可穿戴式无损水果检测机设计

刘畅　陈涵　冯嘉娜

摘要：当前中国市场水果采摘过程的不规范和不合理的果品分级，每年会造成巨大的经济损失。为了提高采摘效率，改变单手手持式产品的使用状态，本文分析可穿戴无损水果检测机设计的影响因素，即采摘中的有效行为动作与采摘行为中的视野，并以红外光谱检测技术为基础，为可穿戴无损水果检测机设计提供思路，希望能有效提升用户体验。

关键词：可穿戴;无损水果检测机;设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）06-0031-02

1无损水果检测机概述

随着科学技术的进步，无损检测技术逐渐应用到水果检测中。无损检测是指在不破坏样品的前提下对其进行内部品质评价的方法，又称非破坏检测。而水果品质的无损检测是指在不破坏水果外形的前提下，进行水果的外形、着色度、糖度、酸度、水分、坚实度、可溶性固形物、农药残留度等参数的测量。目前，在无损水果检测领域主要使用近红外光谱技术，具有体积小、测量和在线分析速度快、精度高、成本低、对样品无破坏、稳定性高等优势。此项技术使用场景由于对光环境要求较高，仅限于在采摘后的室内环境检测。目前浙江大学的刘辉军、应义斌提出利用背景光校正方法能有效减小田间环境光照的影响，可以实现近红外光谱技术采收成熟度的田间检测，把此项技术推广到果实采摘前，可提高第一阶段的果品分级效率，减少损耗。

2现有水果检测机的利弊分析

目前，市售近红外光谱检测仪以手持式产品为主，在果实采摘的过程中，因产品的自重较大，不正确动作会产生手部肌肉损伤，且一只手需手持设备工作，工作效率低。因此，手持式产品有一定的操作缺陷。现有市售与手部相关的可穿戴产品，形式主要分为手套类、手环类和指环类。手环和指环使用和佩戴方式较为轻便，但需要体量更小的元器件，且产品缺少屏幕的设置，会减少交互的体验感，不能收集到实时信息的对比和反馈。因此，手套类型的载体是相对比较适合嵌入元器件的形式，且手背部分可以预留设置屏幕的空间。Jinghong Xiong和Satoshi Muraki研究了拇指肌肉活动与拇指操作任务之间的关系，说明了手指区域活动的角度更为灵活，完成任务更加精确。

3可穿戴式无损水果检测机设计的影响因素

3.1采摘行为中的有效动作

通过实地的调研，最终以直径范围为75mm～85mm、果实丛高位于2m以下，处于人的眼睛视野水平向下30°、水平向上25°的成熟苹果为采摘对象，在采摘園采用非参与式观察的方式，观察实验对象进行苹果采摘的过程与状态。对1378张采摘过程照片及51段采摘视频，通过反复观察、归纳和分析，采摘用户的动作主要归纳为三个主要的步骤即：1、选抓;2、拉动;3、摘取，可以归纳为三种不同的采摘动作。依据三种采摘方式进行动作分解，将采摘过程中手部各区域与果实的接触点进行图像数据分析研究。

成熟苹果果实以尺寸分级为65mm～75mm、75mm～85mm、85mm～95mm三个主要等级，因成人手掌抓握百分位数可知，直径30mm～40mm以内的圆形截面才可完全抓握，因此65mm～95mm直径区间的抓握状态时，手各部位与果实接触点均以各手指指球肌为中心，施力点受力均匀分散。

因此本次观察选取果实丛高位于2m以下，处于人的眼睛视野水平向下30°、水平向上25°最佳眼睛转动区域，以直径范围为75mm～85mm的成熟苹果为对象，分析三种采摘方式下手各部位与果实的接触区范围。

由表1可知，在不借助工具的任意人工采摘方式下，采摘人员的大拇指、食指与中指的指球肌、指腹第二节区域与果实果皮皆存在大概率的接触，并主要由三指指球肌施加一定压力，通过扭掰等动作完成采摘，如图1。

3.2采摘行为中的视野

在实际调研过程中，由于果实生长点高度错落，用户在采摘作业中的视野区也会随之发生变化。当果实丛仅略高于地面，使得采摘者多以蹲姿呈俯平视视角进行采摘;当采摘者以站姿采摘，单臂直臂状态下最大采摘区域为距地高75cm～200cm，垂直平面内人体最佳眼睛转动区为视平线上25°至视平线以下30°，采摘者根据目标果实丛高灵活采用俯视、平视、仰视三种作业视角进行采摘;而丛高距地高于2m果实一般需要借助木梯帮助采摘人员提高视线区域，在此情况下果农多呈仰视角进行作业。

通过观察发现，在俯视、平视（包括水平视线上10°至视平线下10°范围）、仰视三种不同采摘作业视角下采摘人员视野中的手部可视区呈一定程度的动态集中分布。

由此，通过实验图像数据（表2）分析可得以下结论：（1）任意采摘方式下，伴随采摘人员视野范围的改变，其手部虎口位在抓取果实环节时均能够保持相对正向地面对人眼视线，并且在扭掰采摘过程中虎口区仍可见大部分区域;（2）大拇指侧手腕区及内手腕区在三种采摘视角过程中可见率较高，如图2。

4可穿戴式无损水果检测机设计的思路

4.1检测装置位置设计

传感器作为与水果的接触部分起到传输数据的关键作用，因而此处压强不宜过大，且要同时保证在检测器正常工作的同时不影响到手指的正常运动。因此，由图1所知，该设计检测设备的收发光机构的发光口处最佳位置为大拇指、食指与中指的指腹第二节区域，既可避免手部施力与挤压造成发光口损坏变形和果实破坏，也实现了光源近距离投射果皮，可实现排除相邻果实、枝丫等其他环境因素干扰进行精准测量。因大部分人三指抓握状态下，拇指可活动半径较小，因此检测传感器指环建议套在食指或者中指上使用。

4.2检测装置造型设计

如图1所示，手部的造型以围绕三个主要手指的形式而展开，前期方案包括全包围，半包围等形式，考虑到工作状态中手指处于抬举的活动状态，最终选取了比较稳定的套环的固定方式。

4.3检测装置显示屏设计

显示屏的放置受采摘动作，水果直径大小的影响，影响用户能够保持在户外直视数据而动作保持自然的工作状态。由图3所知，在任意采摘方式与采摘环境下，采摘人员手部虎口位、大拇指侧手腕与内手腕区均能够较为高频的正向面对人眼视野，不仅如此，根据俯平仰三个视角采摘状态的视野范围，显示屏设置与视角成30。的倾角，可以更好地辅助用户快速接收信息并进行判断，如图3。

5结语

传统手持工具使得用户需双手共同作业，采摘过程中两手同时进行不同的单臂作业造成背部肌肉静态施力，并且长时间地抬手举重作业更增大了肌肉的实际负担，易感疲劳，影响其身体健康，降低作业效率。因此，穿戴式无损水果检测设备将目标检测、数据反馈与采摘作业集于单手实现一体化操作，以达到解放单手的目的。