一種板栗自動收獲剝苞機的設計

劉德堯 尤穎 張雨庭 劉曙光 湯麗娟 尹寶全

摘要：為解決傳統板栗（Castanea mollissima BL.）生產中收集、剝苞兩步人力勞動大、生產效率低、傳統機械落后等問題，設計了由樹莓派3B+主控板為控制核心，Arduino為開發平臺，蓄電池和電機為動力，實現板栗自動收獲和剝苞的板栗自動收獲剝苞機。板栗自動收獲剝苞機由控制系統實現在板栗園內的自動循跡行走;經鬃毛刷轉動可實現板栗的撿拾收集，撿拾精度高;板栗經由雙輥輪轉動所帶動的其上以聚四氟軟管刀片的擠壓實現剝苞，板栗受損率低、剝苞效率高。該整機結構簡單，實用性強，以期為進一步提高板栗生產效率提供參考。

關鍵詞：板栗（Castanea mollissima BL.）;剝苞;收獲

中圖分類號：S226.4? ? ? ? ?文獻標識碼：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（資源服務）標識碼（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，營養價值高，具有養胃健脾、補腎強身的功效[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。板栗在中國有超過24個?。ㄊ?、區）種植，至少有2 500余年的栽培歷史，年產量可達195萬t，占世界總產量的84%，為農民創造了較高的經濟價值。

目前，在板栗生產中，常在栗樹上有1/3栗苞開裂時一次性打落進行采收。雖然目前市面上有售果樹振動采收機[4]，但板栗落地后依然靠人工收集，難以滿足板栗種植業向大規模方向發展的要求。板栗收獲后要經過脫苞處理才上市銷售。傳統的板栗剝苞作業通常采用先秸稈、樹葉等農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]，其主要特點為勞動強度大、生產效率低，易造成部分板栗損傷和勞動者皮膚受傷。板栗脫蓬機可以解決板栗果實與蓬苞的分離，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，市售農機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機具有廣闊的市場前景。

本研究以小型、高效為切入點，通過對傳統現有農機的改進和創新，將傳統的板栗收獲和剝苞功能集合一體，設計一種板栗自動收獲剝苞機，從新型農機的角度為提高板栗的生產效率提供可行的途徑。

1 系統方案設計

本研究中板栗自動收獲剝苞機共分為三大系統（圖1），包括控制系統、撿拾系統和剝苞系統。控制系統在底座內，撿拾系統包括鬃毛刷、傳送帶、電機和行走履帶，剝苞系統包括脫蓬輥輪、脫蓬輥輪鋼管、軸承座、風機、分離帶、擠壓軸、網板和板栗收集倉。其中控制系統以樹莓派3B+主控板為控制核心，其他系統相互嵌套共同完成作業。平臺上配置有無線電接受裝置，可與農業從業人員的上位機進行對接，實現遠程操控，能夠減輕農業操作中的人力消耗。

圖2所示為整機模型。工作時，該板栗自動收獲剝苞機在板栗園內進行行走，遇到掉落在地上的板栗球，通過鬃毛刷的轉動作用將其撿拾到傳送帶上，隨傳送帶轉動進入剝苞腔內，通過兩并排脫蓬輥輪的旋轉作用下，位于輥輪上的鋼管對板栗球進行擊打和推擠，將板栗球的板栗和板栗蓬進行分離，經過清篩裝置后，板栗和破損的板栗蓬通過網板進入分離帶，在分離帶和風機的共同作用下在板栗收集倉內將剝苞完成的板栗收集，實現板栗的自動收獲和剝苞。

2 關鍵部件設計

2.1 控制系統設計

控制系統以Arduino duemilanove為核心，開源電子原型平臺Arduino能通過傳感器感知環境，并通過燈光、電機或其他裝置對環境造成反饋和影響。

控制系統包含觸摸屏技術、人機界面處理系統和信息通訊部分于一體的智能顯示模塊。人機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。信息通訊部分使用無線電遙控，發出無線電信號，這些信號被遠方的接收設備接收后，可以指令或驅動其他各種相應的電子設備，完成各種操作。通過控制系統，可以遠程控制行走平臺以及傳送剝苞等部分運行，使之開始或停止工作。圖3為控制系統結構框架。

位于Arduino上的無線信號接收器在接收到工作命令后，將立即啟動底座并賦予初始速度，控制其前進，同時紅外線傳感器模塊會接收板栗園區道路反射的紅外信號，并將信號轉化為代碼傳輸到Arduino，Arduino中既設程序能夠分析代碼的數值變化，根據預先設定的閾值進行判斷，控制左右履帶的轉速，從而實現板栗自動收獲剝苞機的自動轉向。通過以上過程控制底座的前進與方向，以達到其跟隨循跡帶軌跡行走或是GPS自動導航的目標。

2.2 撿拾系統設計

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

2.2.1 動力部分 采用蓄電池和直流電機構成本機器的動力部分。蓄電池采用了鉛鈣合金做柵架，所以充電時產生的水分解量少，水分蒸發量也低，加上外殼采用密封結構，釋放出來的硫酸氣體也很少，具有環保、低噪音、經濟、能量轉換效率高、易保養的優點。

雙直流電機采用直流電機驅動芯片L298N，由定子和轉子兩大部分組成，通過控制左右兩個直流電機來實現底座的轉動、轉向。芯片L298N包含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，用以接收TTL邏輯電平信號。驅動電機的PWM信號可由Arduino平臺實現控制和調節，從而通過改變輸出功率來控制兩個電機的轉速。

動力部分可以保證底座與包括剝苞裝置、輸送裝置等在內的各個部分的正常運行。各部分電路并聯，保證其在動力上不會互相產生不利影響。因田間操作有時需在較為惡劣的天氣條件下進行，為防止電機受到意外損傷，將其安裝在底座的內部，同時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°連續旋轉雙軸承金屬舵機驅動，以50 r/min的角速度自轉，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，發現其被苞時直徑為4.5～6.5 cm，因而可將鬃毛刷設計直徑為7.0 cm，下緣設置為距地面3.8 cm高度，保證每一顆板栗都會被撿拾起來;同時為避免過大的板栗會對鬃毛刷產生不可抗拒的損壞，故將舵機附近加裝壓力裝置使鬃毛刷隨板栗大小調整高度（圖4）。

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

2）傳送帶。該裝置將撿拾裝置與剝苞裝置的進料口連接起來，以與撿拾裝置相同的線速度進行傳送，將鬃毛刷撿拾的板栗輸送至剝苞蓬。該機采用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入剝苞系統。

與此同時，在傳送帶上每隔一段距離增加小擋板，進一步防止板栗向下滑落。在剝苞裝置的進料口部分安裝擋板，使板栗與傳送帶分離[9]。

2.4 剝苞系統設計

1）剝苞裝置（圖5、圖6、圖7）。板栗通過料斗滾進脫苞腔內，落到并排刀軸上，在交錯運動的刀的擊打和推擠作用下，板栗掉落到擠壓軸上與網板之間;通過轉動過程中的擠壓軸與網板擠壓后，將板栗與刺苞剝離，最終達到脫苞效果。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行擠壓，直接通過網板上的網孔落入篩選裝置中，未被完全剝開的板栗苞，落到擠壓軸上，再通過擠壓軸與網板的擠壓，達到栗子與刺苞的完全分離，脫苞率可達99%以上[10]。兩脫蓬輥輪轉速比在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，還需更加綜合的結構設計。通過對100多個板栗苞的尺寸、刺苞厚度及脫苞所受力大小的研究，設計出此剝苞機的剝苞裝置中圓柱體輥子直徑為205 mm，主軸輥子轉速為600 r/min，輔助輥子轉速為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個分離輥及傳送帶組成了帶傳動，工作中的分離輥進行同步順時針轉動，使傳送帶水平運動，由于板栗重力大于零碎刺苞，當板栗與刺苞同時到達收獲箱口時，在上方風機的作用下，刺苞被吹走，板栗掉落進收獲箱中，分離效率可達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，會有一些沒有被傳送帶分離，并與板栗同時掉落的細小毛刺，這時在板栗收集處旁配備風機，通過風機將毛刺吹走，使毛刺與板栗分離，最終分離率可達 99% 以上。風機采用功率為1.5 kW、電壓220 V、轉速2 800 r/min的固定風機。

3 結論

本研究以解決板栗生產中收集、剝苞兩大工序中人力依賴性強和提高生產效率為目的，發明了一種板栗自動收獲剝苞機，該機器具有以下創新點：

1）該板栗自動收獲剝苞機能夠深入林中采收板栗，同時對板栗進行剝苞處理，實現收剝一體，使板栗的采收處理自動化且簡單。

2）平臺上配置有無線電接收裝置，可與農業從業人員的上位機對接，實現遠程操控，能夠減輕農業操作中的人力消耗。

3）脫苞腔內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入分離帶。

該機具一方面滿足板栗生產中的機械化需求，且操作簡單，降低了對使用者的技術依賴，另一方面降低板栗生產者的勞動強度，生產效率大大提高，具有極大的市場應用價值，可為進一步研制板栗生產機械提供參考。

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