第４Ｏ卷第３期 ２０１２年６月 浙江工业大学学报 Ｊ０ＵＲＮＡＩ ＯＦ ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２ｏ１ ２ 基于机器人采摘的柑橘机械特性研究 张水波，鲍官军，杨庆华，陈亮 （浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州３１００３２） 摘要：柑橘果实的机械特性，是设计针对柑橘采摘机器人末端执行器的重要依据．该研究利用弹性 力学的赫芝（Ｈｅｒｔｚ）理论对柑橘果实的受力与变形量的关系进行了理论分析，并通过对成熟柑橘进 行匀速加压试验验证了该理论的分析结果，同时得到了该类柑橘果实的抗压机械特性．另外，还通 过实验进一步分析研究了柑橘果实与硅胶材料之间的摩擦特性和柑橘果柄的切割特性，从而为设 计实现柑橘抓持与果柄切割的柑橘采摘的机器人末端执行器提供准确的依据． 关键词：机器人；采摘；末端执行器；机械特性；柑橘 中图分类号：ＴＰ２４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—４３０３（２０１２）０３—０３４０—０５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ ｂａｓｅｓ ｏｎ ｒｏｂｏｔｉｃ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕｉ＿ｂｏ，ＢＡＯ Ｇｕａｎ—ｊ ｕｎ，ＹＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｈｕａ，ＣＨＥＮ Ｌｉａｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕ ｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｉｔｒｕｓ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｅｎｄ—ｅｆｆｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ ｗａｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｈｅｒｔｚ ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｅｖｅｎ ｐａｃｅ ｏｎ ｒｉｐｅｎ ｃｉｔｒｕｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｇａｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ．Ａｌｓｏ。ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ’ｐｅｄｕｎｃｌｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｅｘａｃｔｌｙ ｂａｓｉｓ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｒｏｂｏｔｉｃ ｅｎｄ—ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｃｉｔｒｕｓ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ；ｅｎｄ—ｅｆｆｅｃｔｏｒｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｃｉｔｒｕｓ 目前，我国柑橘种植面积已达到１４ ７００ ｋｍ ，年 产量２２ ０００ ｋｔ左右，面积、产量均居世界第一．柑橘 采摘工作量约占整个生产作业过程的３３ ～５Ｏ ， 并且其果实的成熟期比较集中，绝大多数品种的成 国内外农业机器人研究的热点．设计果实采摘农业 机器人，首先需要研究目标果实的机械特性．针对柑 橘果实，Ａｈｍｅｄ等分析了柑橘采摘过程中的果实内 部应力累积现象口］，Ｋａｕｆｍａｎｎ实验研究了含水量 熟期集中在ｌ０ ｌ２月份，柑橘采摘作业是柑橘生产 中最耗时、最费力的一个环节．柑橘收获期间需投入 的劳力约占整个种植过程的５Ｏ ～７Ｏ ．随着社会 经济的发展和人口的老龄化，很多国家农业劳动力 和温度对柑橘保存时间的影响 ］，Ｇｙａｓｉ等测定了 柑橘果皮和果肉的泊松比 一，Ｗｉｌｌｉａｍ针对佛罗里 达地区柑橘，基于收割后果实处理的机械特性进行 了压缩和穿刺实验研究 ｊ，美国的Ｃｏｎｌａｎ等人和印 度的Ｋｒｉｓｈｎａ等基于柑橘采摘中果实下坠引起损伤 严重短缺，导致果蔬生产劳动力成本增加．为降低成 本，提高劳动效率，果实采摘机器人的研究成为目前 收稿日期：２０１１ ０３ １ ６ 的过程进行了受力分析和实验研究 ，美国的Ｆｉ一 基金项目：国家８６３高技术研究发展计划基金资助项目（２∞９ＡＡｏ４ｚ２Ｏ９）；浙汀省自然科学基金杰出青年团队资助项目（Ｒ１０９０６７４）；浙江 省机械电子工程 ｒ｝１之重学科开放荩金唆助项目（２（：０９０３２５ 作者简赍：张水渡ｆ１９ｇｌ一 ． ，浙江海 几 硕｛ 研究生， 究方向为机器人技术，Ｅ ｍａｉｌ：ｚｓｂｊｄ＠Ｚｉｌｌｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 第３期 张水波，等：基于机器人采摘的柑橘机械特性研究 ｄｅｌｉｂｕｓ等通过实验研究了经过赤霉素处理的柑橘 果皮的抗剪和抗拉特性以及柑橘果实的抗压特 橘果实的受压变化建立理论模型，并通过运用不同 的加载速度对柑橘果实进行压缩实验验证该模型， 并进一步得到其压缩特性，同时通过实验分析柑橘 的摩擦特性和果柄的切割特性，为设计柑橘采摘机 器人末端执行器提供依据． 性ｌ７］，意大利的Ｆｅｄｅｒｉｃｏ等通过实验研究了针对塔 罗科柑橘的抗压特性ｌ８］，江苏大学姜松等则通过压 缩试验、穿刺试验研究了柑橘果实各个方向的力学 差异性和不同成熟度对柑橘力学特性的影响ｌｇ。 ． 目前，本研究主要针对柑橘果实和果皮的力学特性 ２柑橘压缩特性 ２．１实验材料和仪器 进行了实验研究，且主要基于果实运送和贮藏研究， 尚未见对柑橘果实受压变形过程运用弹性接触理论 进行分析和建模，也未见基于采摘机器人末端执行 实验用的柑橘为浙江北部地区产的宽皮类柑 器设计的柑橘机械特性实验与研究． 柑橘人工采摘作业分析 柑橘鲜销果实在果面充分着色时采摘，贮藏用 果可比鲜销果早采，一般在果面２／３转色，果实未变 软，接近成熟时采摘，柑橘果实的转色是指果皮绿色 的消退固有色泽的形成口 ．采摘时准备的工具包 括：准备采摘必备的果剪、果梯、果袋或果篮、手套、 盛装容器，并进行清洁处理．采摘的工具中，果袋或 果篮及转运容器宜轻便牢固、内侧平滑，竹制品应在 内侧垫以柔软物，果梯宜选择安全、方便的双面梯． 柑橘人工采摘通常采用“两剪法”剪果，即：第 一剪在离果蒂１ ｃｍ处下剪；第二剪齐果蒂剪平．采 摘用的果剪前端应光滑呈圆头形，剪口锋利、合 缝，以减少采摘时造成果面损伤．‘因此应用圆头采 果剪最合宜，其刀口锋利、合缝，以利剪短果柄，又 不刺伤果皮．采摘时采摘人员需使用双面梯等登 高工具登上高处。以使双手能抓持果实并实施剪 断果柄的操作，剪断果柄后将果实装入果篮或果 袋，并开始采摘下一果实．采摘过程中轻摘轻放， 避免人为或器械损伤果实．采果过程自下而上，由 外至内顺序进行，且采摘过程中应避免将枝叶误 剪下而混入果篮中，以免刺伤果实，果实在采摘和 转运过程中应轻拿轻放． 采摘人员采摘柑橘需不断上下梯子与穿梭于果 树之间，且柑橘果柄的材质近似果树枝杆与枝条，其 内部纤维有较高强度与韧性，采摘人员需施加较大 的握力以使果剪产生足够大的剪力才能将其剪下， 因此，在整个柑橘批量采摘过程中，采摘人员的劳动 强度相当大，且采摘效率较低． 从上述采摘作业描述中可知：采用机器人采果 则末端执行器必须具有抓持果实和剪断果柄的功 能．在末端执行器抓持和运送果实过程中，需要考虑 果实的抗压特性．本文通过运用弹性力学理论为柑 橘，选择的柑橘为１１月份初采摘，均为果面已全部 转色的鲜销成熟果实，总计ｌ６个．果实横径均在５６ ～７２ ｍｍ之间，果实质量在１１０～１４０ ｇ之间，本实 验采用的装置是深圳瑞格尔仪器公司的ＲＧ４１００型 微机控制电子万能试验机，实验环境温度为２４℃， 相对湿度为７８ ． 针对拟人手机器人末端执行器，其抓持柑橘的 特征与人手相似，在采摘柑橘时，爪指均作用在柑橘 的侧面，作用力方向均平行于柑橘径向，各作用点所 在平面垂直于柑橘果柄所在的中轴，故采用对柑橘 进行径向压缩试验，柑橘的果实的径向横截面接近 圆形，柑橘受压变化情况如图１所示． 初始状态 压缩状态 图１ 柑橘果实径向压缩实验 Ｆｉｇ．１ Ｒａｄｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ ２．２ 实验原理 柑橘果实在受到平板挤压时，在接触位置的总 变形量Ｄ，根据弹性力学的赫芝理论Ⅲ１ ］可得 Ｄ一 （ ＋ ） Ｆ ］专㈩ 式巾：Ｅ 和Ｅ 分别为两接触物体的弹性模量 和 分别为两接触物体的泊松比；Ｒ 和Ｒ。分别为 两物体在接触位置的最大曲率半径；Ｆ为接触载荷． 实验中柑橘受到两个平行平板的挤压，由于柑 橘果实的弹性模量远小于钢的弹性模量，故有 ＋ ≈ （２） ／２，１ ２ １２， 式中：Ｅ为弹性模量； 为泊松比． 对于平板有Ｒ 一ＣＸ＇Ｄ，对于柑橘果实有Ｒｔ一 ／ 浙江工业大学学报 第４Ｏ卷 ２，由于果实在上下两处同时受到平板的挤压，故挤 压头的位移为式（１）的两倍，故式（１）可写为 ２．４柑橘压缩实验结果分析 表１和表２所示为不同加载速度压缩柑橘实验 得到的数据情况，且各组实验中柑橘载荷一变形关 一［ × （ ） （荔）÷ ｃ３ 系均得到如图３所示的变化曲线．实验中，试验机的 式中ｃ 为综合弹性常数・由式（３）可得 Ｃ一＿ （４） 、ｆａＤ 对于每一个柑橘，通过施加载荷实验均可得到 一组特定的载荷Ｆ和总变形量Ｄ的数据，并且得到 一个特定的综合弹性常数Ｃ值． 由赫芝理论知，最大接触压力发生在接触面中 心，且有 一 ３Ｆ … ） 式中ｒ为接触圆半径，即 ｒ＝（ １ｉ ㈣ 所以 ０厂— ｑｏ一０・９１８√Ｆ （７） 果实的屈服点是界于弹性变形和塑性变形的交 点，应满足弹性变形阶段的规律，故可用上式计算柑 橘果实的屈服极限口 ，此时，Ｆ应取柑橘出现永久 伤痕时的挤压力——屈服力 ． ２．３实验方法和过程 赫芝理论的假设基于对果实采用的载荷属于静 载荷，并使用圆柱形平压头作为加载头，通常实验中 加载速度在１～５ ｃｍ／ｍｉｎ：“］，故笔者设定ｌＯ ｒａｍ／ｒａｉｎ 和２０ ｒａｍ／ｒａｉｎ两个加载速度分两组进行柑橘果实 的压缩实验． 本实验过程每组分别选用８个鲜销果实进行压 缩试验，分别对这两组柑橘果实施加载荷直至柑橘 果实完全破裂，记录下每个试样的加压过程中的变 形量和载荷值大小，实验装置如图２所示． ３ ２ １实验台座；２～试样；３平板压头及传感器； ４一加载传动机构；５一操作显示ＬＥＤ面板；６计算机 图２柑橘压缩实验装置图 Ｆｉｇ．２ Ｃｉｔｒｕｓ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ 加载台和加载头完全作用于柑橘果实表面且紧贴于 果实表面，故加载头的位移量即为柑橘果实的变形 位移量．从图３中可以发现，柑橘在载荷作用下的变 形主要分三个阶段，第一个阶段是曲线平滑缓慢上 升阶段，这个阶段中，随着加载距离的增加，柑橘果 实承受的载荷增加，变形位移量也逐渐增加，且载荷 与变形位移量之间基本成线性关系，呈现弹性变形 的特征，当这个阶段中加载的载荷到达某一高值后， 随着加载距离的进一步增加，即柑橘表面变形位移 量继续增加，柑橘表面所受载荷力的值却出现了下 降，并且载荷值的大小随着加载距离即柑橘表面变 形位移量的变化有个波动变化的过程，这个阶段中 载荷值下降过程是因为随着柑橘果实的变形的加 剧，果实外皮可见破损，果肉与果皮支撑结构被破 坏，其承受载荷的能力降低，而载荷值的小幅上升是 因为随着柑橘内部果肉表皮被挤压后变得更加紧 实，果皮在局部破裂前保持了短暂的稳定结构而具 有了一部分的抵抗载荷变形的能力，故下降曲线出 现震荡，有多个小的波峰．这个震荡下降的过程即为 第二阶段．最后一个过程中为第三阶段，这个过程中 随着柑橘变形量的不断增加，其承受的载荷随变形 量的增加而显著增长，此时柑橘表皮已完全破裂，内 部果肉不断被挤压而产生更大的抗载荷能力，直至 柑橘果皮与果肉均被完全破坏，表现为柑橘被压坍 塌甚至分裂开． 第一个阶段和第二个阶段的拐点，也就是曲线 的第一个波峰点，为柑橘的破裂点 ，此时柑橘果 实内部的弹性结构已经破坏，图中 点所示为该柑 橘的破裂点，该点处代表柑橘变形达到弹性屈服极 限，此时的载荷即为屈服载荷．由实验结果可以看 出：在不同的加载速度下，柑橘的屈服载荷的差别相 较与柑橘个体之间的差异的影响并不显著，可以认 为柑橘在２Ｏ ｒａｍ／ｒａｉｎ以下的压缩速度下，同一柑橘 果实的屈服载荷不受压缩速度的影响，柑橘所受载 荷近似静载荷，符合赫芝理论的假设条件．从实验结 果中可以得到：当柑橘所受载荷在小于１０ Ｎ时，柑 橘均保持在弹性范围内，且弹性变形量很小，柑橘的 变形量均小于６ ｍｍ，因此可以认为在采用机器人 采摘柑橘时，末端执行器对柑橘的输出力在小于 １０ Ｎ时对柑橘是安全的． 第３期 张水波，等：基于机器人采摘的柑橘机械特性研究 表１加载速度１０ ｍｍ／ｍｉｎ时的实验结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｓｔｒｅｓｓ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ １０ ｍｍ／ｍｉｎ 试样编号 试样横径ｄ／ｍｍ 屈服载荷 ／Ｎ 屈服变形量Ｄ ／ｒａｍ 表２加载速度２０ ｍｍ／ｍｉｎ时的实验结果 １ Ｔａｂｌｅ ２ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｓｔｒｅｓｓ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ２０ ｍｍ／ｍｉｎ ４ １ 。 ２ ６ 试样编号 试样横径ｄ／ｍｍ 屈服载荷 ／Ｎ 屈服变形量 ／ｒａｍ ５ １ ６ ２ ５ ｌ １ ６ ∞ １ Ｏ ７ ９ ６ ３ ６ ８ 表３弹性常数ｃ与相关指数Ｒ Ｔａｂｌｅ ３ Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃ＆ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ Ｒ 。∞”¨ ５ １ ４ ９ １ ｌ ６ １ ｌ ８ ６ ８ ８ ２ ｌ ５ １ ∞ ８１ ６ Ｌ ２ ２ ７ ２ ３ ８ ３柑橘表面摩擦特性实验 ３．１实验方法和过程 ４ ３ １ ０Ｊ ｌ 图３柑橘表面抗压试验载荷位移关系图 ３ ８ １ ４ ３ ６ ２ ６ １ ５ 将柑橘放置在覆有硅胶材料的固定平板上，硅 胶层厚度为３ ｍｒｆｌ，柑橘上方固定一块平板，并始终 保持水平，平板上可放置不同重量的砝码，以对柑橘 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｅｓｓ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ３ １ Ｔ １ ６ ｌ ２．５柑橘果实的弹性常数 Ｏ ３ 施加竖直向下作用的正压力．将一组绳带绕过柑橘 的一侧，在另一侧，将绳带两头系在一拉力测量器 上，实验环境同前节，实验装置示意图如图５所示． ４ ９ ２ ２ ４ ３ 据前述的理论分析，果实的弹性常数Ｃ取决于 Ｆ与Ｄ 的比值为了验证理论分析，将试验得到的 ３ １ ５ １ Ｆ与Ｄ值描绘成以Ｆ为纵坐标，Ｄ。 为横坐标的数 据点，如图４所示．从图中可见：Ｆ与Ｄ。 基本成线 即 ９１ ７ ５ ｌ ７ ２ ６ 当通过拉力测量器和绳带对柑橘施加水平拉力时， 柑橘在其自身重量和砝码重量共同产生的正压力作 用下与硅胶平板之间将产生抵抗水平拉力的静摩擦 力，慢慢增大水平拉力，直至该拉力值刚好大于此时 柑橘与硅胶平板之间的最大静摩擦力，柑橘将会在 ０ １ 性关系，为此用式（４）对其进行线性回归分析，可以 １ ３ １ 得到图４中所示直线为某柑橘实验数据回归曲线， １ ６ ６ Ｏ ４ ２ ６ ６ 并可求得弹性系数和回归方程的相关指数值．表３ ３ ９ 为两组实验数据回归分析中柑橘弹性常数与相关指 数平均值，从表中的相关指数Ｒ 值可知，回归模型 的理论与实际值较为一致，说明柑橘果实的整果近 似弹 拉力作用下产生水平滑动，记录下柑橘滑动瞬时的 拉力值，即可计算静摩擦系数 为 ＝＝＝（Ｇ（ Ｆ （８） 式中：Ｆ为水平拉力；Ｇ。为柑橘果实与平板的重量 之和；ＧⅣ为砝码的重量，计算单位均采用ｇ． Ｄ ／ｒａｍ １一硅胶板；２一试样；３砝码；４一绳带；５一拉力测量器 图４载荷Ｆ与变形Ｄ 的关系图 Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ Ｌｏａｄ ｆｏｒｃｅ Ｆ＆ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄ ／ 图５柑橘摩擦特性实验图 Ｆｉｇ．５ Ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ 浙江工业大学学报 第４Ｏ卷 ３．２实验结果分析 根据前节分析，柑橘在承受一定范围内正压力 作用下的变形近似弹性变化，因此在不同的正压力 作用下，柑橘与硅胶板的接触面积也不同，柑橘的静 摩擦系数为非恒定的值．表４为实验结果，这里取各 组实验得到静摩擦系数的统计平均值来近似得到柑 橘的弹性变形中的平均静摩擦系数ｐ＝０．６８． 表４柑橘摩擦实验结果 Ｔａｂｌｅ ４ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ ｒｉｃｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ４柑橘果柄切割特性 ４．１ 实验方法 在试验机的加载板上安装刀片，同时在固定底 板上放置软木板，将试验对象柑橘果柄放在软木板 上，加载速度设定为３０ ｍｍ／ｍｉｎ，实验环境同前，得 到柑橘果柄的最大切割阻力值，实验数据见表５． 表５柑橘果柄切割实验结果 Ｔａｂｌｅ ５ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｃｉｔｒｕｓ’ｐｅｄｕｎｃｌｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ４．２结果与分析 从表５所示实验结果可以发现，柑橘果柄的最 大切割阻力与柑橘果柄的平均直径之间不成线性关 系，且各柑橘果柄的最大切割阻力均显著不同，实验 选用的试样最大切割阻力值为８８．９３ Ｎ，采摘机器 人末端执行器果柄切割机构选用旋转切割刀片或者 圆锯片切割，输出同样的切割力则可以得到更好的 切割效果，因此，可以认为选用旋转切割刀片或者圆 锯片切割时采用８８．９３ Ｎ的输出力可以达到切割不 同大小柑橘果柄的效果． ５ 结 论 运用弹性力学的赫芝理论建立了柑橘果实的弹 性变形阶段的受力一变形量的关系式，柑橘在受到 不高于屈服载荷Ｆ 的压力作用下的变形属于弹性 变形，通过实验数据进一步分析求得了该类柑橘果 实的平均弹性常数Ｃ的值．同时，分析确定采摘机 器人末端执行器设计的抓持力输出值在不高于 １Ｏ Ｎ时对柑橘是安全的．通过实验研究了柑橘与硅 胶材料之间的的摩擦特性，得到了平均静摩擦系数 值为０．６８．并且实验得到了柑橘果柄试样的最大切 割阻力值最高为８８．９３ Ｎ，柑橘采摘机器人末端执 行器抓切割机构采用旋转刀片或圆锯片时设计输出 的切割力不低于该值时可以达到切割效果． 参考文献： ｒ１３ ＲＯＤＲＩＧＵＥＺ－ＡＲＣＯＳ Ｒ Ｃ，ＳＭＩＴＨ Ａ Ｃ，ＷＡＩ ＤＲｏＮ Ｋ ｗ． Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒｅｅｎａｓｐａｒａｇｕｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｆｏｏｄ ａｎｄ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００２，８２：２９３ ３００． ［２］ＫＡＵＦＭＡＮＮ Ｍ Ｒ．Ｅｘｔｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｅｒｉｃａｒｐ ｔｉｓｓｕｅ ｉｎ ｇｒｏｗｉｎｇ ｃｉｔｒｕｓ ｆｒｕｉｔｓ［Ｊ］．Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，１ ９７０，４６（６）：７７８ ７８１． ｒ３］ ＧＹＡＳＩ Ｓ Ｒ，ＦＲＩＥＤＩ Ｙ Ｂ，ＣＨＥＮ Ｐ．Ｅｌａｓｔｉｃ ａｎｄ ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ ｐｏｉｓｓｏｎ’Ｓ ｒａｔｉｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｃｉｔｒｕｓ ｆｒｕｉｔｓ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ，１９８１，２４（３）：７４７ ７５０． ［４］ＷＩＬＬＩＡＭ Ｍ Ｍ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｄａｔａ ｆｏｒ ｐｏｓｔｈａｒｖｅｓｔ ｈａｎ— ｄｌｉｎｇ ｏｆ ｆｌｏｒｉｄａ ｃｉｔｒｕｓ￣Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｌｉｎｇ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， １９８７，３（１）：１２３ １２８． ［５］ Ｃ０ＮＬＡＮ Ｔ Ｍ，ＭＩＩ ＥＳ Ｊ Ａ，ＳＴＥＩＮＫＥ ｗ Ｅ．Ｓｔａｔｉｃ ｌｏｗｅｒ ｂａｃｋ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｃｉｔｒｕｓ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ，１９９５，３８（３）：９２９ ９３６． ｒ６］ＫＲＩＳＨＮＡ Ｋ，ＳＩＮＧＨ Ｂ，ＳＲＥＥＮ１ＶＡＳＵＩ Ａ Ｒ．Ｐｏｓｔ—ｈａｒｖｅｓｔ ｐｈｙｓｉｃｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｏｒａｎｇｅ ｐｅｅｌ ａｎｄ ｆｒｕｉｔ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，７３：ｌ １２—１２０． ［７］ＦＩＤＥＩ ＩＢＵＳ Ｍ Ｗ，ＴＥＩＸＥＩＲＡ Ａ Ａ，ＤＡＶＩＥＳ Ｆ Ｓ．Ｍｅｃｈａｎｉ— ｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｏｒａｎｇｅ ｐｅｅｌ ａｎｄ ｆｒｕｉｔ ｔｒｅａｔｅｄ ｐｒｅ—ｈａｒｖｅｓｔ ｗｉｔｈ ｄｒｉｂｂｅｒｅｌｌｉｃ ａｃｉｄ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ，２００２，４ ５（４）： １Ｏ５７—１０６２． ［８］ＦＥＤＥＲＩＣＯ Ｐ，ＣＯＲＲＡＤＯ Ｃ，ＰＡＯＩ Ｏ Ｍ，ｅｔ ａｌ，Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｆａｒｏｃｃｏ ｏｒａｎｇｅ ｆｒｕｉｔ ｕｎｄｅｒ ｐａｒ— ａｌｌｅｌ ｐｌａｔｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１ １， １０３：３０８ ３ｌ６． ［９］姜松，鲍黄贵，蔡健荣，等．柑橘力学差异性研究［Ｊ］．江苏农业 科学，２００９（５）：２４４ ２４８． ［１ｏ］姜松，鲍黄贵，蔡健荣，等，不同成熟度柑橘力学特性研究［Ｊ］． 食品工业科技，２００７。３０（１２）：１１７－１１ ９． ［１１］重庆市果树研究所，重庆市经济作物推广站，农业部柑橘及苗 木质量监督检验测试检测中心．ＮＹ／Ｔ ７１ ６—２００３柑橘采摘 技术规范［ｓ］．北京：中国标准出版社，２００４． ［１２］ＪＯＨＮＳＯＮ Ｋ Ｌ．接触力学［Ｍ］．徐秉业，罗学富，刘信声，等 译．北京；高等教育出版社，１９９２：９６—１２２． ［１３］ 陈萃仁，应铁进，钱冬梅，等．杨梅果实的力学特性及其贮藏过 程中变化规律的研究［Ｊ］．科技通报，１９９５，１５（１）：５４—５８． ［１４］吴德光，蒋小明．农产品压缩试验研究及其应用［Ｊ］．云南农业 大学学报，１９９０，５（３）：１７１ １７６． ［１５］王芳，王春光．河套苹果梨机械特性的试验研究［Ｊ］．农机化研 究，２００８（３）：１６８ Ｉ７０． （责任编辑：刘 岩）