蓮蓬采摘末端執行器設計

摘要：針對目前人工收獲蓮蓬效率低，蓮蓬機械化收獲設備發展緩慢的問題，對蓮蓬采摘末端執行器進行設計。為確定蓮蓬莖稈的相關力學參數，以成熟期蓮蓬莖稈作為試驗材料，使用質構儀對蓮蓬莖稈進行剪切力學特性試驗。試驗表明，剪切速度在500 mm/min以內時，剪切速度、莖稈直徑對蓮蓬莖稈剪切強度影響不顯著。剪切位置對蓮蓬莖稈剪切強度影響最大，剪切位置越靠近蓮蓬，所需要的剪切力越小。成熟蓮蓬的莖稈剪斷所需的剪切力為10.29～132.17 N，剪切應力為0.20～2.71 MPa。由此確定蓮蓬采摘末端執行器的最佳采摘范圍及所需剪切力，并根據試驗結果設計蓮蓬采摘末端執行器。采摘試驗表明，所設計的蓮蓬夾持剪切裝置的蓮蓬剪切成功率為100%，但由于蓮蓬從末端執行器滑落，導致整體采摘成功率為92%。

關鍵詞：蓮蓬莖稈；采摘機器人；力學特性；末端執行器

中圖分類號：S645.1" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0038?05

Design on end?effector for picking lotus pods

He Liang1， Xue Long1， Zeng Yuqi1， Liu Muhua1， Yang Jun2， Li Jing1

（1. College of Engineering， Jiangxi Agricultural University， Nanchang， 330045， China ； 2. Key Laboratory for Agricultural Machinery Intelligent Control and Manufacturing Technology of Fujian Education Institutions， Wuyishan， 354300， China）

Abstract： In view of the low efficiency of artificial harvesting and the slow development of mechanized harvesting equipment， the lotus picking end?effector was designed. In order to determine the mechanical parameters of lotus stem， the mechanical properties of lotus stem in mature stage were tested by texture instrument. The experiment indicated that when the shear speed was within 500 mm/min， the shear speed and stem diameter had no significant impact on the shear strength of lotus stem， while the shear position had the greatest influence on it. The closer the shear position was to the lotus pods， the smaller the shear force was required. The shear force required for stem cutting of mature lotus was 10.29-132.17 N， and the shear stress was 0.20-2.71 MPa. Then， the optimal picking range and the required shearing force of the lotus picking end?effector were determined， and the lotus picking end?effector was designed according to the test results.The results showed that the cutting success rate of the device was 100%， but the whole picking success rate was 92% because of the falling from the end?effector.

Keywords： lotus stem； picking robot； mechanical properties； end?effector

0 引言

蓮是一種多年水生草本植物，主要生長于池塘、沼澤與湖泊之中。其中蓮蓬為蓮的花托，其內部生長的蓮子既可作為水果鮮食，也可將蓮子去皮、通芯、烘干，制成的干蓮子及蓮芯，可入藥、煮食等，具有極高的營養價值[1， 2]。蓮的分布范圍廣闊，遍及亞洲和大洋洲，在我國的長江流域以及福建、浙江、江蘇、江西等地區均有種植。蓮子的口感清甜，營養價值高，深受消費者歡迎，市場前景開闊。以廣昌為例，白蓮的經濟效益相對水稻高出37 500～52 500元/hm2[3]，成為了當地的特色經濟作物，白蓮產業逐漸形成并發展壯大，但采收作業成為了白蓮生產過程中急需解決的問題。蓮蓬生長環境復雜，成熟于8-9月[4]，目前僅能依靠人工下水收獲，夏季高溫高濕的工作環境下，收獲勞動強度大，效率低，嚴重阻礙了白蓮產業的進一步發展，因此迫切需要研發適合蓮蓬的機械化采摘裝置。

目前國內外學者對植物莖稈的力學特性進行了大量研究，涉及水稻[5]、玉米[6]、小麥[7]、蔥白、韭菜、葡萄等，但還未出現與蓮蓬莖稈力學相關的研究。與水稻、玉米、小麥等作物不同，蓮蓬成熟時期不一致，無法進行大面積統一收獲。因此在收獲作業時，需要將逐一判斷蓮蓬的成熟度，再將成熟的蓮蓬從莖稈分離，完成采摘。含水率也是影響材料剪切性能的指標之一[8]，但本文研究對象為新鮮的成熟蓮蓬（忽略水分流失情況），因此不考慮含水率對剪切力學特性帶來的影響。本文對蓮蓬莖稈進行力學特性試驗，研究剪切速度、剪切位置、莖稈直徑對蓮蓬莖稈剪切特性的顯著性關系，并根據試驗結果，設計蓮蓬采摘末端執行器，并通過試驗驗證可行性，為蓮蓬機械化采摘裝置的研發提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的蓮蓬于2022年7月31日下午5點采摘于江西省南昌市溪霞鎮溪果農場。進行試驗的60個成熟期蓮蓬至少保留50 cm莖稈，保證莖稈無任何外力損傷。為避免蓮蓬失水嚴重影響試驗結果，在取樣后的4 h內完成試驗。

1.2 試驗設備

試驗用到的儀器為TMS-Pro質構儀，量程為0～

1 000 N，精度為±1%，最大剪切速度500 mm/min。剪切裝置由刀架、切刀及底座組成，其中剪切刀厚度為0.5 mm，雙面刃口，刃口角度為15°；刀架固定好切刀后安裝于質構儀末端，調整底座位置，使得切刀與底座縫隙對齊。刀架及底座均采用PLA材料3D打印制作，如圖1所示。測量剪切位置所采用的工具為皮尺，分辨率為1 mm；測量莖稈直徑所用的工具為數顯游標卡尺，分辨率為0.01 mm。

1.底座 2.切刀 3.刀架

1.3 試驗方法

如圖2所示，為便于將樣本平放在剪切臺上，進行試驗前將蓮蓬與莖稈沿虛線位置分離。以虛線為起點，用皮尺按2 cm為間隔標記剪切點，得到A～E共5個剪切點，用游標卡尺測量每個剪切點的莖稈直徑。最后將標記好的樣本隨機分為3組，每組20個樣本。

為驗證剪切速度對剪切力的影響，對3組樣本分別設置了100 mm/min、300 mm/min和500 mm/min的剪切速度進行試驗。首先將莖稈樣本水平放置在剪切平臺上，按照A～E的順序進行剪切，進行剪切時，刀具勻速下降直到刀具將莖稈切斷為止。剪切過程中數據采集軟件以50 Hz的采集頻率記錄剪切數據，最后將數據導出通過軟件SPSS 26.0進行數據分析。

2 結果與分析

分別以剪切速度（100 mm/min、300 mm/min和500 mm/min）、莖稈直徑與剪切位置（A點～E點）作為自變量，最大剪切力為因變量進行回歸分析，表1為對試驗結果進行主體間效應檢驗結果。

檢驗結果中的R2=0.89，模型擬合良好，取顯著性水平α=0.05。當P≤α時，說明變量和因變量呈顯著性，否則顯著性較小。

2.1 剪切速度對最大剪切力的影響

3組剪切試驗剪切速度分別是100 mm/min、

300 mm/min和500 mm/min，每組包含20個樣本，每個樣本根據剪切點進行5次剪切。將每組樣本在同一剪切點剪切時產生的最大剪切力取平均值，如圖3所示。由圖3可知，在不同速度下A、B、C三處剪切點產生的最大剪切力平均值相差不超過1 N，D、E兩處不超過10 N。三個剪切速度在同一剪切點產生的最大剪切力的平均值相近，隨著剪切速度的增加，最大剪切力平均值變化無相應變化趨勢。并且表1中剪切速度的顯著性P=0.46gt;α，F=0.79，進一步說明500 mm/min以內的剪切速度對最大剪切力無顯著影響。剪切效率會對采摘效率造成直接影響，因此在實際生產收獲中，應在保證最大剪切力的前提下，盡可能提高剪切速度。

2.2 直徑與最大剪切力的關系

由表1可知，莖稈直徑的顯著性P=0.50gt;α，F=1，說明剪切點的莖稈直徑與最大剪切力相關性較小。根據式（1）可計算出切斷莖稈所需的切應力。對于不同的剪切點，最大剪切力為132.17 N，最大剪切應力為2.71 MPa，最小剪切力僅10.29 N，最小剪切應力為0.20 MPa。

[τ=FsA] （1）

[S=14πd2]

式中：τ——切應力；

d——直徑；

A——面積；

Fs——剪切點最大的剪切力；

[S]——剪切面的面積。

對60個樣本進行統計發現，A～E剪切點出現最大剪切力的次數分別為0、0、2、18、40次，即同一截莖稈中最大剪切力普遍出現于D、E兩點，A、B兩點所需的剪切力小于D、E，因此可以選擇A、B兩點作為蓮蓬機械化收獲時優先考慮的采摘點。

2.3 剪切位置對最大剪切力的影響

由圖3可知，A、B剪切點產生的最大剪切力相近。從剪切點B開始，隨著剪切位置的推后，剪斷莖稈所需要的剪切力也隨之增加。從表1中剪切位置的顯著性P=0lt;α，F=46.28，也說明剪切位置對最大剪切力影響較為顯著。產生顯著影響的原因是隨著蓮蓬的生長發育，蓮蓬莖稈頂端部分持續分裂新的細胞，此時新生的細胞內部纖維素含量較少，遠端莖稈部分的細胞逐漸失去分裂能力，細胞成熟度增加，維管組織含量升高，能為果實提供更大的支撐作用[9]。所以由剪切點B到E，越后端的莖稈纖維素、維管組織等成分含量越高[10]，相比于前端莖稈，抗剪強度增加，韌性減小，并表現出一定脆性。

圖4為A～E剪切點剪切時的典型曲線及現象，剪切曲線圖4（a）、圖4（b）有且僅有一個斷崖式下降趨勢，即當莖稈被剪斷的一瞬間，莖稈對切刀的承載能力消失，剪切力下降至0 N。

從圖5（a）、圖5（b）可以看出，從接觸莖稈開始直接切入到莖稈內部，并未出現壓縮莖稈的情況，原因是該段莖稈纖維素含量較少，抗剪切能力弱。從剪切點C開始，剪切曲線包含兩個剪切階段，從圖5（d）、圖5（e）可以看出，切刀在一開始并未切入莖稈內部，而是對莖稈進行壓縮，此時剪切力處于上升階段。壓縮到極限時，莖稈上半部分截面表皮被破壞，切刀切入莖稈內部，此時剪切力出現了第1次下降。隨著剪切的進行，莖稈內部纖維組織繼續提供承載能力，剪切力略微提升，到達極限后被完全剪斷，此時剪切力出現第2次下降，如圖4（d）、圖4（e）所示。

3 末端執行器設計與試驗

3.1 末端執行器設計

為進一步驗證結論，基于Creo6.0設計了蓮蓬夾持剪切裝置，如圖6所示。由于剪切點A和剪切點B平均最大剪切力小于20 N，因此選用MHZL2-25D型氣缸手指作為動力源，夾持力最大為104 N，詳細參數如表2所示。

末端執行器所用剪切刀片是與本文力學特性試驗的剪切刀片相同，剪切刀厚度為0.5 mm，雙面刃口，刃口角度為15°。剪切刀片通過螺栓與剪切手指A固定，同時在剪切手指B側設計有嵌刀槽，保證氣缸手指閉合時能夠完全剪斷蓮蓬莖稈。剪切刀片的剪切寬度范圍為36 mm，為了提高容錯率，剪切手指A、B設計了如圖6（a）所示的倒三角形缺口，增加采摘范圍至74.8 mm，以至于蓮蓬夾持剪切裝置向下運動時，盡可能將蓮蓬莖稈送入剪切范圍。經測量統計的蓮蓬莖稈直徑平均值為8.3 mm。如圖6（c）所示，當蓮蓬夾持剪切裝置完全閉合時，夾持元件A和夾持元件B的間距為7 mm，略小于蓮蓬莖稈平均直徑，從而對蓮蓬莖稈進行壓縮，實現蓮蓬夾持。

3.2 蓮蓬采摘試驗

為了分析設計的蓮蓬采摘末端執行器可行性，使用PLA材料3D打印制作了夾持剪切裝置，用于安裝剪切刀片以及夾持元件，隨后進行了如圖7所示的蓮蓬剪切試驗。剪切刀片安裝示意圖如圖7（b）所示，圖7（c）為蓮蓬夾持元件，用于夾持住剪下的蓮蓬，待下一步運輸。在進行剪切試驗時，保證剪切執行裝置剪切范圍始終在A、B點附近。

75次采摘試驗中，75個蓮蓬被成功剪切，剪切成功率為100%，所設計的剪切裝置能夠很好地實現蓮蓬剪切。但其中有6個蓮蓬從夾持剪切裝置滑落，綜合采摘成功率為92%。產生夾持失敗的原因是夾持元件材料為PLA材料打印而成，在進行夾持時，不能適應不同直徑的蓮蓬莖稈，對于較細的莖稈，夾持元件提供的摩擦力不足，導致蓮蓬滑落。當替換成柔性材料時，會對莖稈的夾持效果有所提升，在以后的研究中，將會對其更進一步研究。

4 結論

通過對成熟蓮蓬莖稈的剪切試驗，結合試驗數據和剪切時莖稈呈現的現象，分析成熟蓮蓬莖稈在剪切過程中所受剪切力與剪切速度、莖稈直徑以及剪切位置的關系。

1） 剪斷莖稈所需的最大剪切力與剪切速度和莖稈直徑無顯著性影響，但隨著剪切點的推后，剪斷莖稈所需的最大剪切力也隨之增加，引起最大剪切力變化的原因是不同剪切點內的組織結構的含量不同。

2） 計算得出成熟蓮蓬莖稈剪斷所需要的剪切力為10.29～132.17 N，剪切應力為0.20～2.71 MPa。確定最小剪切力普遍出現在A、B兩點范圍附近，因此該范圍為成熟蓮蓬的最適宜采摘點，由此可為蓮蓬機械化采摘裝置的研發提供參考。

3） 根據蓮蓬莖稈力學特性試驗結果設計一種蓮蓬采摘末端執行器，通過對75個蓮蓬的采摘試驗表明，本文所設計的蓮蓬夾持剪切裝置的蓮蓬剪切成功率為100%，但由于蓮蓬從末端執行器滑落，導致整體采摘成功率為92%。

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