一种板栗自动收获剥苞机的设计

刘德尧 尤颖 张雨庭 刘曙光 汤丽娟 尹宝全

摘要：为解决传统板栗（Castanea mollissima BL.）生产中收集、剥苞两步人力劳动大、生产效率低、传统机械落后等问题，设计了由树莓派3B+主控板为控制核心，Arduino为开发平台，蓄电池和电机为动力，实现板栗自动收获和剥苞的板栗自动收获剥苞机。板栗自动收获剥苞机由控制系统实现在板栗园内的自动循迹行走;经鬃毛刷转动可实现板栗的捡拾收集，捡拾精度高;板栗经由双辊轮转动所带动的其上以聚四氟软管刀片的挤压实现剥苞，板栗受损率低、剥苞效率高。该整机结构简单，实用性强，以期为进一步提高板栗生产效率提供参考。

关键词：板栗（Castanea mollissima BL.）;剥苞;收获

中图分类号：S226.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0166-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.035 开放科学（资源服务）标识码（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.）是中国重要的干果和木本粮食树种，营养价值高，具有养胃健脾、补肾强身的功效[1-3]。其果形端正均匀颜色呈红褐色、皮薄，素有“干果之王”的美誉。板栗在中国有超过24个省（市、区）种植，至少有2 500余年的栽培历史，年产量可达195万t，占世界总产量的84%，为农民创造了较高的经济价值。

目前，在板栗生产中，常在栗树上有1/3栗苞开裂时一次性打落进行采收。虽然目前市面上有售果树振动采收机[4]，但板栗落地后依然靠人工收集，难以满足板栗种植业向大规模方向发展的要求。板栗收获后要经过脱苞处理才上市销售。传统的板栗剥苞作业通常采用先秸秆、树叶等农作物叶茎覆盖后施水堆沤再手工用剪刀剥苞取果的操作方式[5]，其主要特点为劳动强度大、生产效率低，易造成部分板栗损伤和劳动者皮肤受傷。板栗脱蓬机可以解决板栗果实与蓬苞的分离，但存在占地空间较大、剥苞分离率低、板栗果肉破损率高等问题[6-8]。目前，市售农机具没有集收获和剥苞功能为一体的，在该背景下，一种可以解决上述问题的新型农机具有广阔的市场前景。

本研究以小型、高效为切入点，通过对传统现有农机的改进和创新，将传统的板栗收获和剥苞功能集合一体，设计一种板栗自动收获剥苞机，从新型农机的角度为提高板栗的生产效率提供可行的途径。

1 系统方案设计

本研究中板栗自动收获剥苞机共分为三大系统（图1），包括控制系统、捡拾系统和剥苞系统。控制系统在底座内，捡拾系统包括鬃毛刷、传送带、电机和行走履带，剥苞系统包括脱蓬辊轮、脱蓬辊轮钢管、轴承座、风机、分离带、挤压轴、网板和板栗收集仓。其中控制系统以树莓派3B+主控板为控制核心，其他系统相互嵌套共同完成作业。平台上配置有无线电接受装置，可与农业从业人员的上位机进行对接，实现远程操控，能够减轻农业操作中的人力消耗。

图2所示为整机模型。工作时，该板栗自动收获剥苞机在板栗园内进行行走，遇到掉落在地上的板栗球，通过鬃毛刷的转动作用将其捡拾到传送带上，随传送带转动进入剥苞腔内，通过两并排脱蓬辊轮的旋转作用下，位于辊轮上的钢管对板栗球进行击打和推挤，将板栗球的板栗和板栗蓬进行分离，经过清筛装置后，板栗和破损的板栗蓬通过网板进入分离带，在分离带和风机的共同作用下在板栗收集仓内将剥苞完成的板栗收集，实现板栗的自动收获和剥苞。

2 关键部件设计

2.1 控制系统设计

控制系统以Arduino duemilanove为核心，开源电子原型平台Arduino能通过传感器感知环境，并通过灯光、电机或其他装置对环境造成反馈和影响。

控制系统包含触摸屏技术、人机界面处理系统和信息通讯部分于一体的智能显示模块。人机界面具有显示速率快、触屏操作、形成清晰图像或图片的特点。信息通讯部分使用无线电遥控，发出无线电信号，这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其他各种相应的电子设备，完成各种操作。通过控制系统，可以远程控制行走平台以及传送剥苞等部分运行，使之开始或停止工作。图3为控制系统结构框架。

位于Arduino上的无线信号接收器在接收到工作命令后，将立即启动底座并赋予初始速度，控制其前进，同时红外线传感器模块会接收板栗园区道路反射的红外信号，并将信号转化为代码传输到Arduino，Arduino中既设程序能够分析代码的数值变化，根据预先设定的阈值进行判断，控制左右履带的转速，从而实现板栗自动收获剥苞机的自动转向。通过以上过程控制底座的前进与方向，以达到其跟随循迹带轨迹行走或是GPS自动导航的目标。

2.2 捡拾系统设计

捡拾系统包括动力部分和捡拾部分。选择履带作为动力部分的核心部件，可以解决板栗自动收获剥苞机在不同地形的工作需要。

2.2.1 动力部分 采用蓄电池和直流电机构成本机器的动力部分。蓄电池采用了铅钙合金做栅架，所以充电时产生的水分解量少，水分蒸发量也低，加上外壳采用密封结构，释放出来的硫酸气体也很少，具有环保、低噪音、经济、能量转换效率高、易保养的优点。

双直流电机采用直流电机驱动芯片L298N，由定子和转子两大部分组成，通过控制左右两个直流电机来实现底座的转动、转向。芯片L298N包含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，用以接收TTL逻辑电平信号。驱动电机的PWM信号可由Arduino平台实现控制和调节，从而通过改变输出功率来控制两个电机的转速。

动力部分可以保证底座与包括剥苞装置、输送装置等在内的各个部分的正常运行。各部分电路并联，保证其在动力上不会互相产生不利影响。因田间操作有时需在较为恶劣的天气条件下进行，为防止电机受到意外损伤，将其安装在底座的内部，同时在其底部制作散热扇，防止过热而延长其使用寿命。

2.2.2 捡拾部分

1）鬃毛刷。由于板栗外被刺的生物学特性，因而采用鬃毛刷即可完成板栗的捡拾工作。该鬃毛刷由MG946R模拟360°连续旋转双轴承金属舵机驱动，以50 r/min的角速度自转，将落在地上的板栗捡拾起来，且不易带起石子。通过对成熟板栗的观察，发现其被苞时直径为4.5～6.5 cm，因而可将鬃毛刷设计直径为7.0 cm，下缘设置为距地面3.8 cm高度，保证每一颗板栗都会被捡拾起来;同时为避免过大的板栗会对鬃毛刷产生不可抗拒的损坏，故将舵机附近加装压力装置使鬃毛刷随板栗大小调整高度（图4）。

该鬃毛刷共分为四段，四段均可视情况调整高度，有效避免了大小不同的板栗同时被捡拾而造成的遗漏现象。

2）传送带。该装置将捡拾装置与剥苞装置的进料口连接起来，以与捡拾装置相同的线速度进行传送，将鬃毛刷捡拾的板栗输送至剥苞蓬。该机采用PVC 5.0MM花纹防滑爬坡输送带，以加大静摩擦力，防止板栗滑落从而顺利进入剥苞系统。

与此同时，在传送带上每隔一段距离增加小挡板，进一步防止板栗向下滑落。在剥苞装置的进料口部分安装挡板，使板栗与传送带分离[9]。

2.4 剥苞系统设计

1）剥苞装置（图5、图6、图7）。板栗通过料斗滚进脱苞腔内，落到并排刀轴上，在交错运动的刀的击打和推挤作用下，板栗掉落到挤压轴上与网板之间;通过转动过程中的挤压轴与网板挤压后，将板栗与刺苞剥离，最终达到脱苞效果。板栗苞被击打和推挤过程中，约有30%板栗苞被完全剥开，被剥开的栗子和刺苞无需进行挤压，直接通过网板上的网孔落入筛选装置中，未被完全剥开的板栗苞，落到挤压轴上，再通过挤压轴与网板的挤压，达到栗子与刺苞的完全分离，脱苞率可达99%以上[10]。两脱蓬辊轮转速比在1.0∶4.2左右最佳。

由于板栗苞大小不一，刺苞的韧性也不相同，欲达到所有板栗的完全脱苞且对板栗不造成损伤，还需更加综合的结构设计。通过对100多个板栗苞的尺寸、刺苞厚度及脱苞所受力大小的研究，设计出此剥苞机的剥苞装置中圆柱体辊子直径为205 mm，主轴辊子转速为600 r/min，辅助輥子转速为150 r/min，其上均布六列刀轴，每相邻刀轴刀片距离为3 cm，挤压轴与网板间的距离2.5 cm，以及将刀片升级为聚四氟软管，这样不仅可以对不同尺寸、不同韧性的板栗苞进行脱刺去苞，而且对板栗的损伤微小，板栗损伤率可控制在1%以下。

2）清筛装置。2个分离辊及传送带组成了带传动，工作中的分离辊进行同步顺时针转动，使传送带水平运动，由于板栗重力大于零碎刺苞，当板栗与刺苞同时到达收获箱口时，在上方风机的作用下，刺苞被吹走，板栗掉落进收获箱中，分离效率可达90%以上。该装置采用平片PVC耐磨输送带。

板栗从传送带上掉落的过程中，会有一些没有被传送带分离，并与板栗同时掉落的细小毛刺，这时在板栗收集处旁配备风机，通过风机将毛刺吹走，使毛刺与板栗分离，最终分离率可达 99% 以上。风机采用功率为1.5 kW、电压220 V、转速2 800 r/min的固定风机。

3 结论

本研究以解决板栗生产中收集、剥苞两大工序中人力依赖性强和提高生产效率为目的，发明了一种板栗自动收获剥苞机，该机器具有以下创新点：

1）该板栗自动收获剥苞机能够深入林中采收板栗，同时对板栗进行剥苞处理，实现收剥一体，使板栗的采收处理自动化且简单。

2）平台上配置有无线电接收装置，可与农业从业人员的上位机对接，实现远程操控，能够减轻农业操作中的人力消耗。

3）脱苞腔内采用两并排聚四氟软管制脱蓬钢管，以提高剥苞效率且降低板栗损伤率。增加挤压轴部分，确保所有板栗脱蓬完成进入分离带。

该机具一方面满足板栗生产中的机械化需求，且操作简单，降低了对使用者的技术依赖，另一方面降低板栗生产者的劳动强度，生产效率大大提高，具有极大的市场应用价值，可为进一步研制板栗生产机械提供参考。

参考文献：

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