基于慧鱼组合式智能莲藕采洗分拣一体装置的研究

周美丹

（江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013）

0 引言

莲藕细嫩光滑、鲜嫩脆爽、口感好且具有药食同源价值，但由于莲藕的生长环境特殊，采摘和收获过程较为困难，莲藕好吃，挖藕却难。挖藕一直是藕农们的一大难题，也是莲藕产业发展路上的“拦路虎”。挖藕机是一种新型的农业机械，它的出现为农业生产带来了新的机遇和挑战[1-3]。通过市场调查和资料分析，笔者发现市场上的挖藕机绝大多数还需人工入水参与采挖或收集，采收过程中莲藕损坏率高，而挖藕机功能单一，且价格较高，普通藕农难以承受[4-5]。另外，挖藕机的使用需要一定的技术水平，一些农民缺乏相关的技术知识。因此，挖藕机行业需要加强技术研发，降低产品成本，开发出功能齐全且便于藕农使用的挖藕机[6-9]。

为此，本文设计了一款慧鱼组合式智能莲藕采洗分拣一体装置——“与‘藕’相伴”[10]。本设计以ROBO Pro智能控制系统为核心，将各模块（冲压装置、拦截装置、打捞装置、传送装置、分拣装置、阻断装置、换箱装置、智能仓储装置、智能抓取装置、驱动装置）集于一体。通过高压喷头，冲散淤泥中的藕，使其漂浮于水面，继而对水面上的藕进行拦截、打捞，在传送过程中对藕进行多次清洗、智能分拣，最后完成收集、仓储，实现采藕作业全过程智能化、自动化、无人化。

1 创作思路与作品构思

1.1 创作思路

通过比对分析市场上挖藕机的功能特点和藕农的需求，发现莲藕采收面临的痛点问题为劳动强度大、效率低，采收上来的莲藕品质差，挖藕机功能单一、操作不便利等。为解决市场痛点，研究团队通过研究莲藕采挖关键技术，设计研发了一款漂浮船式挖藕机，作品整体图如图1所示。

图1 作品整体图

作品“与‘藕’相伴”集冲压、采收、传送、清洗、收集、仓储于一体，智能控制机器自动完成所有工作，无需人工下水，挖藕效率高、挖藕质量好、操作便利、使用稳定，将成为藕农们的“好帮手”。

1.2 作品构思

研究团队通过深入莲藕种植基地调研、实地挖藕探究、资料查阅，获取设计灵感，作品具有操作自动化、功能模块化、智能化等特点。

1.2.1 冲压系统

该系统通过高压喷头，冲散淤泥中的藕，使其漂浮于水面。

1.2.2 拦截系统

拦截系统主要包括传动和拦截两部分。电机启动，通过链条带动螺杆旋转，继而将挡板推出。随后通过齿轮与连杆相结合的方式驱动挡板展开，从而拦截塘内漂浮在水面上的莲藕。

1.2.3 传送系统

传送系统由打捞装置和传送装置组成。打捞装置中的滚筒将莲藕打捞至传输带，莲藕由传输带传送至传送装置。在传送过程中，喷头对莲藕进行首次冲洗，履带将莲藕传送至下一系统。

1.2.4 清洗系统

莲藕被打捞至履带，在运输过程中多头喷管对其进行第一次粗洗。莲藕送入传送装置后，多头喷管和旋转毛刷对其进行精洗，洗净后的莲藕通过履带传送至下一系统。

1.2.5 仓储系统

履带将洗净后的莲藕运送至储存箱中，储存箱装满后智能夹取装置自动将其抓取至仓储间进行堆叠存放。装置后方设有大型储存间，以便挖藕机在水上进行长时间的工作，减少靠岸卸货次数，提高挖藕机的工作效率。存储间配备升降舱门，使装置形成半封闭空间，提高仓储存储的稳定性，还可便于打开舱门进行卸货。

1.2.6 智能识别系统

通过摄像头智能识别传输当中的坏藕或陈藕，便于机械臂挑选分离；利用In-Sight软件智能视觉系统对莲藕储存箱箱体容量进行智能化识别，便于及时换箱。

2 作品创新

“与‘藕’相伴”——智能采洗分拣一体机相对市场上其他类型挖藕机，具有以下创新点。

1）功能丰富，高效工作。除了能够挖藕，还具有清洗、筛选、仓储等其他功能，满足藕民的多元化需求。

2）不需抽水，漂浮工作。对比传统履带式采藕设备，“与‘藕’相伴”——智能采洗分拣一体机不需要将池塘水位降低，节省了抽水时间以及电量的消耗，符合国家对绿色农业的要求。

3）智能识别，分拣换箱。通过摄像头智能识别传输中的坏藕或陈藕，自动完成莲藕筛选工作；智能识别储存箱是否存满，便于及时自动换箱，提高工作效率。

4）智能仓储，节约能耗。挖藕机后方配备一个大型仓储间，内设有升降门，使其形成半封闭空间，提高了仓储储存箱堆叠的稳定性，智能机械平台对储存箱进行自动堆叠，可存放大量货物，减少挖藕机往返卸货次数。

3 结构与工作原理

3.1 智能控制部分

本装置的控制系统由ROBO Pro控制软件、TXT接口板和传感器组成。程序图如图2所示，通过编写控制程序，接通TXT开关自动启动程序，实现精确控制。本装置的3个TXT控制器可对各电机、传感器的运行状态进行监控，进一步保证了莲藕采收船运行的可靠性。

图2 程序图

3.2 冲压装置

冲压装置如图3所示，挖藕机开始工作时，水泵从藕塘中抽水，通过加压装置对水进行加压，利用从喷水枪口喷出的高压水柱对藕塘的淤泥进行冲压，冲散淤泥中的莲藕，从而使淤泥中的莲藕浮出水面。

图3 冲压装置

3.3 拦截装置

拦截装置如图4所示，采收开始时，通过螺旋传动推出挡板，随后通过齿轮齿条传动驱动挡板展开，从而拦截塘内漂浮在水面上的莲藕，采收结束后，挡板收回。

图4 拦截装置

3.4 打捞装置

打捞装置如图5所示，当滚筒到达指定收集位置后，启动电机带动滚筒开始运作，拦截区域内的莲藕，莲藕会随着滚筒的旋转被运输至履带。继而，装置中的喷水管开始喷水柱，对莲藕进行初步冲洗，完成莲藕的打捞和第一次清洗工作。

图5 打捞装置

3.5 传送装置

传送装置如图6所示，在打捞装置中经过初洗后的莲藕随着履带传送至传送装置（长履带部分），喷头将水以水雾的形式喷至莲藕和软毛刷上，软毛刷旋转，对莲藕进行精洗工作，随后将莲藕传送至分拣装置。传送装置采用链传动，使装置平均传动比更准确，工作更加可靠，效率更高。

图6 传送装置

3.6 分拣装置

分拣装置如图7所示，分拣装置通过摄像头对运输过程中的莲藕进行图形识别，如若识别到坏藕或陈藕，夹爪将会启动。在摄像头的定位下，夹爪全方位运动，自动抓取坏藕或陈藕，并将其运送至滑道，坏藕从滑道中滑出。

图7 分拣装置

3.7 阻断装置

阻断装置如图8所示，阻断装置中的气动电机连接气泵，带动阀门进行上下运动，实现阻断门开启和关闭。当摄像头识别到储存箱存储满之后，阻断装置中的电机启动，两个气缸将挡板往下推，阻断传送带中正在传送的莲藕，同时，传送装置的传送速度自动降低，防止传送带上的莲藕堵塞。当换箱装置完成换箱后，摄像头再次进行识别，阻断装置挡板上升，同时传送带恢复原有传送速度。

图8 阻断装置

3.8 换箱装置

换箱装置如图9所示，当阻断挡板降下，储存框被机械夹爪夹走，微码电机启动，通过螺杆旋转带动夹爪向前运动，推出新的储存箱，从而实现储存箱更换。

图9 换箱装置

3.9 智能仓储装置

智能仓储装置由仓储装置和智能抓取装置两部分构成，如图10所示。

图10 智能仓储装置

3.9.1仓储装置

装置后方配备一个大型仓储间，可存放大量货物，同时还配有升降门，便于储存框存放和卸货。升降门通过链传动和齿轮传动驱使升降。爬升时：传递动力大，寿命长，工作平稳，可靠性高；下降时：重力下沉，匀速下降，效率高。

3.9.2 智能抓取装置

当储存框被推出时，智能抓取装置通过导轨移动到箱体上方对其进行抓取。装置设有自动升降机构，可在仓库内全方位移动进行货物堆叠。前后：微码电机带动齿轮啮合驱动负重轮，使其在导轨上进行前后运动，负重轮上有橡胶包裹，用于增加摩擦力。左右：链条连接夹爪，在两端设有微码电机，工作时微码电机带动齿轮传动，实现左右精确运动。抓取：两根螺杆并排衡置，通过齿轮传动控制两螺杆移动，达到使夹爪开合的目的。爬升：通过齿轮与齿条啮合进行爬升，传递动力大，寿命长，工作平稳，可靠性高。

3.10 行驶装置

行驶装置如图11所示，行驶装置由编码电机带动链传动，驱动6个桨叶轮快速旋转，实现挖藕机在水面上行驶。左右两侧对称分布3个桨叶轮，可以更好地控制方向，实现船体的全方位平稳运行。

图11 行驶装置

4 推广应用价值

“与‘藕’相伴”作为新型的挖藕机，具有如下应用价值：

1）自动化程度高，减少人工投入。从采藕、清洗、筛选、收集、仓储到搬运，全程通过程序智能控制，自动完成所有工序。仅需操作员，无需其他人工投入，大大降低了人工成本，成功将“体力活”变成“技术活”，实现科技助农。

2）功能丰富，工作效率高。不仅能够挖藕，还具有清洗、筛选、仓储、搬运等其他功能，且各模块连续作业，工作效率高，满足藕农的多元化需求。

3）莲藕采收品质高。利用水枪冲泥来采收，不会对莲藕造成损伤，保证了莲藕的完整、品相和品质。

4）操作简单。只需要在手机或电脑端点击开关控制按钮，即可完成一系列工作，对使用者无技术要求，解决了藕农招工难的问题。

5）减少对土地的破坏。采用喷头冲压采藕，减少了对环境的破坏，保护了生态环境。