基于慧魚組合式智能蓮藕采洗分揀一體裝置的研究

周美丹

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引言

蓮藕細嫩光滑、鮮嫩脆爽、口感好且具有藥食同源價值，但由于蓮藕的生長環境特殊，采摘和收獲過程較為困難，蓮藕好吃，挖藕卻難。挖藕一直是藕農們的一大難題，也是蓮藕產業發展路上的“攔路虎”。挖藕機是一種新型的農業機械，它的出現為農業生產帶來了新的機遇和挑戰[1-3]。通過市場調查和資料分析，筆者發現市場上的挖藕機絕大多數還需人工入水參與采挖或收集，采收過程中蓮藕損壞率高，而挖藕機功能單一，且價格較高，普通藕農難以承受[4-5]。另外，挖藕機的使用需要一定的技術水平，一些農民缺乏相關的技術知識。因此，挖藕機行業需要加強技術研發，降低產品成本，開發出功能齊全且便于藕農使用的挖藕機[6-9]。

為此，本文設計了一款慧魚組合式智能蓮藕采洗分揀一體裝置——“與‘藕’相伴”[10]。本設計以ROBO Pro智能控制系統為核心，將各模塊（沖壓裝置、攔截裝置、打撈裝置、傳送裝置、分揀裝置、阻斷裝置、換箱裝置、智能倉儲裝置、智能抓取裝置、驅動裝置）集于一體。通過高壓噴頭，沖散淤泥中的藕，使其漂浮于水面，繼而對水面上的藕進行攔截、打撈，在傳送過程中對藕進行多次清洗、智能分揀，最后完成收集、倉儲，實現采藕作業全過程智能化、自動化、無人化。

1 創作思路與作品構思

1.1 創作思路

通過比對分析市場上挖藕機的功能特點和藕農的需求，發現蓮藕采收面臨的痛點問題為勞動強度大、效率低，采收上來的蓮藕品質差，挖藕機功能單一、操作不便利等。為解決市場痛點，研究團隊通過研究蓮藕采挖關鍵技術，設計研發了一款漂浮船式挖藕機，作品整體圖如圖1所示。

圖1 作品整體圖

作品“與‘藕’相伴”集沖壓、采收、傳送、清洗、收集、倉儲于一體，智能控制機器自動完成所有工作，無需人工下水，挖藕效率高、挖藕質量好、操作便利、使用穩定，將成為藕農們的“好幫手”。

1.2 作品構思

研究團隊通過深入蓮藕種植基地調研、實地挖藕探究、資料查閱，獲取設計靈感，作品具有操作自動化、功能模塊化、智能化等特點。

1.2.1 沖壓系統

該系統通過高壓噴頭，沖散淤泥中的藕，使其漂浮于水面。

1.2.2 攔截系統

攔截系統主要包括傳動和攔截兩部分。電機啟動，通過鏈條帶動螺桿旋轉，繼而將擋板推出。隨后通過齒輪與連桿相結合的方式驅動擋板展開，從而攔截塘內漂浮在水面上的蓮藕。

1.2.3 傳送系統

傳送系統由打撈裝置和傳送裝置組成。打撈裝置中的滾筒將蓮藕打撈至傳輸帶，蓮藕由傳輸帶傳送至傳送裝置。在傳送過程中，噴頭對蓮藕進行首次沖洗，履帶將蓮藕傳送至下一系統。

1.2.4 清洗系統

蓮藕被打撈至履帶，在運輸過程中多頭噴管對其進行第一次粗洗。蓮藕送入傳送裝置后，多頭噴管和旋轉毛刷對其進行精洗，洗凈后的蓮藕通過履帶傳送至下一系統。

1.2.5 倉儲系統

履帶將洗凈后的蓮藕運送至儲存箱中，儲存箱裝滿后智能夾取裝置自動將其抓取至倉儲間進行堆疊存放。裝置后方設有大型儲存間，以便挖藕機在水上進行長時間的工作，減少靠岸卸貨次數，提高挖藕機的工作效率。存儲間配備升降艙門，使裝置形成半封閉空間，提高倉儲存儲的穩定性，還可便于打開艙門進行卸貨。

1.2.6 智能識別系統

通過攝像頭智能識別傳輸當中的壞藕或陳藕，便于機械臂挑選分離；利用In-Sight軟件智能視覺系統對蓮藕儲存箱箱體容量進行智能化識別，便于及時換箱。

2 作品創新

“與‘藕’相伴”——智能采洗分揀一體機相對市場上其他類型挖藕機，具有以下創新點。

1）功能豐富，高效工作。除了能夠挖藕，還具有清洗、篩選、倉儲等其他功能，滿足藕民的多元化需求。

2）不需抽水，漂浮工作。對比傳統履帶式采藕設備，“與‘藕’相伴”——智能采洗分揀一體機不需要將池塘水位降低，節省了抽水時間以及電量的消耗，符合國家對綠色農業的要求。

3）智能識別，分揀換箱。通過攝像頭智能識別傳輸中的壞藕或陳藕，自動完成蓮藕篩選工作；智能識別儲存箱是否存滿，便于及時自動換箱，提高工作效率。

4）智能倉儲，節約能耗。挖藕機后方配備一個大型倉儲間，內設有升降門，使其形成半封閉空間，提高了倉儲儲存箱堆疊的穩定性，智能機械平臺對儲存箱進行自動堆疊，可存放大量貨物，減少挖藕機往返卸貨次數。

3 結構與工作原理

3.1 智能控制部分

本裝置的控制系統由ROBO Pro控制軟件、TXT接口板和傳感器組成。程序圖如圖2所示，通過編寫控制程序，接通TXT開關自動啟動程序，實現精確控制。本裝置的3個TXT控制器可對各電機、傳感器的運行狀態進行監控，進一步保證了蓮藕采收船運行的可靠性。

圖2 程序圖

3.2 沖壓裝置

沖壓裝置如圖3所示，挖藕機開始工作時，水泵從藕塘中抽水，通過加壓裝置對水進行加壓，利用從噴水槍口噴出的高壓水柱對藕塘的淤泥進行沖壓，沖散淤泥中的蓮藕，從而使淤泥中的蓮藕浮出水面。

圖3 沖壓裝置

3.3 攔截裝置

攔截裝置如圖4所示，采收開始時，通過螺旋傳動推出擋板，隨后通過齒輪齒條傳動驅動擋板展開，從而攔截塘內漂浮在水面上的蓮藕，采收結束后，擋板收回。

圖4 攔截裝置

3.4 打撈裝置

打撈裝置如圖5所示，當滾筒到達指定收集位置后，啟動電機帶動滾筒開始運作，攔截區域內的蓮藕，蓮藕會隨著滾筒的旋轉被運輸至履帶。繼而，裝置中的噴水管開始噴水柱，對蓮藕進行初步沖洗，完成蓮藕的打撈和第一次清洗工作。

圖5 打撈裝置

3.5 傳送裝置

傳送裝置如圖6所示，在打撈裝置中經過初洗后的蓮藕隨著履帶傳送至傳送裝置（長履帶部分），噴頭將水以水霧的形式噴至蓮藕和軟毛刷上，軟毛刷旋轉，對蓮藕進行精洗工作，隨后將蓮藕傳送至分揀裝置。傳送裝置采用鏈傳動，使裝置平均傳動比更準確，工作更加可靠，效率更高。

圖6 傳送裝置

3.6 分揀裝置

分揀裝置如圖7所示，分揀裝置通過攝像頭對運輸過程中的蓮藕進行圖形識別，如若識別到壞藕或陳藕，夾爪將會啟動。在攝像頭的定位下，夾爪全方位運動，自動抓取壞藕或陳藕，并將其運送至滑道，壞藕從滑道中滑出。

圖7 分揀裝置

3.7 阻斷裝置

阻斷裝置如圖8所示，阻斷裝置中的氣動電機連接氣泵，帶動閥門進行上下運動，實現阻斷門開啟和關閉。當攝像頭識別到儲存箱存儲滿之后，阻斷裝置中的電機啟動，兩個氣缸將擋板往下推，阻斷傳送帶中正在傳送的蓮藕，同時，傳送裝置的傳送速度自動降低，防止傳送帶上的蓮藕堵塞。當換箱裝置完成換箱后，攝像頭再次進行識別，阻斷裝置擋板上升，同時傳送帶恢復原有傳送速度。

圖8 阻斷裝置

3.8 換箱裝置

換箱裝置如圖9所示，當阻斷擋板降下，儲存框被機械夾爪夾走，微碼電機啟動，通過螺桿旋轉帶動夾爪向前運動，推出新的儲存箱，從而實現儲存箱更換。

圖9 換箱裝置

3.9 智能倉儲裝置

智能倉儲裝置由倉儲裝置和智能抓取裝置兩部分構成，如圖10所示。

圖10 智能倉儲裝置

3.9.1倉儲裝置

裝置后方配備一個大型倉儲間，可存放大量貨物，同時還配有升降門，便于儲存框存放和卸貨。升降門通過鏈傳動和齒輪傳動驅使升降。爬升時：傳遞動力大，壽命長，工作平穩，可靠性高；下降時：重力下沉，勻速下降，效率高。

3.9.2 智能抓取裝置

當儲存框被推出時，智能抓取裝置通過導軌移動到箱體上方對其進行抓取。裝置設有自動升降機構，可在倉庫內全方位移動進行貨物堆疊。前后：微碼電機帶動齒輪嚙合驅動負重輪，使其在導軌上進行前后運動，負重輪上有橡膠包裹，用于增加摩擦力。左右：鏈條連接夾爪，在兩端設有微碼電機，工作時微碼電機帶動齒輪傳動，實現左右精確運動。抓取：兩根螺桿并排衡置，通過齒輪傳動控制兩螺桿移動，達到使夾爪開合的目的。爬升：通過齒輪與齒條嚙合進行爬升，傳遞動力大，壽命長，工作平穩，可靠性高。

3.10 行駛裝置

行駛裝置如圖11所示，行駛裝置由編碼電機帶動鏈傳動，驅動6個槳葉輪快速旋轉，實現挖藕機在水面上行駛。左右兩側對稱分布3個槳葉輪，可以更好地控制方向，實現船體的全方位平穩運行。

圖11 行駛裝置

4 推廣應用價值

“與‘藕’相伴”作為新型的挖藕機，具有如下應用價值：

1）自動化程度高，減少人工投入。從采藕、清洗、篩選、收集、倉儲到搬運，全程通過程序智能控制，自動完成所有工序。僅需操作員，無需其他人工投入，大大降低了人工成本，成功將“體力活”變成“技術活”，實現科技助農。

2）功能豐富，工作效率高。不僅能夠挖藕，還具有清洗、篩選、倉儲、搬運等其他功能，且各模塊連續作業，工作效率高，滿足藕農的多元化需求。

3）蓮藕采收品質高。利用水槍沖泥來采收，不會對蓮藕造成損傷，保證了蓮藕的完整、品相和品質。

4）操作簡單。只需要在手機或電腦端點擊開關控制按鈕，即可完成一系列工作，對使用者無技術要求，解決了藕農招工難的問題。

5）減少對土地的破壞。采用噴頭沖壓采藕，減少了對環境的破壞，保護了生態環境。