可穿戴式無(wú)損水果檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)

劉暢　陳涵　馮嘉娜

摘要：當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)水果采摘過(guò)程的不規(guī)范和不合理的果品分級(jí)，每年會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了提高采摘效率，改變單手手持式產(chǎn)品的使用狀態(tài)，本文分析可穿戴無(wú)損水果檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)的影響因素，即采摘中的有效行為動(dòng)作與采摘行為中的視野，并以紅外光譜檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，為可穿戴無(wú)損水果檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)提供思路，希望能有效提升用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：可穿戴;無(wú)損水果檢測(cè)機(jī);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）06-0031-02

1無(wú)損水果檢測(cè)機(jī)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用到水果檢測(cè)中。無(wú)損檢測(cè)是指在不破壞樣品的前提下對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部品質(zhì)評(píng)價(jià)的方法，又稱非破壞檢測(cè)。而水果品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)是指在不破壞水果外形的前提下，進(jìn)行水果的外形、著色度、糖度、酸度、水分、堅(jiān)實(shí)度、可溶性固形物、農(nóng)藥殘留度等參數(shù)的測(cè)量。目前，在無(wú)損水果檢測(cè)領(lǐng)域主要使用近紅外光譜技術(shù)，具有體積小、測(cè)量和在線分析速度快、精度高、成本低、對(duì)樣品無(wú)破壞、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。此項(xiàng)技術(shù)使用場(chǎng)景由于對(duì)光環(huán)境要求較高，僅限于在采摘后的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)。目前浙江大學(xué)的劉輝軍、應(yīng)義斌提出利用背景光校正方法能有效減小田間環(huán)境光照的影響，可以實(shí)現(xiàn)近紅外光譜技術(shù)采收成熟度的田間檢測(cè)，把此項(xiàng)技術(shù)推廣到果實(shí)采摘前，可提高第一階段的果品分級(jí)效率，減少損耗。

2現(xiàn)有水果檢測(cè)機(jī)的利弊分析

目前，市售近紅外光譜檢測(cè)儀以手持式產(chǎn)品為主，在果實(shí)采摘的過(guò)程中，因產(chǎn)品的自重較大，不正確動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生手部肌肉損傷，且一只手需手持設(shè)備工作，工作效率低。因此，手持式產(chǎn)品有一定的操作缺陷。現(xiàn)有市售與手部相關(guān)的可穿戴產(chǎn)品，形式主要分為手套類、手環(huán)類和指環(huán)類。手環(huán)和指環(huán)使用和佩戴方式較為輕便，但需要體量更小的元器件，且產(chǎn)品缺少屏幕的設(shè)置，會(huì)減少交互的體驗(yàn)感，不能收集到實(shí)時(shí)信息的對(duì)比和反饋。因此，手套類型的載體是相對(duì)比較適合嵌入元器件的形式，且手背部分可以預(yù)留設(shè)置屏幕的空間。Jinghong Xiong和Satoshi Muraki研究了拇指肌肉活動(dòng)與拇指操作任務(wù)之間的關(guān)系，說(shuō)明了手指區(qū)域活動(dòng)的角度更為靈活，完成任務(wù)更加精確。

3可穿戴式無(wú)損水果檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)的影響因素

3.1采摘行為中的有效動(dòng)作

通過(guò)實(shí)地的調(diào)研，最終以直徑范圍為75mm～85mm、果實(shí)叢高位于2m以下，處于人的眼睛視野水平向下30°、水平向上25°的成熟蘋果為采摘對(duì)象，在采摘園采用非參與式觀察的方式，觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行蘋果采摘的過(guò)程與狀態(tài)。對(duì)1378張采摘過(guò)程照片及51段采摘視頻，通過(guò)反復(fù)觀察、歸納和分析，采摘用戶的動(dòng)作主要?dú)w納為三個(gè)主要的步驟即：1、選抓;2、拉動(dòng);3、摘取，可以歸納為三種不同的采摘?jiǎng)幼鳌Ｒ罁?jù)三種采摘方式進(jìn)行動(dòng)作分解，將采摘過(guò)程中手部各區(qū)域與果實(shí)的接觸點(diǎn)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)分析研究。

成熟蘋果果實(shí)以尺寸分級(jí)為65mm～75mm、75mm～85mm、85mm～95mm三個(gè)主要等級(jí)，因成人手掌抓握百分位數(shù)可知，直徑30mm～40mm以內(nèi)的圓形截面才可完全抓握，因此65mm～95mm直徑區(qū)間的抓握狀態(tài)時(shí)，手各部位與果實(shí)接觸點(diǎn)均以各手指指球肌為中心，施力點(diǎn)受力均勻分散。

因此本次觀察選取果實(shí)叢高位于2m以下，處于人的眼睛視野水平向下30°、水平向上25°最佳眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，以直徑范圍為75mm～85mm的成熟蘋果為對(duì)象，分析三種采摘方式下手各部位與果實(shí)的接觸區(qū)范圍。

由表1可知，在不借助工具的任意人工采摘方式下，采摘人員的大拇指、食指與中指的指球肌、指腹第二節(jié)區(qū)域與果實(shí)果皮皆存在大概率的接觸，并主要由三指指球肌施加一定壓力，通過(guò)扭掰等動(dòng)作完成采摘，如圖1。

3.2采摘行為中的視野

在實(shí)際調(diào)研過(guò)程中，由于果實(shí)生長(zhǎng)點(diǎn)高度錯(cuò)落，用戶在采摘作業(yè)中的視野區(qū)也會(huì)隨之發(fā)生變化。當(dāng)果實(shí)叢僅略高于地面，使得采摘者多以蹲姿呈俯平視視角進(jìn)行采摘;當(dāng)采摘者以站姿采摘，單臂直臂狀態(tài)下最大采摘區(qū)域?yàn)榫嗟馗?5cm～200cm，垂直平面內(nèi)人體最佳眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)為視平線上25°至視平線以下30°，采摘者根據(jù)目標(biāo)果實(shí)叢高靈活采用俯視、平視、仰視三種作業(yè)視角進(jìn)行采摘;而叢高距地高于2m果實(shí)一般需要借助木梯幫助采摘人員提高視線區(qū)域，在此情況下果農(nóng)多呈仰視角進(jìn)行作業(yè)。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在俯視、平視（包括水平視線上10°至視平線下10°范圍）、仰視三種不同采摘作業(yè)視角下采摘人員視野中的手部可視區(qū)呈一定程度的動(dòng)態(tài)集中分布。

由此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)（表2）分析可得以下結(jié)論：（1）任意采摘方式下，伴隨采摘人員視野范圍的改變，其手部虎口位在抓取果實(shí)環(huán)節(jié)時(shí)均能夠保持相對(duì)正向地面對(duì)人眼視線，并且在扭掰采摘過(guò)程中虎口區(qū)仍可見(jiàn)大部分區(qū)域;（2）大拇指?jìng)?cè)手腕區(qū)及內(nèi)手腕區(qū)在三種采摘視角過(guò)程中可見(jiàn)率較高，如圖2。

4可穿戴式無(wú)損水果檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)的思路

4.1檢測(cè)裝置位置設(shè)計(jì)

傳感器作為與水果的接觸部分起到傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵作用，因而此處壓強(qiáng)不宜過(guò)大，且要同時(shí)保證在檢測(cè)器正常工作的同時(shí)不影響到手指的正常運(yùn)動(dòng)。因此，由圖1所知，該設(shè)計(jì)檢測(cè)設(shè)備的收發(fā)光機(jī)構(gòu)的發(fā)光口處最佳位置為大拇指、食指與中指的指腹第二節(jié)區(qū)域，既可避免手部施力與擠壓造成發(fā)光口損壞變形和果實(shí)破壞，也實(shí)現(xiàn)了光源近距離投射果皮，可實(shí)現(xiàn)排除相鄰果實(shí)、枝丫等其他環(huán)境因素干擾進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。因大部分人三指抓握狀態(tài)下，拇指可活動(dòng)半徑較小，因此檢測(cè)傳感器指環(huán)建議套在食指或者中指上使用。

4.2檢測(cè)裝置造型設(shè)計(jì)

如圖1所示，手部的造型以圍繞三個(gè)主要手指的形式而展開(kāi)，前期方案包括全包圍，半包圍等形式，考慮到工作狀態(tài)中手指處于抬舉的活動(dòng)狀態(tài)，最終選取了比較穩(wěn)定的套環(huán)的固定方式。

4.3檢測(cè)裝置顯示屏設(shè)計(jì)

顯示屏的放置受采摘?jiǎng)幼鳎睆酱笮〉挠绊懀绊懹脩裟軌虮３衷趹敉庵币晹?shù)據(jù)而動(dòng)作保持自然的工作狀態(tài)。由圖3所知，在任意采摘方式與采摘環(huán)境下，采摘人員手部虎口位、大拇指?jìng)?cè)手腕與內(nèi)手腕區(qū)均能夠較為高頻的正向面對(duì)人眼視野，不僅如此，根據(jù)俯平仰三個(gè)視角采摘狀態(tài)的視野范圍，顯示屏設(shè)置與視角成30。的傾角，可以更好地輔助用戶快速接收信息并進(jìn)行判斷，如圖3。

5結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)手持工具使得用戶需雙手共同作業(yè)，采摘過(guò)程中兩手同時(shí)進(jìn)行不同的單臂作業(yè)造成背部肌肉靜態(tài)施力，并且長(zhǎng)時(shí)間地抬手舉重作業(yè)更增大了肌肉的實(shí)際負(fù)擔(dān)，易感疲勞，影響其身體健康，降低作業(yè)效率。因此，穿戴式無(wú)損水果檢測(cè)設(shè)備將目標(biāo)檢測(cè)、數(shù)據(jù)反饋與采摘作業(yè)集于單手實(shí)現(xiàn)一體化操作，以達(dá)到解放單手的目的。