基于番茄生物力学特性的采摘机器人抓取损伤研究

【摘要】：采摘机器人作业时,机器人手指的作用是抓紧果实,以便进行果梗的分离。而当手指对果实施加的抓取力超过组织损伤的阈值时,番茄就会出现严重机械损伤；当手指对果实施加的抓取力过小,番茄容易从手指中滑落,产生跌落损伤。不同程度的损伤将导致新鲜番茄在随后的贮运过程中发生皱缩,品质降低,甚至快速腐烂。因此如何有效防止或降低番茄的机械损伤是实现机械化收获亟待解决的一个重要问题。为了解决该问题,本文从番茄的生物力学特性入手,对采摘机器人的抓取损伤预测以及影响因素进行深入研究。主要的研究工作有： 1)研究了与机器人收获相关的番茄生物学特性。主要包括测定与机械收获相关的2个番茄品种的物理特性,如摩擦和滚动阻力系数、几何学和形态学参数以及密度和空隙率等；观测番茄表皮、果皮和胶体组织的超微结构,揭示番茄的机械损伤机理；研究加载位置和压缩率对受压番茄的失重和含水量的影响,试验结果表明：加载位置和压缩率对受压番茄的含水量影响不显著,当压缩率为4%和8%时,加载位置对番茄的失重影响不显著,当压缩率为12%和16%时,加载位置对番茄的失重影响显著,加载位置相同时,受压番茄的失重随压缩率的增加而非线性增加。 2)研究了番茄的力学特性。主要包括通过加卸载测定三心室和四心室番茄在不同加载位置和压缩率下的整果力学特性参数：Ep、Fmax、rc和rk以及番茄在不同加载位置下破裂时所表现出的力学特性参数：Er、Fr和ε；通过压缩、拉伸、剪切和弯曲试验测定2个番茄品种表皮、果皮和胶体组分的力学特性。试验结果表明加载位置对三心室番茄的整果力学特性参数影响不显著,加载位置和压缩率对四心室番茄的部分整果力学特性参数影响显著；心室数对番茄的破裂力Fr和压缩率ε影响显著,加载位置对番茄的压缩率ε影响显著。 3)建立了采摘机器人手指与番茄的接触有限元模型,用刚性平板代替平面手指对所建有限元模型进行整果压缩模拟试验,与番茄的整果压缩试验数据进行对比,验证模型的正确性。结果表明：四种加载情况下FEA(Eavg)模型的试验值与预测值之间的平均相对误差最小,分别为12.37%、12.77%、8.44%和11.77%。因此在ANSYS静态大应变分析中,番茄表皮、果皮和胶体的弹性模量分别取平均值时所对应的有限元模型较适合预测番茄的抓取损伤。 4)通过模拟试验研究了加载力和抓取位置对番茄内部机械损伤的影响。试验结果表明：随着加载力的增大,3种加载方式下番茄内部组织的损伤顺序依次为胶体、果皮和表皮；在相同加载力下,刚性平板从四心室番茄的径臂位置进行加载压缩后,平板对番茄的压缩率最小；刚性平板从四心室番茄的小室位置进行加载压缩后,平板对番茄的压缩率最大；加载力和抓取位置对番茄的内部机械损伤影响显著。通过模拟试验研究了指面类型对番茄内部机械损伤的影响。试验结果表明：在加载位置、结构类型和加载力相同时,刚性弧板对番茄的压缩率较小,番茄内部组织产生机械损伤的概率亦较小。 5)利用稳定抓取理论预测机器人手指在番茄赤道面轮廓上的稳定抓取区域,通过稳定抓取试验验证以上通过理论分析所得稳定抓取区域。试验结果显示预测正确率在83.33%以上,同时分析了预测结果与试验结果不一致的原因。利用加卸载试验的数据建立了番茄的Logistic抓取损伤概率模型,同时分析了机器人采摘过程中番茄抓取机械损伤的影响因素。结果表明：在所考虑的影响因素中,仅压缩率、加载位置(抓取位置)和探头类型(指面类型)自变量对番茄的抓取机械损伤影响显著,其中压缩率对番茄的抓取损伤影响最大。 综上所述,作者认为采摘机器人在抓取过程中,首先利用机器人的视觉系统获取番茄在最大纵向面和赤道面轮廓上的几何特征信息,而后：1)估算出番茄的质量以及机器人手指应施加于番茄的抓取力；2)预测机器人手指在番茄赤道面轮廓上的稳定抓取区域；3)利用机器人的视觉系统识别出番茄的径臂抓取位置和小室抓取位置。最后根据所获信息,控制机器人手指从邻近番茄的小室位置进行抓取。该抓取方法有助于降低番茄在机器人采摘过程中产生的机械损伤。