摘 要：【目的】傳統(tǒng)大蔥收獲方式是人工挖掘，勞動量大且效率低，收獲質(zhì)量不能保證，難以滿足大蔥收獲需求，市場迫切需要可代替人力勞動、適合大規(guī)模自動化收獲的大蔥收獲機。結(jié)合國內(nèi)大蔥種植的農(nóng)藝要求和種植模式，本研究提出研發(fā)設(shè)計了一款多功能智能化聯(lián)合式大蔥收獲機?！痉椒ā吭撌斋@機主要由撥土松土機構(gòu)、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、合頁單向防倒結(jié)構(gòu)、切平捋順機構(gòu)、柔性夾持機構(gòu)、定量翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、滾土機構(gòu)、抖土收集裝置等組成，并通過遙控器控制機器運行，實現(xiàn)收獲智能化一體化。【結(jié)果】通過實踐檢驗證明，該收獲機具有結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強，大蔥損傷率低，收集效率高等優(yōu)點?！窘Y(jié)論】該收獲機可以提高大蔥的收獲質(zhì)量和收獲效率，顯著降低大蔥收獲人工成本，促進大蔥收獲機械化發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的推廣前景。

關(guān)鍵詞：大蔥；收獲；自動化；智能化；一體式；多功能

中圖分類號：S233.74" " "文獻標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）14-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.010

Design of Multi-Functional Intelligent Combined Scallion Harvester

Abstract： [Purposes] The traditional scallion harvesting method is manual mining， which costs a large amount of labor and has low efficiency. Therefore， the quality of harvesting can not be guaranteed， and it is difficult to meet the demand of scallion harvesting. The market urgently needs a scallion harvester that can replace human labor and is suitable for large-scale automatic harvesting. Combined with the agronomic requirements and planting mode of scallion planting， this study proposed to develop and design a multi-functional intelligent combined scallion harvester. [Methods] The harvester is mainly composed of soil shifting mechanism， guiding structure， hinge one-way anti-toppling structure， cutting and smoothing mechanism， flexible clamping mechanism， quantitative turning mechanism， rolling mechanism， shaking soil collection device， etc.， and the machine is controlled by remote control to realize intelligent harvest integration. [Findings]" The harvester is proved to have the advantages of compact structure， strong institutional stability， low scallion damage rate and high collection efficiency through practical test.[Conclusions] The harvesting can improve the harvesting quality and harvesting efficiency of scallion， significantly reduce the labour cost of scallion harvesting， and promote the development of scallion harvesting mechanization， which has important practical significance and broad promotion prospects.

Keywords： scallion; harvesting; automated; intelligent; integration; multifunctional

0 引言

大蔥是我國主要特色經(jīng)濟作物之一，大蔥生產(chǎn)主要過程包括耕整蔥地、育苗、開溝、移栽、培土和收獲等，其中收獲是至關(guān)重要的一環(huán)［1-3］。傳統(tǒng)大蔥收獲方式是人工挖掘，不僅勞動量大且效率低，收獲質(zhì)量不能保證。近幾年隨著國外先進技術(shù)的引進和我國科技的進步，目前我國主要大蔥收獲機主要有兩種，分別為分段收獲機械和聯(lián)合收獲機械［4-5］，其中分段收獲機械結(jié)構(gòu)簡易、成本較低、容易操作，雖然在部分地區(qū)得到了推廣應(yīng)用，但分段收獲機械僅對大蔥進行松土提升，仍需要人工進行拔取、清雜、裝框等作業(yè)，工作效率較低、人工成本較高［6-8］；對于大蔥聯(lián)合收獲機，大部分產(chǎn)品都存在技術(shù)瓶頸，不僅作業(yè)效率低，而且傷蔥率高、清雜率低，難以滿足國內(nèi)大蔥的收獲需求［9-10］。本研究基于國內(nèi)大蔥種植農(nóng)藝，研發(fā)設(shè)計了一種多功能智能聯(lián)合式大蔥收獲機，該收獲機可實現(xiàn)一次作業(yè)，完成大蔥的旋耕松土、挖掘、多級清土清雜、切平、柔性夾持輸送、收集裝筐等，可顯著提高大蔥的收獲質(zhì)量和收獲效率，降低大蔥收獲的人工成本，從而促進大蔥收獲向機械化、自動化發(fā)展，具有重要的社會現(xiàn)實意義和廣闊的推廣前景。

1 收獲機整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

多功能智能聯(lián)合式大蔥收獲機主要由機架、撥土松土機構(gòu)、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、合頁單向防倒結(jié)構(gòu)、切平捋順機構(gòu)、柔性夾持機構(gòu)、定量翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、滾土機構(gòu)和抖土收集裝置組成，其按照不同的使用功能與工作順序，進行合理組裝搭配，形成一個完整的收獲機，收獲機如圖1所示。

1.2 工作原理

多功能智能聯(lián)合式大蔥收獲機在一個工作周期內(nèi)，主要完成行駛、松土、切平捋順、導(dǎo)向、夾持、第一次清土、翻轉(zhuǎn)、第二次清土、收集等動作，工作流程如圖2所示。

大蔥收獲機在工作時根據(jù)指定工作路線，沿著大蔥種植方向勻速前進。首先，前端電機通過同步帶，帶動松土盤沿著刀刃方向旋轉(zhuǎn)，對大蔥根部周圍的泥土進行松土作業(yè)，保護了大蔥根部的完整性。

然后，收獲機繼續(xù)前進，大蔥進入導(dǎo)向裝置。喇叭開口式的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，將一定范圍內(nèi)的大蔥包絡(luò)到指定輸送通道上。為了防止大蔥由于根部泥土松動以及后續(xù)受切割時造成的不穩(wěn)定，出現(xiàn)亂傾倒的現(xiàn)象，在導(dǎo)向裝置后端，設(shè)置了合頁單向防倒裝置，繼而保證了大蔥順利進入切平捋順機構(gòu)，刀片將大蔥葉綠部分切平，兩個滾筒毛刷反向旋轉(zhuǎn)并夾持著大蔥，保持豎直狀態(tài)，進入柔性夾持傳送機構(gòu)，大蔥通過一對交錯皮帶緊密夾持作用下，徹底從泥土中拔出，離開土壤沿著皮帶傳送方向，由豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，進入定量翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。最后，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)尾端設(shè)計有滾土毛刷，對大蔥根部進行第一次清土，當(dāng)定量翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上的大蔥達到一定數(shù)量后，單片機收到時間信號，定量翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行向前翻轉(zhuǎn)90°，一定數(shù)量的大蔥掉落到抖土收集裝置中，此時電機驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)抖動收集板，從而抖落收集板上的大蔥根部剩余的泥土，完成收集。整個收集過程，均由自制遙控器控制完成，降低了人工成本。由于大蔥的種植模式為單壟作業(yè)，所以大蔥收獲機可以在指定工作路線完成自主收獲。

2 主要機構(gòu)設(shè)計

2.1 撥土松土機構(gòu)

撥土松土機構(gòu)由兩個松土盤、兩對同步帶輪和兩對同步帶組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過兩個直流減速電機6控制同步帶輪旋轉(zhuǎn)，同步帶5傳遞扭矩，使松土盤1沿著刀刃方向進行旋轉(zhuǎn)，從而對大蔥根部進行松土作業(yè)，有效保證了大蔥根部的完整性。

2.2 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由左導(dǎo)向板和右導(dǎo)向板組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。喇叭開口式的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以將一定范圍內(nèi)的大蔥包絡(luò)到指定運行軌跡內(nèi)，即左右導(dǎo)向板之間的通道內(nèi)，有效提高了大蔥收獲機收獲大蔥的效率和成功率。

2.3 合頁單向防倒結(jié)構(gòu)

合頁單向防倒結(jié)構(gòu)由兩個合頁板和一個鈑金合頁組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。大蔥離開導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進入切平捋順機構(gòu)時，為了避免大蔥由于根部泥土松動以及頂部綠葉部分受到切割力作用造成不穩(wěn)定，出現(xiàn)亂傾倒的現(xiàn)象，所以在導(dǎo)向裝置后端設(shè)置合頁單向防倒結(jié)構(gòu)。

2.4 切平捋順機構(gòu)

切平捋順機構(gòu)由滾筒毛刷固定板、滾筒毛刷、齒輪和聯(lián)軸器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該機構(gòu)由直流減速電機6驅(qū)動刀片3將大蔥綠葉部分切平，通過中間小齒輪7嚙合帶動兩個大齒輪8，實現(xiàn)兩個滾筒毛刷2反向旋轉(zhuǎn)，夾持大蔥保持豎直狀態(tài)，并推送進入柔性夾持傳送機構(gòu)。

2.5 柔性夾持機構(gòu)

柔性夾持機構(gòu)由滾筒、張緊座、皮帶、軸、聯(lián)軸器、齒輪、同步帶輪和同步帶等組成，如圖7所示。柔性夾持機構(gòu)的動力源直流電機11通過同步帶12和帶輪13及齒輪傳動，帶動一對交錯皮帶3轉(zhuǎn)動，大蔥在皮帶3夾持作用下，徹底從泥土中拔出，沿著皮帶傳送方向，大蔥由豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)。柔性夾持機構(gòu)能夠輕柔地夾持大蔥，前張緊座2可以調(diào)整皮帶松緊，從而避免對大蔥造成損傷或壓壞，保護了大蔥的完整性和品質(zhì)。柔性夾持機構(gòu)可以調(diào)節(jié)夾持力度和夾持方式，能夠根據(jù)大蔥的不同大小和形狀進行靈活調(diào)整，提高了適應(yīng)性和操作的便利性。

2.6 滾土機構(gòu)

滾土機構(gòu)由單軸蝸桿式減速電機、聯(lián)軸器、軸承座和滾筒毛刷等組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。減速電機1通過蝸輪蝸桿減速帶動滾筒毛刷4旋轉(zhuǎn)，對大蔥根部進行第一次清理。

2.7 定量翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

定量翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由翻轉(zhuǎn)板、直流減速電機、PVC管、同步帶輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。直流減速電機5驅(qū)動同步帶6，帶動PVC管3旋轉(zhuǎn)，使傳送到翻轉(zhuǎn)板1上的大蔥掉落到抖土收集裝置中。該機構(gòu)根據(jù)事先測試一定數(shù)量大蔥掉落到翻轉(zhuǎn)板上的時間，再寫入單片機一個定時器程序，完成收集一定數(shù)量大蔥后，電機帶動滾筒翻轉(zhuǎn)一定角度，完成定量翻轉(zhuǎn)作業(yè)。

2.8 抖土收集裝置

抖土收集裝置由雙軸蝸桿式電機、聯(lián)軸器、加厚板、曲柄、抖土收集板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。雙軸蝸桿式電機11帶動曲柄5旋轉(zhuǎn)，帶動搖桿板2左右擺動，從而使抖土收集板1振動，抖落大蔥根部剩余的泥土，實現(xiàn)大蔥根部的深度清潔，并完成收集。在此，抖土頻率可以根據(jù)不同數(shù)量和種類的大蔥進行調(diào)整，從而提高大蔥收獲機的適應(yīng)性。

2.9 機架及行走機構(gòu)

大蔥收獲機機架及行走機構(gòu)如圖11所示。機架主要采用標(biāo)準(zhǔn)件20 mm×20 mm規(guī)格的鋁型材裝配而成，通過角碼及T型螺栓進行連接，由于所使用零配件均為標(biāo)準(zhǔn)件，從而大大降低了制作成本，且安裝拆卸容易。大蔥收獲機的工作環(huán)境為田地，路面崎嶇且泥濘，優(yōu)選兩驅(qū)動輪配合兩從動輪方式，為收獲機提供前進驅(qū)動力。

2.10 控制路線

多功能智能聯(lián)合式大蔥收獲機通過stm32控制板連接電機驅(qū)動模塊控制電機的啟停、PWM調(diào)速、機構(gòu)分級控制來進行工作。根據(jù)不同機構(gòu)的運動形式可采用不同種類的電機驅(qū)動，控制路線如圖12所示。

3 電路控制設(shè)計

根據(jù)大蔥收獲的工作環(huán)境以及設(shè)備使用條件，本研究自主設(shè)計以STM32F103C6T6芯片為核心的信號接收機和遙控器，遙控器完成對接收機的信號控制，操縱大蔥收獲機的收獲動作。STM32F103C6T6芯片采用了基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的架構(gòu)，具有高性能和較高的時鐘頻率，能夠處理復(fù)雜的計算任務(wù)和完成多任務(wù)處理，并且集成了豐富的外設(shè)，包括多個通用定時器、串行通信接口（如USART、SPI、I2C）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）等，可以滿足大蔥收獲機的控制需求。接收機搭載NRF24L01無線模塊、雙路電機驅(qū)動模塊和MOSFET MOS管場效應(yīng)管模塊，12 V鉛酸蓄電池通過DC-DC降壓到5 V后通過LDO降壓到3.3 V給芯片NRF24L01模塊供電。該接收機有12個通道，擁有控制四路電機正反轉(zhuǎn)、四路開關(guān)和四路PWM電機調(diào)速功能。板載3個LED指示燈，可以顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。遙控器控制板搭載TP4056鋰電池充電管理芯片，可以通過TYPE-C接口進行充電，采用鋰電池供電。遙控器采用兩個電阻式搖桿、兩個撥盤齒輪電位器、兩個三段開關(guān)和四個獨立按鍵進行控制。同時板載一塊0.96寸的OLED顯示屏，可以顯示12個通道及電池狀態(tài)等信息。

4 結(jié)語

本研究研發(fā)設(shè)計了一種多功能聯(lián)合式大蔥收獲機，其集大蔥挖掘、刷土、柔性夾持、輸送、二次清土、收集等作業(yè)于一體。通過理論分析和田間試驗，確定了挖掘抖土裝置、柔性夾持輸送裝置、收集裝置等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及參數(shù)，解決了大蔥聯(lián)合收獲的難題。實踐證明，該收獲機結(jié)構(gòu)合理、運行可靠，不僅提高了大蔥生產(chǎn)收獲自動化、智能化水平，也進一步助力大蔥產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。

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