一種板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)的設(shè)計(jì)

劉德堯 尤穎 張雨庭 劉曙光 湯麗娟 尹寶全

摘要：為解決傳統(tǒng)板栗（Castanea mollissima BL.）生產(chǎn)中收集、剝苞兩步人力勞動(dòng)大、生產(chǎn)效率低、傳統(tǒng)機(jī)械落后等問題，設(shè)計(jì)了由樹莓派3B+主控板為控制核心，Arduino為開發(fā)平臺(tái)，蓄電池和電機(jī)為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)板栗自動(dòng)收獲和剝苞的板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)。板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在板栗園內(nèi)的自動(dòng)循跡行走;經(jīng)鬃毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)板栗的撿拾收集，撿拾精度高;板栗經(jīng)由雙輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)所帶動(dòng)的其上以聚四氟軟管刀片的擠壓實(shí)現(xiàn)剝苞，板栗受損率低、剝苞效率高。該整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，以期為進(jìn)一步提高板栗生產(chǎn)效率提供參考。

關(guān)鍵詞：板栗（Castanea mollissima BL.）;剝苞;收獲

中圖分類號：S226.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0166-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.035 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： In order to solve the underlying problems of intensive manual labour， low working efficiency and backward traditional machinery in harvesting and husking process of chestnut production， a chestnut autonomic harvesting and husking machine with Raspberry Pi 3 Model B+ as control core， Arduino as development platform and battery and electric motor as power was designed. The designed chestnut autonomic harvesting and husking machine can realize autonomic track walking in the chestnut orchard by the control system; the harvest of chestnut can be realized by the rotation of bristle brush with high harvesting accuracy; chestnut husk is removed by the extrusion of PTFE hoses driven by the rotation of twin rollers. The whole machine has simple structure and strong practicability， which can provide suggestions for further improving the production efficiency of chestnut.

Key words： chestnut（Castanea mollissima BL.）; harvesting; husking

板栗（Castanea mollissima BL.）是中國重要的干果和木本糧食樹種，營養(yǎng)價(jià)值高，具有養(yǎng)胃健脾、補(bǔ)腎強(qiáng)身的功效[1-3]。其果形端正均勻顏色呈紅褐色、皮薄，素有“干果之王”的美譽(yù)。板栗在中國有超過24個(gè)?。ㄊ小^(qū)）種植，至少有2 500余年的栽培歷史，年產(chǎn)量可達(dá)195萬t，占世界總產(chǎn)量的84%，為農(nóng)民創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前，在板栗生產(chǎn)中，常在栗樹上有1/3栗苞開裂時(shí)一次性打落進(jìn)行采收。雖然目前市面上有售果樹振動(dòng)采收機(jī)[4]，但板栗落地后依然靠人工收集，難以滿足板栗種植業(yè)向大規(guī)模方向發(fā)展的要求。板栗收獲后要經(jīng)過脫苞處理才上市銷售。傳統(tǒng)的板栗剝苞作業(yè)通常采用先秸稈、樹葉等農(nóng)作物葉莖覆蓋后施水堆漚再手工用剪刀剝苞取果的操作方式[5]，其主要特點(diǎn)為勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，易造成部分板栗損傷和勞動(dòng)者皮膚受傷。板栗脫蓬機(jī)可以解決板栗果實(shí)與蓬苞的分離，但存在占地空間較大、剝苞分離率低、板栗果肉破損率高等問題[6-8]。目前，市售農(nóng)機(jī)具沒有集收獲和剝苞功能為一體的，在該背景下，一種可以解決上述問題的新型農(nóng)機(jī)具有廣闊的市場前景。

本研究以小型、高效為切入點(diǎn)，通過對傳統(tǒng)現(xiàn)有農(nóng)機(jī)的改進(jìn)和創(chuàng)新，將傳統(tǒng)的板栗收獲和剝苞功能集合一體，設(shè)計(jì)一種板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)，從新型農(nóng)機(jī)的角度為提高板栗的生產(chǎn)效率提供可行的途徑。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本研究中板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)共分為三大系統(tǒng)（圖1），包括控制系統(tǒng)、撿拾系統(tǒng)和剝苞系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)在底座內(nèi)，撿拾系統(tǒng)包括鬃毛刷、傳送帶、電機(jī)和行走履帶，剝苞系統(tǒng)包括脫蓬輥輪、脫蓬輥輪鋼管、軸承座、風(fēng)機(jī)、分離帶、擠壓軸、網(wǎng)板和板栗收集倉。其中控制系統(tǒng)以樹莓派3B+主控板為控制核心，其他系統(tǒng)相互嵌套共同完成作業(yè)。平臺(tái)上配置有無線電接受裝置，可與農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的上位機(jī)進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，能夠減輕農(nóng)業(yè)操作中的人力消耗。

圖2所示為整機(jī)模型。工作時(shí)，該板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)在板栗園內(nèi)進(jìn)行行走，遇到掉落在地上的板栗球，通過鬃毛刷的轉(zhuǎn)動(dòng)作用將其撿拾到傳送帶上，隨傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入剝苞腔內(nèi)，通過兩并排脫蓬輥輪的旋轉(zhuǎn)作用下，位于輥輪上的鋼管對板栗球進(jìn)行擊打和推擠，將板栗球的板栗和板栗蓬進(jìn)行分離，經(jīng)過清篩裝置后，板栗和破損的板栗蓬通過網(wǎng)板進(jìn)入分離帶，在分離帶和風(fēng)機(jī)的共同作用下在板栗收集倉內(nèi)將剝苞完成的板栗收集，實(shí)現(xiàn)板栗的自動(dòng)收獲和剝苞。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以Arduino duemilanove為核心，開源電子原型平臺(tái)Arduino能通過傳感器感知環(huán)境，并通過燈光、電機(jī)或其他裝置對環(huán)境造成反饋和影響。

控制系統(tǒng)包含觸摸屏技術(shù)、人機(jī)界面處理系統(tǒng)和信息通訊部分于一體的智能顯示模塊。人機(jī)界面具有顯示速率快、觸屏操作、形成清晰圖像或圖片的特點(diǎn)。信息通訊部分使用無線電遙控，發(fā)出無線電信號，這些信號被遠(yuǎn)方的接收設(shè)備接收后，可以指令或驅(qū)動(dòng)其他各種相應(yīng)的電子設(shè)備，完成各種操作。通過控制系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程控制行走平臺(tái)以及傳送剝苞等部分運(yùn)行，使之開始或停止工作。圖3為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。

位于Arduino上的無線信號接收器在接收到工作命令后，將立即啟動(dòng)底座并賦予初始速度，控制其前進(jìn)，同時(shí)紅外線傳感器模塊會(huì)接收板栗園區(qū)道路反射的紅外信號，并將信號轉(zhuǎn)化為代碼傳輸?shù)紸rduino，Arduino中既設(shè)程序能夠分析代碼的數(shù)值變化，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，控制左右履帶的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。通過以上過程控制底座的前進(jìn)與方向，以達(dá)到其跟隨循跡帶軌跡行走或是GPS自動(dòng)導(dǎo)航的目標(biāo)。

2.2 撿拾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

撿拾系統(tǒng)包括動(dòng)力部分和撿拾部分。選擇履帶作為動(dòng)力部分的核心部件，可以解決板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)在不同地形的工作需要。

2.2.1 動(dòng)力部分 采用蓄電池和直流電機(jī)構(gòu)成本機(jī)器的動(dòng)力部分。蓄電池采用了鉛鈣合金做柵架，所以充電時(shí)產(chǎn)生的水分解量少，水分蒸發(fā)量也低，加上外殼采用密封結(jié)構(gòu)，釋放出來的硫酸氣體也很少，具有環(huán)保、低噪音、經(jīng)濟(jì)、能量轉(zhuǎn)換效率高、易保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

雙直流電機(jī)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，通過控制左右兩個(gè)直流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)底座的轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向。芯片L298N包含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，用以接收TTL邏輯電平信號。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號可由Arduino平臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)，從而通過改變輸出功率來控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

動(dòng)力部分可以保證底座與包括剝苞裝置、輸送裝置等在內(nèi)的各個(gè)部分的正常運(yùn)行。各部分電路并聯(lián)，保證其在動(dòng)力上不會(huì)互相產(chǎn)生不利影響。因田間操作有時(shí)需在較為惡劣的天氣條件下進(jìn)行，為防止電機(jī)受到意外損傷，將其安裝在底座的內(nèi)部，同時(shí)在其底部制作散熱扇，防止過熱而延長其使用壽命。

2.2.2 撿拾部分

1）鬃毛刷。由于板栗外被刺的生物學(xué)特性，因而采用鬃毛刷即可完成板栗的撿拾工作。該鬃毛刷由MG946R模擬360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)雙軸承金屬舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，以50 r/min的角速度自轉(zhuǎn)，將落在地上的板栗撿拾起來，且不易帶起石子。通過對成熟板栗的觀察，發(fā)現(xiàn)其被苞時(shí)直徑為4.5～6.5 cm，因而可將鬃毛刷設(shè)計(jì)直徑為7.0 cm，下緣設(shè)置為距地面3.8 cm高度，保證每一顆板栗都會(huì)被撿拾起來;同時(shí)為避免過大的板栗會(huì)對鬃毛刷產(chǎn)生不可抗拒的損壞，故將舵機(jī)附近加裝壓力裝置使鬃毛刷隨板栗大小調(diào)整高度（圖4）。

該鬃毛刷共分為四段，四段均可視情況調(diào)整高度，有效避免了大小不同的板栗同時(shí)被撿拾而造成的遺漏現(xiàn)象。

2）傳送帶。該裝置將撿拾裝置與剝苞裝置的進(jìn)料口連接起來，以與撿拾裝置相同的線速度進(jìn)行傳送，將鬃毛刷撿拾的板栗輸送至剝苞蓬。該機(jī)采用PVC 5.0MM花紋防滑爬坡輸送帶，以加大靜摩擦力，防止板栗滑落從而順利進(jìn)入剝苞系統(tǒng)。

與此同時(shí)，在傳送帶上每隔一段距離增加小擋板，進(jìn)一步防止板栗向下滑落。在剝苞裝置的進(jìn)料口部分安裝擋板，使板栗與傳送帶分離[9]。

2.4 剝苞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）剝苞裝置（圖5、圖6、圖7）。板栗通過料斗滾進(jìn)脫苞腔內(nèi)，落到并排刀軸上，在交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的刀的擊打和推擠作用下，板栗掉落到擠壓軸上與網(wǎng)板之間;通過轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的擠壓軸與網(wǎng)板擠壓后，將板栗與刺苞剝離，最終達(dá)到脫苞效果。板栗苞被擊打和推擠過程中，約有30%板栗苞被完全剝開，被剝開的栗子和刺苞無需進(jìn)行擠壓，直接通過網(wǎng)板上的網(wǎng)孔落入篩選裝置中，未被完全剝開的板栗苞，落到擠壓軸上，再通過擠壓軸與網(wǎng)板的擠壓，達(dá)到栗子與刺苞的完全分離，脫苞率可達(dá)99%以上[10]。兩脫蓬輥輪轉(zhuǎn)速比在1.0∶4.2左右最佳。

由于板栗苞大小不一，刺苞的韌性也不相同，欲達(dá)到所有板栗的完全脫苞且對板栗不造成損傷，還需更加綜合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過對100多個(gè)板栗苞的尺寸、刺苞厚度及脫苞所受力大小的研究，設(shè)計(jì)出此剝苞機(jī)的剝苞裝置中圓柱體輥?zhàn)又睆綖?05 mm，主軸輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為600 r/min，輔助輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為150 r/min，其上均布六列刀軸，每相鄰刀軸刀片距離為3 cm，擠壓軸與網(wǎng)板間的距離2.5 cm，以及將刀片升級為聚四氟軟管，這樣不僅可以對不同尺寸、不同韌性的板栗苞進(jìn)行脫刺去苞，而且對板栗的損傷微小，板栗損傷率可控制在1%以下。

2）清篩裝置。2個(gè)分離輥及傳送帶組成了帶傳動(dòng)，工作中的分離輥進(jìn)行同步順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳送帶水平運(yùn)動(dòng)，由于板栗重力大于零碎刺苞，當(dāng)板栗與刺苞同時(shí)到達(dá)收獲箱口時(shí)，在上方風(fēng)機(jī)的作用下，刺苞被吹走，板栗掉落進(jìn)收獲箱中，分離效率可達(dá)90%以上。該裝置采用平片PVC耐磨輸送帶。

板栗從傳送帶上掉落的過程中，會(huì)有一些沒有被傳送帶分離，并與板栗同時(shí)掉落的細(xì)小毛刺，這時(shí)在板栗收集處旁配備風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)將毛刺吹走，使毛刺與板栗分離，最終分離率可達(dá) 99% 以上。風(fēng)機(jī)采用功率為1.5 kW、電壓220 V、轉(zhuǎn)速2 800 r/min的固定風(fēng)機(jī)。

3 結(jié)論

本研究以解決板栗生產(chǎn)中收集、剝苞兩大工序中人力依賴性強(qiáng)和提高生產(chǎn)效率為目的，發(fā)明了一種板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)，該機(jī)器具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）該板栗自動(dòng)收獲剝苞機(jī)能夠深入林中采收板栗，同時(shí)對板栗進(jìn)行剝苞處理，實(shí)現(xiàn)收剝一體，使板栗的采收處理自動(dòng)化且簡單。

2）平臺(tái)上配置有無線電接收裝置，可與農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的上位機(jī)對接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，能夠減輕農(nóng)業(yè)操作中的人力消耗。

3）脫苞腔內(nèi)采用兩并排聚四氟軟管制脫蓬鋼管，以提高剝苞效率且降低板栗損傷率。增加擠壓軸部分，確保所有板栗脫蓬完成進(jìn)入分離帶。

該機(jī)具一方面滿足板栗生產(chǎn)中的機(jī)械化需求，且操作簡單，降低了對使用者的技術(shù)依賴，另一方面降低板栗生產(chǎn)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)效率大大提高，具有極大的市場應(yīng)用價(jià)值，可為進(jìn)一步研制板栗生產(chǎn)機(jī)械提供參考。

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