番木瓜摘取的接触力学模型构建与试验 附接触力学文档下载

       番木瓜 Carica papaya 生长于热带亚热带地区，被世界卫生组织列为最有营养价值的十大水果之一，有“岭南果王”的美誉，是中国珠三角地区具有较高经济价值的优稀水果。目前国内外尚无番木瓜自动化采收装备，国内小型果园主要借助梯子或长柄简易采收器采收，国外大型果园主要利用拖拉机驱动升降平台及输送装置，以提高人工摘取高度和效率。研制开发番木瓜自动化摘取装备有利于减轻人工劳动量，缓解当前中国农村劳动力不足问题。番木瓜体积和质量大、硬度低，相对振动采收，采用机器人摘取方案更为适宜。末端执行机构直接与果实接触，是采摘机器人将果实与果梗分离获取果实的关键执行部件。目前国内外鲜见番木瓜采收末端执行机构的研究报道。本研究依据番木瓜果树与果实特点，拟定番木瓜采摘末端执行机构摘取方案，构建番木瓜摘取平衡方程，进行摘取稳定性分析，提出摘取接触力求解算法；搭建摘取试验平台，通过番木瓜摘取试验验证摘取方案的合理性、摘取接触力学模型的正确性与实用性，为番木瓜采摘末端执行机构的设计和力度控制提供依据。

番木瓜摘取方案

       番木瓜果树单杆直立，果柄与树干在果梗处连接。随着树体高度增长，果梗新牙由树干低位向高位连续生长，最下端的果实最大最老，最高处果实龄期最短，果实最小。番木瓜果梗沿树干直径和高度方向的分布距离小，着果区域果实分布密集，果实间相互层叠。番木瓜果实绕纵轴线对称，沿垂直纵轴方向截面两端细、中间粗，横径位置截面直径最大。当番木瓜出现１条黄色条斑（一线黄）或３条黄色斑（三线黄）时，从树干下端成熟番木瓜开始向上摘取。如沿纵轴方向施加拉力使果实与果树分离，所需拉力大，因此目前人工在用手抓紧果实后，采用侧向掰动，绕果柄的纵轴线转动，或用刀具切断果柄的方式将果实摘下。

       在有摩擦约束条件下，三点夹持能完全约束作用在物体上的外力，为此选取结构最简单的三指夹持方式来抓紧番木瓜果实。为简化末端执行机构的结构，三夹指对称分布，由一个原动件驱动，同步动作夹持或松开果实。在将果实分离方面，如采用沿侧向掰动方式，番木瓜果实分布密集，掰动空间范围有限，易碰撞损伤相邻果实；如采用刀具切断果柄方式，刀具接近果柄的空间范围有限，易受周边果实遮挡，切除果柄时容易碰伤邻近果实。为此选取绕番木瓜纵轴线施加一定扭矩，使其转动一定角度，克服果柄处的扭转阻力，实现扭断分离。

        样本表面无明显变形、压痕与裂纹，夹持处果肉室温静置 24 h 后无明显的颜色变化和伤痕，最大夹持力远小于成熟番木瓜横径方向受压弹性变形阶段压力极限值；质量和摘取扭转力矩与横径、纵径、果柄长度、果柄扭断直径有密切依存关系，质量多元线性回归达极显著水平，扭转力矩多元线性回归达显著水平；依据接触力学模型和回归模型计算的理论夹持力与测量夹持力对比，测量夹持力均高于理论夹持力，两者最大偏差小于20%，两者在趋势上具有较好一致性。摘取方案能稳定无损伤摘取番木瓜，摘取接触力学模型具有正确性与实用性，可为番木瓜摘取末端执行机构设计与力度控制提供依据。