番茄果实的物理和机械性能与采摘机器人的关系.doc

食品工程杂志103 (2011) 170–178内容列表在期刊食品工程杂志中杂志主页： Li, Pingping Li, Jizhan Liu江苏大学农业工程研究所，212013，中国镇江文章信息文章历史：被收入于2010年5月25日收入修订后的表格于2010年9月14日被公认于2010年10月7日可阅2010年10月25日关键词：西红柿腔室数目物理性质机械性能采摘机器人摘要为了更好的设计，制造和控制番茄采摘机器人，选择的物理性质，如高度，直径，球形，表面积，体积，总质量，果皮和胶状物质的质量，容积密度，果皮和胶状物质的密度，孔隙度，投影面积，形状因子和两个品种番茄果实不同腔室数的曲率半径，主要通过图像分析和水平面位移法研究机械性能，如静摩擦和滚动摩擦系数，和断裂能量，断裂力，压缩性，番茄果实在两个装载位置和装载坡拉是由载荷试验确定结果表明，腔室数目有一定的物理力学参数，如高度，直径，表面积，断裂力，压缩性，摩擦系数的一个重要作用（P <0.05）装入位置，也表现出一定的机械参数，如可压缩性，一个重要的作用（P <0.05）所获得的属性密切相关机器人的采摘由Elsevier公司出版的版权2010保留所有权利。

介绍据以统计数据库，自1995年，中国已成为世界上最大的番茄生产商约33.8万吨西红柿产于2008年而中国占约四分之一的世界总生产，其次是美国和土耳其（粮农组织统计，2010年）在中国，新鲜的市场西红柿被人类仔细的采摘下来由于采摘季节很短，，采摘工作主要集中在短短的时间内，劳工短缺往往限制了种植面积为了节省劳工，自20世纪80年代以来，一些研究人员一直在研究和发展番茄采摘机器人（蒙塔等人，在1998年;高桥等人，在2001年；谷涛等人，在2003年;凌等人，在2005年;近藤等人，在2007年; 李等人，在2008年）在机械采摘中有一个主要的问题就是对果实的机械损伤Haciseferogullari等人，在2007年谷垣祯等人，在2008年）20世纪90年代以来，为了减少机械损伤，正确设计和控制设备，研究番茄果实的物理和机械特性已进行过去的研究可归纳为三个方面一个是整个番茄果实的物理和机械性能 / （维斯瓦纳坦等人，在1997年; Jahns等人，在2001年;阿罗拉和库马尔，在2005年；Thiagu等人，在2006年；Varshney等人，在2007年）另一种是不同的番茄组件的物理和微观机械性能，如单番茄细胞，外果皮和中果皮。

Blewett等人，在2000年；Allende等人，在2004年；Wang等人，在2004、2006年；Matas等人，在2004、2005年；Gloria等人，在2007年；Gladyszewska 和Giupak，在2009年）还有一种是机械性能和番茄损伤之间的关系Desmet等人，在2002年；Devaux等人，在2005年；Linden等人，在2006年；Zeebroeck等人，在2007年；Li等人，在2010年）在整个水果压缩和微观的压缩成熟的各个阶段的变形测试，已经获得机械性能，包括破裂和穿透力，在破裂和渗透时的变形，硬度，弹性系数和整个番茄果实和不同品种及其部件的泊松比模量已经获得的物理性质，主要包括密度，颜色，形状，体积，质量和番茄的孔隙度所有的属性对水果的收割，运输，清洗，包装，储存，加工等设备设计都是必要的Kabas等人，在2006年; Kilickan 和Guner，在2008年）由于不同的番茄具有不同腔室的数目而且一个特定的番茄材质是不均匀的，内部结构特点在机械采摘期间对力学性能和番茄果实的损伤有重要的影响Li等人，2009，2010B）然而，没有多少人知道物理性质，如球形，质量和密度果皮胶状物质，在番茄果实的初始破裂半径曲率，形状因子和投影面积的力学性能，如静摩擦和滚动摩擦系数，可压缩性，破裂的能量，断裂力，从不同的位置装入都与机器人的采摘有关。

因此，在上述研究和采摘机器人的设计和参数控制的需要，在物理力学和机械特性中还有一个很大的知识缺口备注： 作者通讯方式：/：+86 511 88780010E-mail地址：lizhiguo0821@，lipingping@（P.李）0260-8774元/ - 看到前面的问题由Elsevier公司出版的版权2010保留所有权利DOI：10.1016/j.jfoodeng.2010.10.0132.材料和方法 2.1.材料     实验在2010年4月在江苏大学农业工程研究所现代农业装备和技术重点实验室中进行的用于这项研究的番茄品种为Fenguan906 andJinguang28Fenguan906番茄果实主要有3-4腔室，而Jinguang28番茄果实主要有5-6腔室番茄是在成熟阶段从扬州市蔬菜研究所根据美国农业部标准（美国农业部，1991）被手工收割的随后，这些水果运到实验室，水果的表面被手动清洗，在室温（20±1℃：63-65％RH）环境下24小时内完成测试所有的物理和力学参数已经进行了50种水果的品种与结构的研究2.2 方法    番茄果实的物理和力学性能确定有以下六个步骤2.2.1 种群和重量    首先，西红柿分成四组，进行了排序和标记。

即，Fenguan906西红柿：三腔室的为1-50号，四腔室的为51-100号；Jinguang28西红柿：五腔室的为1-50号，六腔室的为51-100号然后用精度为0.01 g的电子天平去测量中等大小的番茄的质量 2.2.2 静摩擦和滑动摩擦系数的测定    三种材料，即307不锈钢（1），涂漆不锈钢（2）和橡胶（3）用于本试验中，测试确定番茄在这些材料表面的静摩擦和滑动摩擦系数摩擦系数测定通过电动卧式单柱试验台（型号AEL，阿里仪器有限公司，镇江，中国），如图 1A首先，材料板（90*200毫米）与试验台用螺栓固定，水果样品被放在材料的表面，胶带粘贴在水果的中间并通过绳子与是连接到HF-50数字推拉力计测量钩相连（范围：0-50牛，灵敏度：0.01 牛）随后，通过控制面板将推拉计的水平移动速度设置为1.5毫米没标静态摩擦和滑动摩擦系数用以下方程（Coskuner和Karababa，2007年；Altuntas和Sekeroglu，2008年）： （1） （2）µs是静态摩擦系数，Fmax是静摩擦力的最大的值，即相当于番茄开始运动时的水平拉力µd是滑动摩擦系数，Fd是滑动摩擦力，相当于番茄在移动时的平均水平拉力，而Fn是接触面受到的力，等于番茄果实的重量。

2.2.3 滑动摩擦系数的测定    从图 1b中可以看出，斜坡表面的角度可以由垂直运动的数字推拉计不断发生改变，由垂直运动推数字番茄样品放在图中所示的位置;斜坡果肩与纵向相切而果轴垂直于斜坡斜坡跟随者推拉计上升而上升番茄开始运动时的角θ的由量角器记录下来而滚动摩擦系数µd可以切线角θ计算出来这些确定摩擦和滚动阻力系数方法已被一些研究人员使用过了Alayunt和Cakmak，1998年; Kabas和Ozmerzi2008年）2.2.4 几何形态特性的测定    在确定的摩擦和滑动阻力系数后，将番茄放入XYZ坐标系（图2a） 番茄的图像用数码相机（佳能IXUS 95IS）有代表性地分别在每个样品的中心在垂直XOY，XOZ，YOZ平面距离40毫米的位置拍摄同时，准确的改变版本之间的像素和厘米单位划定一个直径为50毫米标准的圆的 随后拍摄的图像传送到电脑，由图像分析程序进行处理，程序为Matlab R2007a中的预编程得到一些物理参数，如番茄在XOY，XOZ，YOZ平面的投影面积PA和形状因子SF，高度H，直径1，直径2，最大半径曲径半径、最小半径的曲径半径和番茄中间的A，B，C，D的点（图.2b这方法已成功地由几个研究人员应用于其它水果（Jahns等人，2001。

Khoshnam等人，2007） 计算几何平均直径D，算术平均直径D，球度和表面积S使用以下公式（Karababa，2006年，Goyal等人，2007年）：（3）（4）（5）（6）2.2.5 密度和孔隙度的测定    密度ρ是材料的质量为m与总体积V的比例，孔隙度e是在材料内部空隙的体积分数或空气空间果皮的数量和每个番茄样品的凝胶状物质由电子天平测定每个番茄样品的体积和其成分：果皮Vp和局部凝胶状物质是通过使用水中位移法确定的番茄果实的体积密度ρb、果皮密度ρp、凝胶部分密度ρg由Eq计算出来 （7）孔隙度e的由Eq计算出来（8）（Owolarafe等人，在2007年; Mpotokwane等人，在2008年7）（8）  其中m是物质的质量，M是番茄果实的总质量，V是水果的总体积，Vp是的果皮体积，ρp是 果皮密度，ρg的胶状物质部分密度2.2.6 机械性能的测定      为了确定番茄果实的机械性能与番茄的品种，腔室数目和装入位置，对番茄果实压缩实验采用质地分析仪TA-TX2（纹理技术公司，纽约，美国）进行测试分析仪在第一次测试前用一个5公斤的重物校准它配备了直径40毫米的感光探头测试。

设备设置如下：1.5毫米每秒的速度测试（准静态加载）;距离，进入到番茄10毫米测试点在番茄的腰部（1）横墙组织CW和（2）的凝胶组织L时，如图 2B1-B4位置1对应于两个相邻的果肩之间的凹谷，位置2对应于一个果肩的中间 番茄样本被放置在底板上，且被平行移动的探头按住直到果实破裂，同时力-形变之间的曲线实时记录这样诸如番茄破裂时的能量和力，番茄的可压缩性、负载斜坡等机械性能就能够从记录的曲线中提取出来采用SAA9.1软件，在统计学意义上对结果进行方差分析，可以得出a = 0.053 结果与讨论    3.1 物理性质在表1中呈现了两个番茄品种的物理性质，统计分析表明腔室数目对高度，直径，算术平均数直径，几何平均直径，球形的表面积有着显着影响（P <0.05），但它对没有成交量、孔隙度、总质量和容重并没有显着影响从品种Fenhong906的平均高度，直径，算术平均数直径，几何平均直径，球形表面积等数据比从Jinguan28测得的相关数据要更低些3.1.1 结构和几何性质    两个番茄品种的高度范围内的变化5.72-6.47厘米两个番茄品种的直径变化范围内6.98-7.53厘米的范围内算术和几何平均数两个番茄品种的直径介于6.59至7.15厘米分别为6.56至7.13厘米。

两个番茄品种的表面面积、体积、总质量分别为从136.77、161.18平方厘米，140.55至176.24 立方厘米和143.47至162.87克，两个番茄品种的投影面积不同，分别为32.95至42.88厘米和34.48至43.59厘米，三腔和四腔的Fenguan906番茄的果皮和凝胶成分被发现分别是127.71-31.94克，109.24-25.38克，五腔和六腔的Jinguan28番茄的果皮和凝胶成分被发现分别是114.81-28.66 g和126.74-36.13g，三腔和四腔的Fenguan906番茄的果皮和凝胶成分密度分别1.05–0.96克/立方厘米，1.09–1.04克/立方厘米，五腔和六腔的Jinguan 28番茄的果皮和凝胶成分密度分别为1.01-0.99克/立方厘米，0.95-1.07克/。