基于ISTA测试研究电商包装对莲雾货架品质的影响

莲雾果实皮薄肉脆,采后流通中极易产生机械损伤,严重影响果实货架品质。为了维持莲雾在物流运输中的货架品质,减少机械损伤,该研究基于ISTA 6-AMAZON.COM-SIOC TYPE A(ISTA 6A)测试标准模拟4种常用电商包装方式下（P1：瓦楞纸箱+单层网套、P2：瓦楞纸箱+双层网套、P3：瓦楞纸箱+发泡聚乙烯（expanded polyethylene,EPE）内衬和P4：泡沫箱+双层网套）莲雾果实的运输情况,并分析模拟测试后莲雾货架期（15℃,8 d）品质变化规律。结果表明,当外包装相同,缓冲形式不同时,双层网套（P2）组莲雾果实呼吸强度变化最为平缓,果皮亮度值为最低值32.86,果肉褐变指数（browning index,BI）与单层网套和EPE内衬相比上升了62.35%,其上升速率最慢,丙二醛含量（malondialdehyde,MDA）、过氧化物酶（peroxidase,POD）活性和多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）活性始终处于较低水平,货架品质显著好于单层网套（P1）和EPE内衬（P3）(P<0.05),原因在于单层网套的缓冲保护作用较...     

水果综合分选机称重模块的设计与实现

为满足水果外观品质和质量综合分选的实际需要,设计了水果机器视觉质量综合分选机的称重模块。通过受力分析得出了水果质量的理论计算公式,给出了水果同步称重过程的实现方法。通过对质量不同的苹果进行实测标定,得出了等效质量 与其A/D转换值之间的关系式,并进行了试验验证。试验结果表明,所设计的称重模块可以与水果机器视觉分选机配合,对水果进行外观品质和质量的检测,称重精度约为2%。     

宽皮柑橘贮藏用薄膜包装机的设计与试验

宽皮柑橘在入库贮藏前需要用薄膜袋包装以延长货架期,为了代替人工操作实现自动包装,该研究打破传统的套袋包装模式,采用上、下双层膜,结合热封切机构,设计了一种新型的四边封口制袋包装机。该机主要由双排进料装置、送膜装置、封切升降装置、组合封切装置组成。利用封合后的前膜带动后膜的方式送膜,避免了薄膜撕裂;采用半球形结构承载宽皮柑橘,可实现多排多列果实的连续制袋包装;通过ADAMS软件对以曲柄滑块机构为主体的升降装置进行运动学分析,配合内置弹簧刀架中弹簧的压缩与放松,在升降装置不停止的情况下,研究电机转速与热封时间的关系,确定电机转速为20 r/min。以温州蜜柑为对象进行试验,结果表明：宽皮柑橘薄膜包装机的包装率为98.6%,优质率为93.3%,包装效率为97.6个/min,实现了贮藏用果实的自动套袋包装。研究结果可为宽皮柑橘贮藏用薄膜包装机的研制与优化提供参考。     

苹果外部缺陷全表面在线检测分选装置研发

中国是水果消费大国,但在水果产后检测装备方面相对滞后。针对目前在线检测装置无法采集苹果全表面图像信息且无法精确计算缺陷面积的问题,该研究以表面缺陷面积的快速检测为主要目标,提出苹果全表面图像合成算法,设计了一套苹果外部品质在线检测及分级装置。该研究以苹果为例,基于球模型提出苹果全表面图像合成算法、缺陷面积校正算法精确计算苹果的表面缺陷面积。通过试验验证,对苹果表面图像进行分割合成后,整体的图像的漏检率为0。提出缺陷面积校正算法,可以计算图像中位于任意位置的苹果缺陷真实面积,选取了120个样本进行验证,其中擦伤样本、碰伤样本、痘斑病样本、表面腐败样本各30个。4种表面损伤面积的预测值和真实值的决定系数R²均在0.97以上,均方根误差(Root Mean Squared Error, RMSE)在4 mm²以下。在偏角试验中,4种表面损伤面积的预测值和真实值的决定系数R²均在0.974 2以上,RMSE在6.304 4 mm²以下。装置检测苹果的速度为2个/s,评级准确率为95%。研究结果表明,检测与苹...     

果蔬平衡调湿包装设计及试验验证

为了探究果蔬多孔膜包装内水分的传递规律,优化并控制包装内的适宜相对湿度条件,降低果蔬失水及袋内凝水对果蔬采后品质的影响,该文对果蔬冷藏期间的蒸腾及包装内水蒸气向膜外扩散的过程进行了分析,并根据Fick扩散模型对多孔膜平衡调湿包装进行设计计算,确定开孔面积与袋内相对湿度的关系,利用计算结果将开孔面积调节到一定范围,能够使包装内形成一个平衡的、且适合于果蔬保鲜需要的最佳相对湿度条件,既可避免包装袋透湿性过小导致凝水现象,又可防止透湿性过大造成的产品失水严重影响品质的问题,从而更好地保持产品品质。以250 g包装的双孢菇在2℃、80%相对湿度条件下贮藏对平衡调湿包装进行了试验验证,结果表明,适宜的开孔(11个直径2 mm的孔,孔的总面积约34.6 mm2)能够避免凝水的生成,且产品在贮藏10 d后的失重率为4.9%±0.2%,较好地保持产品的贮藏品质,保鲜期可达13 d,试验数据与模型预测值具有较高的吻合度,研究结果为采后果蔬平衡调湿包装的设计及实际应用提供了参考。     

果蔬微孔膜气调包装模型与试验验证

建立微孔膜气调包装的理论模型是保证气调包装质量、进行微孔膜气调包装系统设计的关键。基于孔径与分子平均自由程的关系,应用Fick扩散定理,结合果蔬呼吸速率模型,建立微孔膜果蔬气调包装内外气体交换的数学模型。以香菇为对象,利用密闭系统法确定其呼吸速率;采用硬质罐加PE膜封合包装香菇并在25℃、50%RH下储藏50 h以上,测定不同初始气体组分、微孔孔数与孔径条件下包装内气体浓度变化,对香菇微孔膜气调包装模型进行试验验证。结果表明,模型预测值与试验数据吻合度较高,所建模型能较准确地预测香菇微孔膜气调包装内外气体交换过程。     

欠驱动关节型柑橘采摘末端执行器设计与试验

末端执行器是水果采摘机器人的核心部件，由于目前水果采摘对象种类繁多，结构及参数固定的采摘末端执行器无法适应多场合采摘作业需求。该研究设计了一种欠驱动关节型采摘末端执行器，模拟人手包络采摘动作，并以柑橘为对象模拟球型果实对末端执行器进行结构设计。为改善此类末端执行器重复设计情况，并提升采摘适用性，提出一种基于改进遗传算法的参数化设计方法。运用 Microsoft Visual Studio 2012开发平台设计参数化界面，采用改进遗传算法结合NX的二次开发模块 NXOpen对末端执行器进行结构参数优化，并基于Adams对优化后的采摘末端执行器进行动力学仿真分析，验证了优化后的末端执行器采摘范围较优化前提升了29.1%。制作物理样机并分别进行室内与果园柑橘采摘试验，果径68～106 mm的柑橘采摘成功率达到92.9%，平均采摘单个柑橘用时7.3 s。所设计的末端执行器针能够针对不同果径的球形果实时做出快速变形反应，适合苹果、梨等不同种类球型果实采摘作业。采用遗传算法应用至优化机构工作参数，提高了机构设计的准确性与适用性。     

基于图像特征融合的苹果在线分级方法

苹果在线分级是提升苹果商品化价值的重要环节,需要同时满足分级准确度和速度要求。为进一步提高苹果在线分级效率,该文借助机器视觉技术动态采集苹果传输过程中的实时图像,提出改进的三层Canny边缘检测算法来提取苹果轮廓以克服采集图像中的光线噪声影响,通过分析苹果分级指标,采用判别树对苹果的果径、缺陷面积、色泽等特征进行初步分级判断,并采用粒子群参数优化的支持向量机对果形、果面纹理、颜色分布等特征进行模型构建与分级,最后,通过将两种分级判断结果进行决策融合来实现样本精确分级。同时,采取图像压缩和特征降维方法提高实时性。试验结果表明,基于图像特征决策融合的苹果分级准确率可达到95%,平均分级速率可达到4个/s。研究结果为水果的在线分级提供参考。     

苹果内部品质自动化无损检测系统的原理与实现

介绍了一个苹果内部品质自动检测系统的原理性样机，该样机在计算机控制下基于介电特性实现苹果品质检测。待检测苹果的介电参数通过两只电容传感器和LCR(电感-电容-电阻)测量仪进行采样并输入样机内的控制计算机。选择等效电容(介电参数之一)作为苹果等级分类变量。对于一批待检测的苹果，其最佳分类阈值可通过对抽选出的合格和等外样本的在线学习获得。试验结果表明，该样机可获得良好的分类效果。在待检苹果直径为7.0 cm～8.5 cm，坏损部分的直径大于2 cm，电容传感器工作频率为1 kHz时，以学习得到的最佳分类阈值进行分类，分级正确率大于80%，分级效率达到2.5 s分选一个苹果，接近人工分选效率。     

“嘎拉”苹果跌落损伤脆值及损伤边界研究(英)

对于果实产品,通常其作业、运输过程中的主要机械破坏形式为跌落冲击引起的产品局部损伤,而非直接发生破裂.作为传统跌落冲击脆值与破损边界理论的延伸,提出了跌落损伤脆值与跌落损伤边界的新概念以及相应的工程定义.考虑到传统产品脆值与破损边界曲线试验方法的局限性,提出了测定获取果实跌落冲击损伤脆值与跌落损伤边界曲线的技术过程与方法.以嘎拉苹果为研究对象,设计多组不同高度对嘎拉苹果进行自由跌落刚性冲击试验.在测试获得冲击力一时间数据的基础上,通过理论分析计算,得到加速度一时间、变形量一时间等动态关系曲线,获得了嘎拉苹果跌落损伤脆值;构造了嘎拉苹果跌落损伤边界曲线.结果表明,跌落损伤边界曲线与传统产品跌落破损边界曲线存在较大差异.对应果实产品,即使速度很小,只要产品瞬时加速度达到一定值,也将产生冲击损伤:对应不同的损伤率,构造了相应多条损伤边界曲线.提出的概念及研究结果为控制果实类产品的跌落损伤、合理地进行缓冲包装设计提供了新的理论基础.     

宽皮柑橘对辊式剥皮机的设计与试验

为改善目前宽皮柑橘加工业中以手工去皮为主的现状,提高柑橘剥皮效率,该文根据宽皮柑橘果皮包着宽松,易与果肉分离等特点,设计了一种可以实现快速去皮的宽皮柑橘对辊式剥皮机。柑橘进入设备后,在刮板的带动下翻转向前运动,运动过程中不同形式且相向转动的剥皮辊夹持并撕扯翻起的果皮,从而将果皮从柑橘上整体剥离。该样机主要由机架、传动装置、对辊装置、拨动装置和下料装置等部件组成,具有结构紧凑,果皮分离能力强等特点。试验结果表明:样机可以很好地完成剥皮功能,宽皮柑橘果皮去净率高于97.5%,果肉损伤率低于2.68%,生产率达到202.5 kg/h,基本满足生产需求。该研究可为中国柑橘加工业中自动去皮设备研制和发展提供参考。     

基于机器视觉的苹果最大横切面直径分级方法

针对中国苹果产后分选率和分选精度均较低而影响其商品价值等现状,在GB/T10651-2008《鲜苹果》颁布的背景下,设计了一套基于机器视觉技术的苹果分选系统。针对红富士苹果,采用了一种利用RGB颜色模型R-B通道进行阈值分割和均值滤波后,通过行扫描提取出轮廓的方法。提出了2种对苹果进行大小分级的理论模型:一种以苹果轮廓线上两点之间的最大距离作为分级标准;另一种以苹果最大横切面直径作为分级标准,其中苹果最大横切面直径通过曲线拟合得出。利用VC6.0软件编程实现了上述2种分级模型的算法。通过40个苹果6次在线分级试验表明,模型一分级正确率为93.3%,模型二分级正确率为87.1%,双通道分级效率最高可达12个/s,达到了苹果在线分选商品化应用的基本要求,为近球形果蔬参照行业分级标准进行大小自动化分选提供参考。     

模拟物流运输条件下不同内包装对甜樱桃品质的影响

甜樱桃果实上市集中且不耐贮运,为延长甜樱桃的货架期和储运时间,以新型材料—纳米包装箱为外包装,观察了不同内包装对模拟物流运输条件下甜樱桃对机械损伤的抗性。结果表明,72 h的运储对各处理甜樱桃的可溶性固形物无影响,纳米箱+内包装PE保鲜膜处理在36 h的运储期果实无腐烂,果梗干枯指数比对照纳米箱无内包装处理低74.39%,可有效抗机械损伤且保鲜效果好。长距离运输时(72 h)纳米箱+内包装果实套袋处理抗机械损伤效果最好,其腐烂率为对照纳米箱无内包装处理的55.80%,但纳米箱+内包装果实套袋处理在装箱时应注意剔除腐烂果及裂果。     

无芯卷膜式残膜打包装置设计与试验

针对残膜打包装置工作中存在残膜包密度不合适、打包室空间不合理、结构复杂、残膜成包率低等问题,该研究设计了一种无芯卷膜式残膜打包装置,利用V字形布置的前后打包带代替辊筒构成打包室,结构简单,解决了辊筒缠膜的问题。建立了机具完成一行作业时打包装置生成的残膜包直径与农田每行长度的理论模型,并进行田间验证试验,结果表明合理的打包室空间应满足完成一行作业时打包装置生成的最小残膜包直径大于0.45 m。通过分析打包室内残膜包成型过程和运动过程,设计以残膜包密度和成包率为指标,打包前角、打包带表面状态和打包带线速度为因素的正交试验,试验结果表明：机具较优作业参数组合为打包前角35°,打包带表面状态为粗糙面,打包带线速度1.167 m/s。利用较优参数组合进行田间验证试验,残膜成包率为100%,残膜包密度平均值为121.137 kg/m3,满足设计要求,该研究结果可为残膜打包装置的设计与研究提供参考。     

苹果采摘机器人柔顺抓取的参数自整定阻抗控制

为了实现苹果机器采摘过程中的柔顺抓取以减小果实损伤,该文在对苹果抓取过程的力学特性变化规律分析的基础上,提出了苹果采摘机器人柔顺抓取的参数自整定阻抗控制方法。首先,利用Burgers黏弹性模型表征苹果的流变特性,将抓取过程分为匀速加载、夹持减速、应力松弛3个阶段,在此基础上求解获得苹果形变量随时间的变化规律和果实接触力与变形量的变化关系。然后,求解出所设计的基于力的阻抗控制系统的期望输入以及抓取环境接触力模型。最后,针对阻抗控制器参数对接触力的影响,构造阻抗参数自整定变化函数,完成改进阻抗控制系统设计。仿真及试验结果表明:依据果实抓取模型及变形规律求解期望位置的方式来模拟末端执行器对苹果的抓取过程是可行的,所建立的抓取环境接触力模型在一定程度上能够避免将环境模型简化为一阶模型而产生的误差。改进阻抗控制得到的期望抓取力更加平顺,其超调量约为2.3%,接触力调节时间减小到0.48 s,接触力的超调量约为2%,较未改进阻抗控制的接触力超调量减小了37.5%。研究结果可为苹果采摘机器人的柔顺控制方法提供参考。     

机器人采摘苹果果实的K-means和GA-RBF-LMS神经网络识别

为进一步提升苹果果实的识别精度和速度,从而提高苹果采摘机器人的采摘效率。提出一种基于K-means聚类分割和基于遗传算法(genetic algorithm,GA)、最小均方差算法(least mean square,LMS)优化的径向基(radial basis function,RBF)神经网络相结合的苹果识别方法。首先将采集到的苹果图像在Lab颜色空间下利用K-means聚类算法对其进行分割,分别提取分割图像的RGB、HSI颜色特征分量和圆方差、致密度、周长平方面积比、Hu不变矩形状特征分量。将提取的16个特征作为神经网络的输入,对RBF神经网络进行训练,以得到苹果果实的识别模型。针对RBF神经网络学习率低、过拟合等不足,引入遗传算法对RBF隐层神经元个数和连接权值进行优化,采取二者混合编码同时进化的优化方式,最后再利用LMS对连接权值进一步学习,建立新的神经网络优化模型(GA-RBF-LMS),以提高神经网络的运行效率和识别精度。为了获得更精确的网络模型,在训练过程中,苹果果实连同树枝、树叶一块训练;得到的模型在识别过程中,可一定程度上避免枝叶遮挡对果实识别的影响。为了更好地验证新方法,分别与传统的BP(back propagation)和RBF神经网络、GA-RBF优化模型比较,结果表明,该文算法对于遮挡、重叠果实的识别率达95.38%、96.17%,总体识别率达96.95%;从训练时间看,该文算法虽耗时较长,用150个样本进行训练平均耗时4.412 s,但训练成功率可达100%,且节省了人工尝试构造网络结构造成的时间浪费;从识别时间看,该文算法识别179个苹果的时间为1.75 s。可见GA-RBF-LMS网络模型在运行效率和识别精度较优。研究结果为苹果采摘机器人快速、精准识别果实提供参考。     

苹果采摘机器人关键技术研究现状与发展趋势

目前国内苹果基本采用人工采摘方式,随着劳动力资源短缺以及机械自动化技术的迅速发展,利用机器人采摘替代人工作业成为必然趋势,开发苹果采摘机器人用于果园收获作业具有重要意义。由于苹果采摘作业环境复杂,严重制约了采摘自动化的发展。目标识别、定位与果实分离是苹果采摘机器人的关键技术,其性能决定了苹果采摘的效率及质量。该文概述了具有市场化前景的苹果采摘机器人发展和应用现状,综述了在复杂自然环境光照变化、枝叶遮挡、果实重叠、夜间环境下以及同色系苹果的识别方法,介绍了多种场景并存的复杂环境下基于深度学习的苹果识别算法,遮挡、重叠及振荡果实的定位方法,并对采用末端执行器实现果实与果树的分离方法进行了分析。针对现阶段苹果采摘机器人采摘速度低、成功率低、果实损伤、成本高等问题,指出今后苹果采摘机器人商业化发展亟需在农机农艺结合、优化识别算法、多传感器融合、多臂合作、人机协作、扩展设备通用性、融合5G与物联网技术等方面开拓创新。     

禽蛋聚氯乙烯弹性薄壁包装盒的设计与力学特性试验

为了降低禽蛋运输破损率,优化禽蛋包装结构,该文分析了中国禽蛋运输包装与分级现状,应用力学理论设计新型聚氯乙烯(PVC,polyvinyl chloride),弹性薄壁禽蛋包装盒,利用质构仪测试比较当前流通蛋盒和新设计蛋盒空载和满载时的力学特性,分析包装在运输中禽蛋破损率随装载数量、载荷、位移和加载时间等影响因素的变化规律,检验包装盒对禽蛋的保护性能,测试包装盒的保护效果,然后对产品进行成本分析。结果表明:1)设计盒侧壁结构,当前流通PVC包装盒承受载荷为80~100 N,新型PVC包装盒承受载荷分别为90~130 N,新结构抗压能力增强;2)装载鸡蛋数量越多,整体抗载能力增强,满盒时抗载能力最大;3)与当前流通中同类型PVC包装盒比较,使用新PVC结构包装盒,禽蛋运输破损率降低了0.72%。该文通过包装盒的理论分析、试验验证,获得较佳禽蛋包装盒结构形式,通过成本比较,表明禽蛋新包装可以降低禽蛋破损率,减少成本。研究结果为禽蛋缓冲包装探索,无损运输包装设计机理打下理论基础,为蛋品包装提供了设计方法和试验途径。     

苹果树栽植机幼苗夹持装置改进与试验

为了解决现行矮砧密植栽培模式下苹果树幼苗栽植过程所存在的人工栽植效率低、树苗直立度不理想、夹持皮带滑移导致株距变异系数高等问题,该研究以农机农艺融合技术为指导,研制了两点夹持式苹果树幼苗栽植机。该机具在现有连续开沟定距栽植机的基础上,对树苗实施上、下两点夹持,克服了原来一点夹持使得高株苗木相对地面初始角度难以保证的问题,以提高栽植后的直立度;对夹持输送形式进行改进,采用2条同步带代替原来V型带夹持输送苹树苗木以降低滑移率和株距变异系数;对动力匹配进行优化,加装限深轮提高栽植深度稳定性。根据不同品种苹果苗木栽植要求,开沟深度及宽度可调,栽植株距也可按需调节。田间试验表明:栽植后的苹果苗木直立度合格率由原来的90.63%提高至97.14%,平均栽植深度合格率由91.43%提升为93.33%,平均栽植株距变异系数由原来的5.03%降为3.74%,栽植效率由11.89株/min提升到12.26株/min,是人工栽植的37倍。对比现有机具,该研究改进机具的各项性能指标得到改善提升,为后续苹果生产全程机械化打下坚实的基础。     

摇枝式油茶果采摘装置作业过程分析与试验

为了解决油茶果机械化采摘漏采率高、损伤率大和耗能过大的问题,针对摇枝式油茶果采摘装置,该文通过对油茶果振动脱落过程的分析,建立油茶果振动脱落模型并求解,得出影响油茶果脱落的主要因素为作用在枝条上的外力的振幅、频率、作用时间以和夹持位置,并通过预试验和正交试验得到摇枝式油茶果采摘装置的作业参数范围及漏采率最低情况下的作业参数组合。利用高速摄像对油茶果振动脱落过程进行记录,然后回放录像并分析,以油茶果脱落时间作为评价指标,得出采摘效率较高的振动频率、振幅范围为6～10 Hz和20～40 mm,根据平均落果时间范围确定采摘装置的振动作用时间约为4～12 s。根据油茶果在树上的主要分布范围(距离树冠表层260 mm左右),设计四因素三水平正交油茶果采摘试验,得出漏采率最低的作业参数组合为振动夹持位置在距离树梢末端260 mm以内、振动频率10 Hz、振幅20 mm、振动时间8 s,此时油茶果的漏采率为10.87%,花苞损伤率为31.80%。机械夹持方式和铁质的夹持材料对花苞损伤较大,需进一步优化采摘装置作业参数,优化夹持方式和采用柔软的夹持材料,实现油茶果的机械采摘。