黃文祿1,2、盛中德3、廖唯喻4、黃弘儒4、楊舒宇5、薛竣丞5
1國立嘉義大學生物機電工程學系 助理教授
2國立嘉義大學能源與感測器中心 主任
3國立中興大學生物產業機電工程學系 教授
4國立嘉義大學生物機電工程學系 碩士生
5國立嘉義大學生物機電工程學系 大學部專題生 摘要
本研究應用PIA 影像分析系統進行蓮子幾何物性之量測，初期去芯試驗機構，以不同 型式去芯針及兩種放置位置，進行去芯試驗與統計分析知，已脫膜蓮子去芯前應分為10–12 mm、12–14 mm、14–16 mm 三等級，去芯蓮子應放置在第二位置及應用凹孔式去芯針之去 芯率為較佳。依此結果再進一步研製半自動蓮子去芯機，主要技術在應用60°V 形枕角度及 其檔板上錐形淺孔結構，促使蓮子芯長軸中心線，自動與去芯針中心線重疊之關鍵條件，
即易達到完全去芯之功能。以Ø3.0、Ø3.2、Ø3.4、Ø3.6 mm 凹孔式去芯針直徑，10、30、
50、80cm/s 去芯針速度及配合 90°、110°、130°、150°錐形孔角度等作為試驗參數，經統計 分析後顯示，橢圓粒種及圓粒種去芯率為98.67%及 99%，已可進行推廣給蓮子農民應用。
關鍵詞：蓮子、去芯、半自動、蓮子機械。
一、前言
國內蓮子主要盛產於台南市白河區及桃園市觀音區，由台南市白河區最具規模，農糧 署資料顯示，白河區種植蓮面積約300公頃，蓮子產量還是無法滿足國內需求，進而由東南 亞或中國大陸引進來補足。加上國內農村人口外移及蓮子收穫後處理過程繁瑣，導致剝蓮 子近幾年工資由每台斤八十元漲至一百二十元，國內市售新鮮蓮子價格也從以往的每台斤 兩百元漲至三百元以上。勞力成本佔約售價三至四成，如能以自動化或機械化機械取代，
將能大幅提升國內蓮子在市場上的競爭力，使得國內蓮農產業可以永續發展。
目前蓮子收穫後處理仍仰賴人工，使得勞力成本極高。因此，降低收穫後處理作業 成本的最佳途徑，即是開發機械化或自動化蓮子相關機械。蓮子去芯的傳統作業方式皆以 手工，利用針狀物將蓮子芯去除，而本研究係針對蓮子進行幾何物性量測及分析，進而研 製初期去芯機構進行去芯試驗，以其試驗因子之結果為基礎，研製半自動蓮子去芯機構，
再以不同試驗因子進行試驗，尋求較佳的去芯條件及去芯率，完成實用型之半自動蓮子去 芯機。
二、材料與方法
2.1 試驗材料
本研究之試驗材料是由田間採收之蓮蓬(含蓮子)，貯存於冷藏庫中，試驗前取出蓮蓬回 溫後，從蓮蓬中取出蓮子，作為蓮子剖面幾何形狀尺寸之特徵量測及去芯試驗的材料。
2.2 影像分析系統
蓮子剖面幾何特徵之量測，應用一組電腦、Power Image Analysis system (PIA)軟體及掃 描器(Epson 1270)，進行蓮子及剖面蓮子各部位尺寸量測，並進行統計分析。
2.3 試驗設備
2.3.1 初期去芯試驗機構
本蓮子去芯試驗機構，如圖1所示，是由一只60° V形枕與檔板、去芯針座及穿刺氣壓 缸所組成，機構設計主要重點是利用V形枕及蓮子短軸外形為圓形之特性，予以定位欲去 芯之蓮子，使蓮子橫置於V形枕上，避免蓮子在去芯過程中，些微偏移的現象，因此，V形 枕角度設計為60°，使蓮子定位更穩定；V形枕上檔板用以抵檔蓮子於去芯時，使蓮子與蓮 子芯分離，此檔板與蓮子接觸端面上，有鑽一錐形淺孔，當蓮子合點膜凸脊抵住此淺孔時，
此孔可使蓮子芯長軸中心線，自動與去芯針中心線重疊，因此，去芯針去芯作業即能順利 將蓮子芯移除；去芯針座係依去芯針直徑大小成配對，每一尺寸去芯針即有配對的去芯座，
安置於穿刺氣壓缸作動桿上。
傳統去芯時使用去芯針型式為尖頭型，本試驗蓮子去芯針型式可分為平頭型(Taper Type)、凹孔型(Concave hole Type)及尖頭型(Needle Type)三種如圖2所示，用以比較何種去 芯針型式適用於蓮子去芯作業。
圖1 初期去芯試驗機構示意圖(左)去芯機構正視圖；(右)V形枕側視圖
圖2 去芯針型式
圖1 初期去芯試驗機構示意圖(左)去芯機構正視圖；(右)V形枕側視圖
圖2 去芯針型式
A. Taper Type B. Concave hole Type C. Needle Type
穿刺氣壓缸 去芯針座 去芯針
檔板 V形枕 蓮子
2.3.2 半自動去芯機構
2.4 試驗方法
2.4.1 手工去芯率檢視
本檢測係自一般市場購買經去芯之市售蓮子，將蓮子剝開進行市售蓮子去芯率分析，以 30粒為一組，橢圓粒及圓粒種蓮子各分為24組，以了解市售去芯蓮子之去芯率，作為半自 動去芯機之指標。
2.4.2 蓮子幾何物性量測
蓮子物性量測項目有帶殼之長軸及短軸外形尺寸、帶殼最大短軸真圓度、脫殼膜之長軸 及短軸外形尺寸、脫殼膜最大短軸真圓度及合點膜凸脊角度及高度等，量測時，應用游標 卡尺及PIA影像系統，此些量測數據主要在了解蓮子各項外形尺寸之分佈範圍，以利於去芯 試驗時，用以判定蓮子分級等級及設計機構之基本參考數據，其中短軸最大直徑量測尤為 重要，因為，去芯時，蓮子係以橫置方式置於V形枕上，其值大小會影響去芯作業時，是 否會偏向或位移，同時，間接影響蓮子去芯率。
2.4.3 剖面蓮子之定義與量測
剖面蓮子，如圖 6 所示，應用 PIA 影像計測系統，量測圖示各部位：
1.合點膜凸面脊部之距離(Apical point Membrane Distance & AMD)：合點膜兩脊部間之 距離。
2.蓮芯室寬度(Plumule Room Width & PRW)：與穿刺線平行之最大芯室距離。
3.穿刺線與長軸線間之角度(Angle)：穿刺線與長軸線間之夾角。
4.蓮芯直徑(Plumule Diameter)：最大短軸剖面測量線上蓮芯直徑之均值。
5.蓮子合點膜凸脊角度及高度，如圖7所示。
2.4.4 初期蓮子去芯試驗
蓮子去芯前手動放置位置，如圖8所示，第一位置是將蓮子放置於V形枕中間位置，第 二位置則將蓮子放置於V形枕中間位置後，再將蓮子合點膜端移至與檔板錐形淺孔緊貼之 位置，此設計在了解蓮子於去芯過程中，偏斜狀況及其去芯率的影響。
圖 6 剖面蓮子示意圖 圖 7 合點膜凸脊角度及高度量測
圖8 蓮子放置位置
蓮子初期去芯試驗，係以7cm/s及各型式Ø3.2mm之去芯針速度與直徑，進行去芯試驗，
試驗時，以隨機方式取出尚未分級之已脫殼膜的蓮子，放置於V形枕之第一位置及第二位 置，再分別應用三種不同去芯針型式進行初期去芯試驗，每組試驗蓮子顆數為60顆，此試 驗設計在於尋求蓮子去芯率100％之蓮子的短軸最大及最小直徑之範圍尺寸、均值、去芯率 100％之次數，依此試驗結果，再與蓮子物性尺寸及分佈狀況整合，以尋求及決定蓮子分級 的等級及範圍；試驗結果將會顯示何種去芯針型式，具有較高的去芯率。
2.4.5 半自動蓮子去芯試驗
半自動蓮子去芯機試驗係使用已脫殼膜後的分級蓮子，放置於V形枕，再進行去芯試 驗，試驗時以30顆蓮子為一組，應用凹孔式去芯針，其去芯試驗條件為：不同去芯針直徑、
速度及錐形淺孔角度：Ø3.0mm、Ø3.2mm、Ø3.4mm及Ø3.6mm之去芯針直徑，10cm/s、
30cm/s、50cm/s及80cm/s之去芯速度，及90°、110°、130°、150°錐形淺孔角度進行半自動 蓮子去芯試驗，尋找半自動蓮子去芯機之較佳去芯條件與分析。
三、結果與討論
3.1 傳統市售手工去芯率
試驗時使用傳統手工去芯後蓮子之檢視，經檢視分析結果顯示橢圓粒種最高去芯率為 98.67%，最低為61%，圓粒種最高去芯率為100%，最低為74.67%，其中橢圓粒種總去芯率 86.41%低於圓粒種總去芯率92.71%，在傳統手工去芯以圓粒較高；傳統人工去芯雖準確度 高，但較不穩定，且摻雜多種人為因素存在，會使得去芯率稍有落差，對此些問題，則有 賴本試驗去芯之機構予以取代。
3.2 蓮子幾何物性
3.2.1 物性量測與統計
試驗蓮子分為橢圓粒種及圓粒種，外表形狀皆屬於橢圓形，幾何形狀尺寸針對帶殼蓮子 及脫殼膜蓮子進行量測，經統計之結果，如圖9、圖 10 所示。顯示在脫殼膜蓮子外形尺寸 方面，橢圓粒種長軸直徑範圍在 14.6–19.9 mm，均值為 17.2 mm，圓粒種長軸直徑範圍在 12.7–15.9 mm，均值為 14.4 mm，橢圓粒種短軸直徑範圍在 10.8–16.6 mm，均值為 12.4 mm，
圓粒種短軸直徑範圍在11.9–15.7 mm，均值為 13.2 mm；橢圓粒種短軸直徑分佈在 10–12mm 圖8 蓮子放置位置
First position Second position
範圍內占試驗總粒數的25.73%，分佈在 12–14mm 範圍內占試驗總粒數的 75.33%，則 14–16 膜突出端點(Apical point)至蓮子另一端外緣凸出點，此凸出點因處於蓮子芯中心線上，成為 手工去芯者穿刺去芯的最佳位置，即為最佳穿刺起始點，但是，橢圓粒種穿刺線與長軸之
130°、150°，淺孔深度為2 mm。
Major axis (mm) Major axis (mm)
Major axis (mm) Major axis (mm)
18.0
3.3 蓮子放置位置及去芯針型式試驗
率83.25%優於其它試驗因子組合，其短軸直徑範圍為14.7–10.7 mm，短軸均值為12.99 mm；由表2知，圓粒種以凹孔式第二位置去芯100%為42/60次，其去芯率80.5%為較高，短軸直徑 範圍為14.4–11.3 mm，短軸均值為13.15 mm。
此時，若與圖9及圖10短軸頻度分佈圖對照顯示，以Ø13 mm圓柱體校正中心(假設蓮子 直徑為Ø13 mm)為基礎，試驗後，將去芯率100%之蓮子，進行蓮子短軸直徑量測，量測結 果短軸直徑分佈範圍皆在12–14 mm內，因此，可驗證經脫殼及脫膜後之蓮子可分成10–12 mm、12–14 mm及14–16 mm三等級。
表1 初期蓮子位置試驗結果(橢圓粒種)
Variety Minor Max. Range Size,mm
Mean Minor Max.
Range Size,mm
Mean Mean
mm 100%Succeed
Times Removed Rate,% Note: P1, P2: Position of Removing plumule, Testing Times: 60 Times
表2 初期蓮子位置試驗結果(圓粒種)
Variety Minor Max. Range Size,mm
Mean Minor Max.
Range Size,mm
Mean Mean
mm 100%Succeed
Times Removed Rate,%
Note: P1, P2: Position of Removing plumule, Testing Times: 60 Times
3.4 半自動去芯機試驗結果
10 cm/s 及錐形孔角度130°之條件下，去芯率為98.67%；圓粒種則以去芯針直徑Ø3.6 mm、去芯速度10 cm/s 及錐形孔角度150°之條件下，去芯率為99%。
四、結論
經初期去芯機構之試驗、統計及分析後，顯示蓮子可分成三等級，即10–12mm、12–14mm 及14–16mm；應用凹孔式去芯針。
半自動蓮子去芯機構試驗結果知，橢圓粒種在Ø3.6mm去芯直徑、10cm/s去芯速度及錐 形角度130°之條件下，去芯率為98.67%；圓粒種在Ø 3.6 mm去芯直徑、10cm/s去芯速度及 錐形孔角度150°之條件下，去芯率為99%；其去芯率皆較傳統市售手工去芯率為高，因此，
2. 余銘仁、林慶福（民94）。專利證號092137374。臺北市：經濟部智慧財產局。
3. 吳宗輝。1998。白河蓮花節八十六年成果專輯。台南縣白河鎮公所。ISBN：9570209712，
3. 吳宗輝。1998。白河蓮花節八十六年成果專輯。台南縣白河鎮公所。ISBN：9570209712，