劉 浩, 楊 望,2, 楊 堅,2, 李 楊, 王錦濤

(1.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004;2.廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室，南寧 530004)

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人的木薯塊根拔起過程自適應(yīng)調(diào)節(jié)機理的試驗研究

劉 浩1, 楊 望1,2, 楊 堅1,2, 李 楊1, 王錦濤1

(1.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004;2.廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室，南寧 530004)

為了探明經(jīng)驗豐富薯農(nóng)塊根拔起過程的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機理，采用田間物理試驗(高速攝像、塊根拔起過程測定)和問詢調(diào)查相結(jié)合的方法，對有經(jīng)驗薯農(nóng)的木薯塊根拔起過程進行了試驗研究，從而為木薯收獲機械拔起控制系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。結(jié)果表明：對于不同土質(zhì)和塊根生長的情況，薯農(nóng)木薯塊根拔起自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程不同。薯農(nóng)依據(jù)自身經(jīng)驗，先通過試探感知拔起難度，后確定和修正塊根拔起方式，進行塊根拔起過程控制。對于土質(zhì)硬度小和塊根長度短、生長深度淺的情況，試探階段結(jié)束后，將塊根拔起速度控制在一個適當(dāng)?shù)乃剑褖K根直接拔出。對于土質(zhì)硬度較大或塊根長度較長、生長較深的情況，試探階段結(jié)束后，先進行抖動拔起，后對拔起速度進行修正，停止抖動操作，把拔起速度維持在一個適當(dāng)水平拔出塊根。對于土質(zhì)硬度大或塊根長度長、生長深的情況，試探階段結(jié)束后，先進行抖動松土，使土壤破裂和破壞土壤與塊根的粘附力，以減小土壤阻力和拔起難度，后修正拔起方式，加大抖動速度，把塊根拔出。本文為木薯收獲機械拔起速度控制系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

木薯塊根；拔起過程；高速攝像；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；機理

0 引言

采用挖掘松土-拔起分離和直接拔起(土壤較松時)的方式進行木薯塊根機械收獲，其功耗小、損失少[1-2]。相關(guān)的研究表明：土壤性質(zhì)和每棵木薯的塊根生長情況相同時，采用較優(yōu)的塊根拔起速度模型進行塊根拔起收獲能達(dá)到減少收獲損失和提高收獲效率的目的，但實際上在種植木薯的田塊中，不同位置的土壤軟硬程度不一，塊根的生長情況也有差別[3-5]，使得在同一田塊中采用某一較優(yōu)的塊根拔起速度模型進行塊根拔起收獲時，難以同時達(dá)到減少收獲損失和提高收獲效率的目的[6-7]。因此，如何使塊根拔起機構(gòu)具備良好的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能成為了能同時減少收獲損失和提高效率的關(guān)鍵。試驗表明：人長期形成的收獲經(jīng)驗對減少收獲損失和提高收獲效率有重要的作用，有經(jīng)驗的薯農(nóng)具有良好的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能[8]，木薯塊根收獲機械拔起機構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的形成可以模擬人的調(diào)節(jié)過程進行，但目前人拔起塊根的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能形成機理未見有報道。因此，本文采用田間物理試驗(高速攝像、塊根拔起過程測定)和問詢調(diào)查相結(jié)合的方法，對有經(jīng)驗薯農(nóng)的木薯塊根拔起過程進行研究，探明其拔起塊根的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能形成機理，為新型木薯收獲機拔起控制系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗方法及設(shè)備

1.1 試驗方法

為了獲得較好的人的塊根拔起自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律，探明其塊根拔起的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能形成機理，減少試驗時間，本文隨機選取5名有豐富木薯塊根收獲經(jīng)驗的薯農(nóng)，且每個薯農(nóng)隨機選取10棵木薯進行拔起試驗。拔起試驗時，通過高速攝像、拔起力測量和薯農(nóng)的塊根拔起控制過程問詢，獲取塊根拔起過程中薯農(nóng)身體各關(guān)節(jié)點的變化(位移、速度)和塊根拔起力的變化及薯農(nóng)的自我控制概況。

本試驗使用的高速攝像儀器為黑白高速相機，對白色背景黑色標(biāo)記點較敏感。因此，為保證標(biāo)記點的清晰，試驗對象身穿白色緊身衣，在軀干及拔起力測定裝置上貼若干追蹤點，如圖1所示。同時，為更好地研究木薯拔起過程中薯農(nóng)動作的變化過程，部分拍攝樣本采用側(cè)面拍攝。正面拍攝的追蹤點位置分別在左肩、右肩、胸、左肘、右肘、左腕、右腕、左膝、右膝和拔起裝置上，而側(cè)面拍攝的追蹤點位置分別在肩、肘、腕、髖、膝和拔起裝置上，如圖1所示。

(a) 正面 (b) 側(cè)面圖1 正面及側(cè)面追蹤點示意圖Fig.1 Front and side tracking point diagram

1.2 試驗設(shè)備及場地

使用的主要儀器設(shè)備:HotShote1024型高速攝像機(日本NAC公司，選用拍攝幀速率為250幀/s，圖像分辨率為500×760)、筆記本電腦、UPS電源和DH5937動態(tài)測試儀(江蘇東華測試技術(shù)有限公司，選用采樣頻率為50 Hz)及自制拔起力測定裝置。攝像機位于被測對象的正前方，主光軸垂直于拔起運動所在的平面，鏡頭離地高度為0.96m，拍攝距離約為6m，所拍攝的畫面實際高度為1.65m，實際寬度為1.05m，攝像機設(shè)置為前觸發(fā)方式[9]。拔起力測定裝置外貼4片應(yīng)變片組成全橋電路，采用稱質(zhì)量法進行標(biāo)定[3]。試驗原理圖如圖2所示。試驗場地為南寧市武鳴區(qū)太平鎮(zhèn)，武鳴農(nóng)機推廣站試驗田，木薯品種為華南205。

圖2 試驗原理圖Fig.2 Test principle diagram

2 試驗結(jié)果及分析

表1是薯農(nóng)木薯塊根拔起試驗的結(jié)果。由表1可知：由于收獲經(jīng)驗的不同，不同薯農(nóng)收獲效率和收獲損失不同；同時，由于塊根的生長情況和土質(zhì)情況不同，拔起塊根時的難易程度不同，同一薯農(nóng)拔起不同木薯塊根時的效率和損失也不相同。因此，為了獲得收獲損失少，且不失代表性的人拔起塊根的自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程，探明其自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能形成機理，本文選取沒有收獲損失的5號薯農(nóng)的試驗作為研究對象，且選取拔起時間短和拔起力小(土質(zhì)硬度小和塊根長度短、生長深度淺)、拔起時間較長和拔起力較大(土質(zhì)硬度較大或塊根長度較長、生長較深)及拔起時間長和拔起力大(土質(zhì)硬度大或塊根長度長、生長深)的3種試驗情況進行分析。

表1 5位薯農(nóng)木薯塊根拔起試驗結(jié)果Table 1 Cassava pull out test results of 5 cassava farmers

續(xù)表1

圖3是5號薯農(nóng)在拔起時間短和拔起力小情況時(試驗號48)的塊根拔起過程物理參數(shù)的變化曲線圖。其中，圖3(a)是塊根拔起力的變化規(guī)律圖，圖3(b)是塊根拔起速度的變化規(guī)律圖，圖3(c)是塊根拔起位移的變化規(guī)律圖。而相應(yīng)的高速攝像圖如圖4所示。

(a) 拔起力與時間變化關(guān)系曲線

(b) 拔起速度與時間變化關(guān)系曲線

(c) 拔起位移與時間變化關(guān)系曲線圖3 48號塊根拔起過程物理參數(shù)變化曲線圖Fig.3 48 root out curve of physical parameters change process

(a) t=0s (b) t=0.41s (c) t=0.56s (d) t=1.3s (e) t=2.58s圖4 48號塊根拔起過程高速攝像圖Fig.4 The 48 root pulling process of high speed camera lens

由圖3可知：隨時間增加，塊根拔起速度和拔起力先快速增大，時間為0.41s時快速減小，時間為0.56s后趨于較平穩(wěn)變化；而這時的最大拔起力約為630N，較小，但最大拔起速度較大，達(dá)到224mm/s。由圖4和對薯農(nóng)的問詢可知：在時間為0.56s之前，薯農(nóng)手臂未發(fā)生彎曲，主要通過腰部用力，帶動上肢及拔起裝置整體向上運動，拔起塊根；而在時間為0.56s之后，薯農(nóng)雙臂開始發(fā)生彎曲，這時在腰力和雙臂提力的作用下把塊根拔起。薯農(nóng)自身主要通過拔起速度的控制，控制整個塊根拔起過程。這表明對于木薯塊根拔起時間短和拔起力小的情況，薯農(nóng)的木薯塊根拔起自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程可分為試探(0.1～0.56s)和拔起、出土(0.56～2.58s)2個階段：在試探階段，當(dāng)薯農(nóng)感覺到短時間內(nèi)塊根拔起位移過大，塊根拔起速度過快，根據(jù)經(jīng)驗判斷塊根可能被拔斷時，通過減小腰部用力，使拔起速度快速下降；在拔起、出土階段，薯農(nóng)先根據(jù)經(jīng)驗對己降低的塊根拔起速度進行修正，把速度提升到一個適當(dāng)?shù)乃?，后保持較平穩(wěn)的速度把塊根拔出，目的是在保證塊根不被拔斷的條件下，保持有一定水平的收獲效率。

圖5是5號薯農(nóng)在拔起時間較長和拔起力較大情況時(試驗號42)的塊根拔起過程物理參數(shù)的變化曲線圖。其中，圖5(a)是塊根拔起力的變化規(guī)律圖，圖5(b)是塊根拔起速度的變化規(guī)律圖，圖5(c)是塊根拔起位移的變化規(guī)律圖；而相應(yīng)的高速攝像圖，如圖6所示。

(a) 拔起力與時間變化關(guān)系曲線

(b) 拔起速度與時間變化關(guān)系曲線

(c) 拔起位移與時間變化關(guān)系曲線圖5 42號塊根拔起過程物理參數(shù)變化曲線圖Fig.5 42 root out curve of physical parameters change process

(a) t=0s (b) t=1.1s (c) t=1.26s (d) t=1.68s (e) t=1.8s (f) t=3.02s (g) t=3.9s圖6 42號塊根拔起過程高速攝像圖Fig.6 The 42 root pulling process of high speed camera lens

由圖5可知：時間在1.1s前，隨時間增加，塊根拔起力快速增大，相應(yīng)的拔起速度變化不大，并且拔起速度和拔起位移小；時間在1.1s之后，隨時間增加，塊根拔起力和拔起速度的大小呈周期性變化，且塊根拔起力和拔起速度幅值變化大，塊根拔起力在467～1 079N間變化，拔起速度在-165～240.3mm/s間變化，位移緩慢增大；時間在3.02s之后，隨時間增加，塊根拔起力逐漸減小，拔起速度趨于平穩(wěn)，位移較快增大。由圖6和對薯農(nóng)的問詢可知：在時間為1.26s之前，薯農(nóng)手臂未發(fā)生彎曲，主要通過腰部用力，帶動上肢及拔起裝置整體向上運動，拔起塊根；在時間1.26～3.02s之間，薯農(nóng)雙臂開始逐漸彎曲，薯農(nóng)以腰力為主，雙臂提力為輔，帶動拔起裝置繼續(xù)向上運動；時間在3.02s之后，薯農(nóng)雙臂彎曲角度增大，這時在腰力和雙臂提力的作用下把塊根拔出。薯農(nóng)自身主要通過控制拔起速度的大小來控制拔起力，達(dá)到減少塊根拔斷損失的目的。這表明對于拔起時間較長和拔起力較大情況，薯農(nóng)的木薯塊根拔起自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程可分為試探(0～1.26s)、抖動拔起(1.26～3.02s)和出土(3.02～3.99s)3個階段。在試探階段，當(dāng)薯農(nóng)感覺塊根拔起力較大，且塊根位移變化不大時，根據(jù)經(jīng)驗判斷，此木薯塊根拔起阻力較大，如繼續(xù)直接增大拔起力，可能導(dǎo)致木薯塊根被拔斷；因此，通過減小腰部用力，降低拔起速度，減小塊根拔起力，避免塊根被拔斷。在抖動拔起階段，薯農(nóng)對木薯塊根進行適當(dāng)?shù)亩秳影纹?，以達(dá)到減小土壤阻力和維持一定的拔起效率的目的。在出土階段，當(dāng)時間為3.02s時，薯農(nóng)感覺塊根拔起力相對已較小，位移已較大，判斷塊根將拔離土體，薯農(nóng)對拔起速度進行修正，停止抖動操作，把拔起速度維持在一個適當(dāng)水平，保證塊根在不被拔斷的條件下，提高拔起效率。

圖7是5號薯農(nóng)拔起時間長和拔起力大情況時(試驗號44)的塊根拔起過程物理參數(shù)的變化曲線圖。其中，圖7(a)是塊根拔起力的變化規(guī)律圖，圖7(b)是塊根拔起速度的變化規(guī)律圖，圖7(c)是塊根拔起位移的變化規(guī)律圖。相應(yīng)的高速攝像圖如圖8所示。

(a) 拔起力與時間變化關(guān)系曲線

(b) 拔起速度與時間變化關(guān)系曲線

(c) 拔起位移與時間變化關(guān)系曲線圖7 44號塊根拔起過程物理參數(shù)變化曲線圖Fig.7 44 root out curve of physical parameters change process

(a) t=0s (b) t=0.32s (c) t=0.4s (d) t=1.66s (e) t=3.85s (f) t=4.1s (g) t=4.3s圖8 44號塊根拔起過程高速攝像圖Fig.8 The 42 root pulling process of high speed camera lens

由圖7可知：時間在0.32s之前，隨時間增加，塊根拔起力快速增大，但相應(yīng)的拔起速度變化小，并且拔起位移?。粫r間到0.32s時，拔起力達(dá)到 473N，而拔起速度只為32mm/s；時間在0.32～1.66s間，隨時間增加，塊根拔起力和塊根拔起速度、位移幅值呈周期性增大變化，但塊根拔起力幅值變化大，而拔起速度和位移幅值變化?。粫r間為1.66s時，塊根拔起力達(dá)到最大值1 120N，而相應(yīng)的拔起速度值只有167mm/s，位移量為30mm；時間在1.66～4.3s間，隨時間增加，塊根拔起力和塊根拔起速度、位移呈周期性變化，且變化周期有所增大，但塊根拔起力幅值呈減小變化，塊根拔起速度和位移幅值呈增大變化。時間為3.85s時，拔起速度達(dá)到最大值370mm/s，此時的拔起力為695N。由圖8和對薯農(nóng)的問詢可知：在時間為0.4s之前，薯農(nóng)手臂未發(fā)生彎曲，雙腿彎曲，腰部下沉并挺直，薯農(nóng)主要通過腰部用力，帶動上肢及拔起裝置整體向上運動，拔起塊根；時間在0.4～3.85s間，薯農(nóng)雙臂開始逐漸向后彎曲，薯農(nóng)以腰力為主，雙臂提力為輔，共同作用帶動拔起裝置向上運動；在3.85s之后，薯農(nóng)雙臂彎曲角度增大，薯農(nóng)以腰力和雙臂提力共同作用帶動拔起裝置向上運動，拔出塊根。薯農(nóng)自身主要通過控制拔起速度達(dá)到控制塊根拔起力和整個塊根拔起過程，以減少塊根拔斷損失，提高收獲效率。這表明對于拔起時間長和拔起力大情況，薯農(nóng)的木薯塊根拔起自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程可分為試探(0～0.32s)、抖動松土(0.32～1.66s)和抖動拔出(1.66～4.3s)3個階段。在試探階段，薯農(nóng)感覺拔起力較大，但塊根位移幾乎不變，根據(jù)經(jīng)驗判斷，土壤硬度大或塊根長、生長深，塊根拔起阻力大，如果繼續(xù)用力可能導(dǎo)致木薯塊根拔斷或需要的力大，無法拔起，因此減小用力。在抖動松土階段，薯農(nóng)根據(jù)經(jīng)驗進行抖動松土，使土壤破裂和破壞土壤與塊根的粘附力，以減小土壤阻力和拔起難度。在出土階段，由于進行抖動松土后，薯農(nóng)感覺土壤已有了一定松度且土壤與塊根的粘附力已較小，根據(jù)經(jīng)驗修正拔起方式，加大抖動速度，把塊根拔出，達(dá)到在保證塊根不被拔斷的前提下，提高拔起效率。

4 結(jié)論

通過采用田間物理試驗的高速攝像、塊根拔起過程測定和問詢調(diào)查相結(jié)合的方法，對有經(jīng)驗薯農(nóng)木薯塊根拔起過程進行。研究表明：對于不同土質(zhì)和塊根生長的情況，薯農(nóng)的木薯塊根拔起自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程不同，但薯農(nóng)一般依據(jù)自身的塊根收獲經(jīng)驗，先通過試探感知拔起難度，后確定和修正塊根拔起方式，進行塊根拔起過程控制。對于土質(zhì)硬度小和塊根長度短、生長深度淺的情況，試探階段結(jié)束后，把塊根拔起速度控制在一個適當(dāng)?shù)乃?，把塊根直接拔出。對于土質(zhì)硬度較大或塊根長度較長、生長較深的情況，試探階段結(jié)束后，先進行抖動拔起，后對拔起速度進行修正，停止抖動操作，把拔起速度維持在一個適當(dāng)水平拔出塊根。對于土質(zhì)硬度大或塊根長度長、生長深的情況，試探階段結(jié)束后，先進行抖動松土，使土壤破裂和破壞土壤與塊根的粘附力，以減小土壤阻力和拔起難度，后修正拔起方式，加大抖動速度，把塊根拔出。

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Experimental Study of Adaptive Regulation Mechanism of People Uprooting Cassava

Liu Hao1， Yang Wang1,2，Yang Jian1,2，Li Yang1，Wang Jintao1

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System & Advanced Manufacturing Technology, College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

As to investigate adaptive regulation mechanism during the process when experienced farmers uprooting cassava, this paper, making use of high speed camera in field physical experiment, measurement of uprooting process and oral questions, conducts an exploratory study of cassava tuber pulling process by experienced farmers. The results show that for different soil and cassava tubers, adaptive adjusting process varies when farmers pull cassava tuber. Based on their own experience, farmers first probe the difficulty of pulling up, then determine and adjust the root pulling methods, and finally make control of root pulling process. For low soil hardness, short root length and shallow depth of the growth, farmers make uprooting speed in a appropriate level after the trial stage and then pull the root directly. For greater soil hardness or longer root length and shallow depth of the growth, farmers first pull up the root jitterly manually after the trial stage, make correction of pulling velocity and stop dithering. Finally farmers pull out cassava tubers by maintaining the pulling speed at an appropriate level. For greater soil hardness or longer root length and deep growth, after the trial stage, farmers first jitter to loosen the soil which leads to the soil rupture and destruction of adhesion force between soil and cassava tubers. As a consequence, soil resistance and difficulty of pulling up are reduced. And then uprooting way is adjusted, the jitter rate is increased while the jittering frequency is decreased. Finally, cassava tubers is pulled out by farmers.

cassava tubers; pulling process; high speed camera; adaptive adjustment; mechanism

2016-03-03

國家自然科學(xué)基金項目(51365005、51065003)；廣西制造系統(tǒng)與制造技術(shù)重點實驗室課題(13-051-09S01)

劉 浩(1989-),男,山東泰安人,碩士研究生，(E-mail)215977057@qq.com。

楊 望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)yanghope@163.com。

S225.7+1

A

1003-188X(2017)03-0186-06