷裂力值隨側枝直徑增長而變大,對于相同形狀的刀刃,雙側開刃比單側開刃省力約30%;V型雙側開刃剪切斷裂力小于其他兩種刀刃,剪切效果最佳。

3 側枝夾持機構材料特性確定

3.1 整枝操作臨界力學條件

通過在番茄側枝根部的離層組織處實現與主莖的分離,可以保護植株主莖并減小番茄整枝對植物本身造成的損害;經過對番茄莖稈擠壓破損力學特性的相關試驗與分析,可以確定對于莖稈的無損夾持力學的約束,即選用合適的柔性材料在不損壞番茄側枝的情況下夾持并向外拉動實現側枝去除。

在莖稈離層斷裂特性的相關試驗中,使用電子萬能試驗機夾持側枝直至從番茄主莖分離,從而測出莖稈離層斷裂力的相關數據。若番茄側枝所受拉力超過其離層斷裂力,即可以將主莖上的待剪側枝從根部的離層組織處有效去除。根據番茄的整枝操作原理,為減小植株養分的額外消耗、提高果品質量,在番茄進入結果期后應盡快抹除主莖上的所有側枝。為了提高自動整枝手爪的適用性,選取番茄結果期11～20天直徑大于10mm的目標側枝,由番茄莖稈關鍵力學特性測量結果顯示,其主莖分離時所需拉力Fmin=34.6N,受到擠壓所能承受的壓力FNmax=62.6N,即在整枝過程中對番茄側枝所產生的拉力F0≥Fmin、FN

3.2 最優夾持材料力學特性確定

為了明確柔性夾持末端對番茄莖稈的無損夾持力學特性,根據表面摩擦特性的測量與分析結果顯示,4種典型工程材料中硬質橡膠與番茄莖稈的最大靜摩擦因數最大,故選作整枝手爪的末端材料最為恰當。根據莖稈的無損可靠夾持力學約束,使手爪在夾持莖稈時產生足夠的摩擦力,以便于在自動整枝過程中提供足夠的拉力有效去除所需要修剪的番茄側枝。

整枝手爪末端結構示意圖如圖8所示。底座兩端各開有中心間距為36mm的通孔,1對結構相同的末端手指固定于底座上;末端手指由直徑為4mm的鐵芯和厚度L=13mm的柔性材料組成。現選取直徑為10mm的番茄莖稈作為試驗對象,研究柔性末端的無損夾持。當兩個柔性末端夾持試驗莖稈時,柔性末端發生形變與試驗莖稈形成接觸曲面,經測算取接觸面積A=70mm2。由番茄莖稈的無損可靠夾持力學約束可知,莖稈受到夾持時不發生破損所能承受的壓力為55N。綜合以上數據,用以計算所需柔性材料的彈性模量。

1.底座 2.柔性末端 3.番茄莖稈 4.鐵芯圖8 最優夾持力學特性試驗Fig.8 Optimum clamping mechanical characteristic test

在柔性材料夾持番茄莖稈時,材料在承受的正向應力σ時會產生的正向應變ε,故可以計算出柔性材料彈性模量為

(4)

式中E—柔性末端的彈性模量(MPa);

ε—柔性末端承受的正向應變;

σ—柔性末端承受的正向應力(MPa);

FN—柔性末端承受的正壓力(N);

A—番茄莖稈與柔性材料間的接觸面積(mm2);

L—柔性末端材料厚度(mm);

ΔL—外力作用下柔性末端發生的形變(mm)

經計算,即選用柔性材料的彈性模量E=5.11MPa。查詢相關手冊,選取柔性材料為硬質橡膠更符合實際需求。此時,整枝手爪柔性末端滿足無損夾持番茄莖稈的要求,則對莖稈產生的拉力為

FL=Ff1=2fμ1·FN1

(5)

式中FL—莖稈受到的拉力(N);

Ff1—柔性末端夾持莖稈的最大摩擦力(N);

FN1—夾持時產生的正向壓力(N);

Fμ1—莖稈與橡膠間的最大靜摩擦因數。

此時,試驗莖稈受到的拉力FL>側枝去除所需拉力F0,即滿足不損壞番茄莖稈的條件下實現番茄側枝的摘除的實際需要。

對于硬質橡膠,彈性模量與邵氏硬度的關系為

(6)

式中E—柔性末端的彈性模量(MPa);

HA—硬質橡膠的邵氏硬度。

經計算,所選取的硬質橡膠的邵氏硬度HA=68.2,故選用邵氏硬度為68.2的硬質橡膠,滿足對番茄莖稈無損夾持的要求,并實現側枝的離層摘除。

4 結論

1)番茄莖稈與不銹鋼(Ra0.8)、聚氯乙烯(PVC)、硬質橡膠與硅膠等4種典型工程材料的靜摩擦因數分別為0.23、0.28、0.38和0.36。

2)番茄莖稈擠壓特性和離層斷裂特性受側枝木質化程度的影響較大,且兩種擠壓特性在番茄植株進入結果期21天至40天時莖稈擠壓破損力和離層斷裂力的提升最為顯著;莖稈剪切斷裂特性受到刀刃的影響,雙側開刃的剪切刀刃相對于單側開刃省力約30%,V型刀刃的剪切效果略優于U型和普通平口刀刃。

3)根據整枝區域的莖稈力學特性,確定了滿足將側枝安全無損地從離層部位拉斷的夾持機構的材料特性。經計算,需采用材料厚度為13mm、邵氏硬度為68.2的硬質橡膠來滿足實際需求。