張麒麟，姬長英，高 峰，趙文旻

(南京農(nóng)業(yè)大學工學院/江蘇省高等學校智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇南京210031)

蘋果采摘機械手對果實損傷的影響

張麒麟，姬長英*，高 峰，趙文旻

(南京農(nóng)業(yè)大學工學院/江蘇省高等學校智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇南京210031)

我國是蘋果種植大國，機械采摘的快速發(fā)展與大面積推廣應用為我國蘋果產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展提供了強大的動力。但同時由于機械采摘帶來的果實機械損傷每年都在增加。以此為依據(jù)，設計了一種采摘機械手，對果實進行模擬采摘，并使用儀器檢測采摘后蘋果硬度和可溶性固形物含量的變化，確定是否造成損傷。結(jié)論表明，該機械手在滿足工作要求的同時，對果實幾乎沒有損傷。

蘋果，采摘機械手，機械損傷，硬度，可溶性固形物

蘋果是我國生產(chǎn)的主要果品之一，2010年蘋果產(chǎn)量占果品總產(chǎn)量的32.73%，居三大果品(蘋果、柑橘、梨)之首。同時我國蘋果種植面積2848萬畝，產(chǎn)量2600萬t，分別占世界蘋果面積、產(chǎn)量的35%以上，規(guī)模居世界第一［1］。機器人采摘在蘋果采摘過程中的大量應用能夠極大地提高采摘效率、節(jié)約成本，但同時水果在采摘過程中容易產(chǎn)生機械損傷，機械損傷也是病源微生物的入侵之門，是導致水果霉爛的最主要的原因。由于在各個作業(yè)環(huán)節(jié)中受載荷后瘀傷、破損，從而導致變質(zhì)腐爛的水果多達30%～40%，每年的損失高達數(shù)百億人民幣［2］。機械手是與果實直接接觸的部分，因此設計一種輕巧易用且對果實損傷小的機械手顯得尤為重要。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅富士蘋果 5顆，要求果實飽滿、大小均勻，無病蟲害和機械損傷。將蘋果編號為1～5號，果實規(guī)格見表1。

普通5倍放大鏡，TMS－PRO食品物性分析儀(質(zhì)構(gòu)儀) 美國食品特性研究開發(fā)機構(gòu) FTC［8］; SupNIR－1000型便攜式近紅外分析儀 北京英賢儀器有限公司。

表1 蘋果規(guī)格

1.2 實驗方法

1.2.1 處理方法 使用自行設計研制的蘋果采摘機械手對1～4號果實進行模擬采摘實驗，5號果實作為未經(jīng)處理的對比項，保持原有狀態(tài)。王學林［3］通過實驗研究，提出了末端執(zhí)行器穩(wěn)固抓取水果的條件公式。

式中:fc－抓持力(N);G'－果蔬的非剛體抓取映射矩陣(行滿秩);mg－水果自重(N);wg=［0 0 1 0 0 0 0］T。

同時給出了對直徑在60～90mm范圍內(nèi)的蘋果，穩(wěn)定夾持力在3～6N范圍內(nèi)，所以在此選取6N為閾值。整個采摘過程為蘋果采摘機械手閉合抓持果實，當安裝在手指內(nèi)側(cè)的力傳感器達到6N時，電機停止轉(zhuǎn)動并保持一段時間，然后電機反轉(zhuǎn)，機械手回到初始位置。

1.2.2 蘋果表面損傷測定 使用5倍放大鏡觀察果實夾持處有無表皮損傷或汁液溢出，如果有損傷，測量面積大小。

1.2.3 果實硬度測量 將蘋果置于質(zhì)構(gòu)儀實驗臺架，蘋果與機械手的接觸面作為測試面，設定好相應參數(shù)后開始運行，探頭與果實接觸后測出果實硬度，多次測量取平均值，連續(xù)測量10d。

1.2.4 果實可溶性固形物檢測 將蘋果置于桌面上，然后將探針放于立架上的固定高度對準蘋果待檢測部位，選用波長范圍為600～1100nm。選取蘋果夾持處多個位置進行5～6次檢測，然后取平均值，連續(xù)測量10d。

2 結(jié)果與分析

2.1 機械采摘對蘋果表面產(chǎn)生的影響

使用5倍放大鏡觀察果實表面的變化情況，表皮損傷情況見表2。

表2 蘋果表皮損傷實驗

我國關于蘋果的國家標準《鮮蘋果》(GB/T 10651－2008)［4］對碰壓傷的規(guī)定見表3，對比表2和表3可以看出唯一產(chǎn)生表皮損傷的蘋果3也在國家二等品蘋果規(guī)定的范圍以內(nèi)。

表3 鮮蘋果質(zhì)量等級要求

2.2 機械采摘對蘋果硬度的影響

同一品種的蘋果硬度略有差異，由于果肉細胞每時每刻都在進行呼吸作用并消耗養(yǎng)分，所以會造成果實硬度緩慢下降。如果果實受到機械損傷，會破壞細胞結(jié)構(gòu)造成果實迅速軟化［5］。從圖1看出，在10d內(nèi)蘋果的硬度都在緩慢下降，蘋果1～4與蘋果5的下降趨勢相同，經(jīng)過機械采摘的蘋果并未表現(xiàn)出快速軟化的現(xiàn)象。

圖1 蘋果硬度的變化曲線

2.3 機械采摘對可溶性固形物的影響

可溶性固形物是指食品中所有溶解于水的化合物的總稱，包括糖、酸、維生素、礦物質(zhì)等?？扇苄怨绦挝锖繉λ诟杏兄艽蟮挠绊?，是評價水果內(nèi)部品質(zhì)的重要指標之一［6］。

如圖2所示，在10d內(nèi)，蘋果可溶性固形物百分比先下降后上升，然后經(jīng)歷了反復升降的過程。這是因為蘋果一直在進行呼吸，呼吸會消耗糖等養(yǎng)分，造成可溶性固形物的百分比下降，同時蘋果其他部位的養(yǎng)分也會向消耗處補充，阻止其繼續(xù)分解［7］。如果果實局部發(fā)生機械損傷，養(yǎng)分會快速流失且加劇消耗，蘋果可溶性固形物百分比會快速下降到一個很低的水平。從實驗結(jié)果看出，1～4號蘋果和5號一樣，都保持了正常的變化規(guī)律。

圖2 蘋果可溶性固形物變化圖

3 結(jié)論

本文針對蘋果機械采摘過程中對果實產(chǎn)生損傷的問題，設計了一種新型采摘機械手。對經(jīng)過機械手采摘的蘋果的重要生理指標進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，該機械手在滿足抓取要求的同時對果實幾乎沒有損傷，值得推廣使用。

［1］翟衡，趙鄭陽，王志強.世界蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析［J］.果樹學報，2005，22(1):44－50.

［2］徐麗明，張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關鍵問題和對策［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2004，20(5):38－42.

［3］王學林.基于力矩外環(huán)的軟物體抓取控制［J］.控制工程，2010，17(2):232－235.

［4］中共和華人民國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 10651－2008 B31［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［5］潘秀娟，屠康.紅富士蘋果采后品質(zhì)變化的破壞與非破壞檢測研究［J］.西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版，2004，32 (9):40－42.

［6］吝凱，王維新.果品的沖擊損傷研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.農(nóng)機化研究，2010(1):233－235.

［7］熊秀芳.紅富士蘋果采摘及貯藏期間抗壓性能與品質(zhì)實驗研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學，2004.

［8］Food Technology Corporatio.TMS－Pro Manual［OL］.(2008－07－1)［2011－05－22］http://www.foodtechcorp.com.

Effect of apple picking manipulator on fruits damage

ZHANG Qi－lin，JI Chang－ying*，GAO Feng，ZHAO Wen－min
(College of Engineering Nanjing Agricultural University/Intelligent Agricultural Equipmental Key Lab of Institution of Higher Learning in Jiangsu Province，Nanjing 210031，China)

China is a big country planting apples.Apple industry developed very fast with widely using of mechanical harvesting.The loss of fruits mechanical damage has increased every year because of the rapid development.In order to solve this problem，a kind of robot hand was designed to pick apples.Instruments were used to discover the change of the apple hardness and soluble solids content.The results indicted that the robot hand could meet the requirements of use and there was little damage on fruits.

apple;picking manipulator;mechanical damage;hardness;soluble solids content

TS255.35

A

1002－0306(2011)12－0404－05

2011－05－25 *通訊聯(lián)系人

張麒麟(1987－)，男，碩士，研究方向:機電一體化。

國家“863”計劃項目(2006AA10Z259)。