CN107006218A - 茶叶仿生采摘指 - Google Patents
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Abstract
本技术提供一种能够实现“提手采”的茶叶仿生采摘指，它通过定位、固定、提拉等动作将新梢的茎拉断，其效果如同手工折断。它包括可相互沿轴向相对移动的外层套、中层套、里层套、芯轴；下夹爪、下夹爪外连杆、下夹爪内连杆、上夹爪、上夹爪外连杆、上夹爪内连杆各一对，以芯轴轴线对称设置；一对上夹爪相对的端部在一对下夹爪相对的端部的上方；外层套在下夹爪开合驱动机构驱动的带动下相对于中层套轴向移动时，一对下夹爪的相对端部开合，实现对茶叶夹紧或松开；芯轴在上夹爪开合驱动机构驱动的带动下相对于里层套轴向移动时，一对上夹爪的相对端部开合，实现对茶叶夹紧或松开；升降驱动机构动作，带动一对上夹爪相对于下夹一对爪轴向移动。
Description
技术领域
本技术涉及采摘茶叶的采摘指，尤其是采摘名优绿茶的智能仿生采摘指。
背景技术
中国是茶叶的故乡，也是目前世界上最大的茶叶生产国与消费国。而绿茶生产量、出口量和消费量最大，是中国茶产业发展的重要支柱。名优绿茶（尤其是特级、一级高档次名优绿茶）对芽叶形态要求较高，其鲜叶标准一般为一芽一叶、一芽二叶，而且需要保证叶片完整。这样的新梢嫩叶，目前国内外无一例外地只能依靠手工采摘。但是，手工采茶非常辛苦与耗时。以龙井茶为例，通常制作1公斤特级龙井茶，需要采摘7-8万个细嫩芽叶。茶叶成本的40％用于劳动力，而劳动力开支中的80％用于采摘。早春季节手工采茶虽然劳动力成本高，但是，由于手采茶品质好，制作出的成品茶叶经济效益仍然远高于机采茶。名优茶茶青采摘时间直接影响到茶叶的品质，茶农有谚语说“早采三日是个宝，迟采三天变成草”。然而近年来，随着劳动力成本的提高，名优茶采摘难问题日渐突出、日趋严重，已成为制约名优茶可持续发展的现实问题。
常用的采茶机有手持式和乘用式两种形式，它们都是基于切割式工作原理。这种采茶方法虽然具备较高的采摘效率，但是对嫩叶和老叶没有选择性，只是将茶树蓬面整体地剪切一遍，茶叶叶片破损严重。用这种方法采摘下来的茶树鲜叶一般用于制作大宗茶，不能用于制作高档次名优茶。茶园亟需一种工作效率高，又能适用于采摘制作高档次名优绿茶鲜叶的自动化机械。
为了解决名优绿茶采摘难问题，国内外均开展了机械化采摘相关研究，并渐成热点。西北农林科技大学杨福增、杨青等人以室内白色背景下的单株茶叶枝条为研究对象，基于颜色与形状特征开展了嫩芽边缘检测与识别研究。四川农业大学汪建在HSI空间研究了结合颜色和区域生长的茶叶图像分割算法。浙江大学骆耀平、张兰兰等人研究了名优茶机采分级技术，并研究了茶树新梢节间与展叶角度生长变化及对名优茶机采的影响。贵州大学古千里、李长虹等人研究了便携式水平旋转式采茶机和滚切式采茶机用于采摘优质茶青，所研究的采茶机需要人工手持，人为选择新梢，并做后期分选。中国农业科学院茶叶研究所提出一种名优茶机采方法：由熟练的机采工人使用双人采茶机或单人采茶机，在符合名优茶机采要求的茶园中采下鲜叶。该方法对新梢的选择性主要依靠茶树栽培、修剪、采茶机操作技巧，以及后期的分选等环节，而不是在茶园现场直接有选择性地采摘一芽一叶或者一芽二叶。汤一平开展了基于机器视觉的大宗茶智能采茶机研究，通过对茶树嫩芽的自动识别与采茶机割刀的自动调平调高使得割刀的高度与目标茶树冠的高度一致。南京林业大学陈勇基于新梢颜色、形态等特征，综合应用机器视觉、光栅投影三维测量、并联机器人等高新技术，结合茶园农艺研发了对新梢嫩芽有选择性采摘的机器人。实验室和田间试验验证了该方法对新梢具备选择性，可以实时地采摘一芽一叶或者一芽二叶。
文献检索显示，茶树新梢智能识别研究尚处于探索阶段，而新梢的仿生采摘则尚无报道。现有的采茶机都是基于剪切方式工作，不能满足制作高档名优茶的需要。手工采摘一芽一叶或者一芽二叶时，一般采用“提手采”方法。新梢并不是被指甲掐断，而是被拇指和食指指肚轻巧地折断下来的。掐断的新梢断口（“芽柄”）会被污染，并在泡茶时呈现深色斑点，大大影响美观。为了符合制作高档次名优绿茶对鲜叶标准的要求，必须尽量模仿手工折断新梢的动作。
发明内容
本技术的目的是提供一种能够实现“提手采”的茶叶仿生采摘指，它通过定位、固定、提拉等动作将新梢的茎拉断，其效果如同手工折断，尤其适合于名优茶茶青采摘。
本技术所述的茶叶仿生采摘指，包括从外到内依次套合、可相互沿轴向相对移动的外层套5、中层套12、里层套13、芯轴14；
下夹爪11、下夹爪外连杆8、下夹爪内连杆9、上夹爪15、上夹爪外连杆19、上夹爪内连杆16各有一对，均以芯轴轴线对称设置；
一对上夹爪15相对的端部在一对下夹爪11相对的端部的上方；
下夹爪外连杆8与外层套5铰接，下夹爪内连杆9与中层套12铰接，下夹爪外连杆8与下夹爪内连杆9相铰接；下夹爪11与下夹爪外连杆8或者下夹爪内连杆9固定相连；
在外层套5与中层套12之间设置有驱动外层套5相对于中层套12沿轴向移动的下夹爪开合驱动机构；外层套5在下夹爪开合驱动机构驱动的带动下相对于中层套12轴向移动时，一对下夹爪11的相对端部开合，实现对茶叶夹紧或松开；
上夹爪外连杆19与芯轴14铰接，上夹爪内连杆16与里层套13铰接，上夹爪外连杆19与上夹爪内连杆16相铰接；上夹爪15与上夹爪外连杆19或者上夹爪内连杆16固定相连；
在里层套13与芯轴14之间设置有驱动芯轴14相对于里层套13沿轴向移动的上夹爪开合驱动机构；芯轴14在上夹爪开合驱动机构驱动的带动下相对于里层套13轴向移动时，一对上夹爪15的相对端部开合，实现对茶叶夹紧或松开；
在中层套12与里层套13之间设置有驱动里层套13相对于中层套12沿轴向移动的升降驱动机构；升降驱动机构动作，带动里层套13、上夹爪开合驱动机构、芯轴14、一对上夹爪15一起相对于中层套12轴向移动。
作为对上述茶叶仿生采摘指的进一步改进，一对下夹爪11所在的平面与一对上夹爪15所在的平面相垂直。
作为对上述茶叶仿生采摘指的进一步改进，下夹爪开合驱动机构、上夹爪开合驱动机构、升降驱动机构均为电机作为动力的齿轮齿条机构。
作为对上述茶叶仿生采摘指的进一步改进，下夹爪开合驱动机构包括固定在中层套12上的下夹爪开合电机25、固定在外层套5上的下开合齿条27，与下开合齿条27啮合的下开合齿轮26固定在下夹爪开合电机25的输出轴上。优选，它还包括用于控制下夹爪开合电机25行程的控制器、用于检测两个下夹爪11之间的夹持力的力传感器，力传感器的输出接控制器。当力传感器检测出下夹爪11之间的夹持力的大小，传输给控制器，控制器再调节下夹爪开合电机25的行程，改变两个下夹爪11之间的夹持力，形成闭环控制，防止两个下夹爪11之间的夹持力过大或者过小。
下夹爪外连杆8或者下夹爪内连杆9具有一个凸起；下夹爪11的上端固定一个传感器固定座29，凸起伸入传感器固定座29上的凹槽内并与凹槽形成滑动配合，相对的凹槽底面与凸起端面之间设置有反应一对下夹爪11之间的夹持力的力传感器，力传感器的输出接控制器；当一对下夹爪夹紧时，下夹爪11和传感器固定座29相对于凸起移动，传感器受到挤压而间接反映出一对下夹爪11之间的夹持力。
作为对上述茶叶仿生采摘指的进一步改进，上夹爪开合驱动机构包括固定在里层套13上的上夹爪开合电机7、固定在芯轴14上的上开合齿条22，与上开合齿条22啮合的上开合齿轮21固定在上夹爪开合电机7的输出轴上。优选，它还包括用于控制上夹爪开合电机7行程的控制器；、用于检测两个上夹爪15之间的夹持力的力传感器，力传感器的输出接控制器。当力传感器检测出上夹爪15之间的夹持力的大小，传输给控制器，控制器再调节上夹爪开合电机7的行程，改变两个上夹爪15之间的夹持力，形成闭环控制，防止两个上夹爪15之间的夹持力过大或者过小。
上夹爪外连杆19或者上夹爪内连杆16具有一个凸起；上夹爪15的上端固定一个传感器固定座30，凸起伸入传感器固定座30上的凹槽内并与凹槽形成滑动配合，相对的凹槽底面与凸起端面之间设置有反应一对上夹爪15之间的夹持力的力传感器，当一对上夹爪夹紧时，上夹爪15和传感器固定座30相对于凸起移动，传感器受到挤压而间接反映出一对上夹爪15之间的夹持力。
本技术的有益效果：使用时，先通过下夹爪开合驱动机构带动外层套5相对于中层套12轴向移动，一对下夹爪11的相对端部闭合，夹紧茶树茎的下部位置；同时通过上夹爪开合驱动机构带动芯轴14相对于里层套13轴向移动，一对上夹爪15的相对端部闭合，夹紧茶树茎的上部位置；最后再通过升降驱动机构带动一对上夹爪15相对于一对下夹爪11向上移动，将新梢的茎拉断，完成茶叶的采摘，这基本与人工的“提手采”方法相同。
为使下夹爪或上夹爪夹住茶树茎时，既不打滑又不夹断，通过力传感器实时间接检测下夹爪或上夹爪的夹持力，并把力传感器的输出到控制器，通过控制器控制下夹爪开合电机25或上夹爪开合电机7的行程，从而控制一对下夹爪11相对的端部之间的距离或者一对上夹爪15相对的端部之间的距离，使得一对下夹爪或者一对上夹爪获得合适的夹持力。
附图说明
图1是茶叶仿生采摘指整体立体图。
图2是图1中的局部放大图。
图3是茶叶仿生采摘指的俯视图。
图4是图3的A-A剖视图。
图5是图3的B-B剖视图。
图6是茶叶仿生采摘指的主视图。
图7是图6的C-C剖视图。
图8是图7的局部放大图。
图9是图8的D-D剖视图。
图10是茶树茎示意图。
图11是控制器、力传感器、电机等控制关系框图。
图中，1.升降齿条，2.升降齿轮， 3.升降电机，4.平台，5.外层套，6.铰链，7.上夹爪开合电机，8.下夹爪外连杆，9.下夹爪内连杆，10.铰链，11.下夹爪，12.中层套，13.里层套，14.芯轴，15.上夹爪，16.上夹爪内连杆，17.铰链，18.铰链， 19.上夹爪外连杆，20.电机支架，21.上开合齿轮，22. 上开合齿条，23.铰链，24.连接板，25.下夹爪开合电机，26.下开合齿轮，27.下开合齿条，28.力传感器，29. 传感器固定座，30. 传感器固定座，31.铰链，32.圆柱销。
具体实施方式
一、茶叶仿生采摘指整体结构
参见图1所示的茶叶仿生采摘指，由升降齿条1、升降齿轮2、升降电机3、平台4、外层套5、铰链6、上夹爪开合电机7、下夹爪外连杆8、下夹爪内连杆9、铰链10、下夹爪11、中层套12、里层套13、芯轴14、上夹爪15、上夹爪内连杆16、铰链17、铰链18、上夹爪外连杆19、电机支架20、上开合齿轮21、上开合齿条22、铰链23、连接板24、下夹爪开合电机25、下开合齿轮26、下开合齿条27、力传感器28、传感器固定座29、传感器固定座30、铰链31、圆柱销32等构成。
升降电机3和下夹爪开合电机25分别与平台4固定，中层套12通过连接板24固定在平台4上；上夹爪开合电机7通过电机支架20与里层套13固定。
升降齿条1与里层套13固定，上开合齿条22与芯轴14固定，下开合齿条27与外层套5固定。
下夹爪11通过传感器固定座29与下夹爪内连杆9固定，上夹爪15通过传感器固定座30与上夹爪内连杆16固定，两者结构类同，现以下夹爪11与下夹爪内连杆9相连的结构进行说明。
参见图2、图8、图9，下夹爪内连杆9有一个凸起，凸起部分截面为矩形，同时，传感器固定座29有一个凹槽，凹槽截面也是矩形。这个矩形截面起着导向作用，凸起可以沿着凹槽移动。圆柱销32两端与传感器固定座29过盈配合联接；圆柱销32中部与下夹爪内连杆9凸起部分间隙配合。这样，当凸起沿着凹槽移动时，圆柱销32与下夹爪内连杆9的U型槽相对移动，同时由于圆柱销32的存在，使得下夹爪内连杆9与传感器固定座29保持连接，不会脱落。传感器固定座29与下夹爪11焊接成为一个整体。传感器固定座29凹槽底部有一个方形槽，里面放着力传感器28（薄片形状），当下夹爪11夹持茶树茎的时候，力传感器28受到下夹爪内连杆9凸起端部的挤压，通过测控系统就知道夹持力的大小。当下夹爪11张开时，力传感器28不受挤压，处于自由状态。
当下夹爪11夹持茶树茎的时候，介于下夹爪内连杆9和下夹爪11之间的传感器28受到挤压，其所受压力间接地反映出下夹爪11夹持茶树茎的力量。传感器固定座29用于放置力传感器28，同时连接下夹爪11和下夹爪内连杆9，并具备导向作用。
二、茶叶仿生采摘指采摘运动过程
1、下夹爪外连杆8一端通过铰链6与外层套5铰接，另一端通过铰链10与下夹爪内连杆9一端铰接，下夹爪内连杆9另一端由铰链31与中层套12铰接，下夹爪开合电机25驱动下开合齿轮26旋转使得下开合齿条27带动外层套5上下运动，从而带动下夹爪外连杆8与下夹爪内连杆9运动，从而使得对称的一对下夹爪11开合，参见图10，夹住或松开茎的B点位置（采摘时夹住茎的B点位置）。
2、上夹爪外连杆19一端通过铰链23与芯轴14铰接，另一端通过铰链17与上夹爪内连杆16一端铰接，上夹爪内连杆16另一端由铰链18与里层套13铰接，上夹爪开合电机7驱动上开合齿轮21旋转使得上开合齿条22带动芯轴14上下运动，从而带动上夹爪内连杆16与上夹爪外连杆19运动，从而使得对称的一对上夹爪15开合，参见图10，夹住或松开茎的A点位置（采摘时夹住茎的A点位置）。
3、A点处的提拉
升降电机3驱动升降齿轮2旋转使得升降齿条1带动里层套13向上运动。在这个过程中上夹爪开合电机7停止转动，芯轴14与里层套13相对静止，使得被夹紧的A点向上移动，从而实现一芽一叶的采摘。
为使上下夹爪夹住茎时，既不打滑又不夹断，本采摘指配备嵌入式微控制器，通过力传感器28实时检测夹持力并传输给嵌入式微控制器，嵌入式微控制器控制输出信号控制下夹爪开合电机25和上夹爪开合电机7的转动方向及转动角度，从而控制下夹爪11或者上夹爪15的行程，使得下夹爪11或者上夹爪15获得合适的夹持力。
参见图11，嵌入式微控制器通过电机控制上下夹爪的行程，进而控制合适的夹持力，确保上下夹爪夹住茎时，既不打滑又不夹断。在上下夹爪夹持过程中，力传感器实时检测夹持力，并反馈给微控制器，作为控制电机行程的依据。
Claims (9)
1.茶叶仿生采摘指，其特征是：包括从外到内依次套合、可相互沿轴向相对移动的外层套5、中层套12、里层套13、芯轴14；
下夹爪11、下夹爪外连杆8、下夹爪内连杆9、上夹爪15、上夹爪外连杆19、上夹爪内连杆16各有一对，均以芯轴轴线对称设置；
一对上夹爪15相对的端部在一对下夹爪11相对的端部的上方；
下夹爪外连杆8与外层套5铰接，下夹爪内连杆9与中层套12铰接，下夹爪外连杆8与下夹爪内连杆9相铰接；下夹爪11与下夹爪外连杆8或者下夹爪内连杆9固定相连；
在外层套5与中层套12之间设置有驱动外层套5相对于中层套12沿轴向移动的下夹爪开合驱动机构；外层套5在下夹爪开合驱动机构驱动的带动下相对于中层套12轴向移动时，一对下夹爪11的相对端部开合，实现对茶叶夹紧或松开；
上夹爪外连杆19与芯轴14铰接，上夹爪内连杆16与里层套13铰接，上夹爪外连杆19与上夹爪内连杆16相铰接；上夹爪15与上夹爪外连杆19或者上夹爪内连杆16固定相连；
在里层套13与芯轴14之间设置有驱动芯轴14相对于里层套13沿轴向移动的上夹爪开合驱动机构；芯轴14在上夹爪开合驱动机构驱动的带动下相对于里层套13轴向移动时，一对上夹爪15的相对端部开合，实现对茶叶夹紧或松开；
在中层套12与里层套13之间设置有驱动里层套13相对于中层套12沿轴向移动的升降驱动机构；升降驱动机构动作，带动里层套13、上夹爪开合驱动机构、芯轴14、一对上夹爪15一起相对于中层套12轴向移动。
2.如权利要求1所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：一对下夹爪11所在的平面与一对上夹爪15所在的平面相垂直。
3.如权利要求1所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：下夹爪开合驱动机构、上夹爪开合驱动机构、升降驱动机构均为电机作为动力的齿轮齿条机构。
4.如权利要求1所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：下夹爪开合驱动机构包括固定在中层套12上的下夹爪开合电机25、固定在外层套5上的下开合齿条27，与下开合齿条27啮合的下开合齿轮26固定在下夹爪开合电机25的输出轴上。
5.如权利要求4所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：它还包括用于控制下夹爪开合电机25行程的控制器、用于检测两个下夹爪11之间的夹持力的力传感器，力传感器的输出接控制器。
6.如权利要求5所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：下夹爪外连杆8或者下夹爪内连杆9具有一个凸起；下夹爪11的上端固定一个传感器固定座29，凸起伸入传感器固定座29上的凹槽内并与凹槽形成滑动配合，相对的凹槽底面与凸起端面之间设置有反应一对下夹爪11之间的夹持力的力传感器；当一对下夹爪夹紧时，下夹爪11和传感器固定座29相对于凸起移动，传感器受到挤压而间接反映出一对下夹爪11之间的夹持力。
7.如权利要求1所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：上夹爪开合驱动机构包括固定在里层套13上的上夹爪开合电机7、固定在芯轴14上的上开合齿条22，与上开合齿条22啮合的上开合齿轮21固定在上夹爪开合电机7的输出轴上。
8.如权利要求1所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：它还包括用于控制上夹爪开合电机7行程的控制器、用于检测两个上夹爪15之间的夹持力的力传感器，力传感器的输出接控制器。
9.如权利要求8所述的茶叶仿生采摘指，其特征是：上夹爪外连杆19或者上夹爪内连杆16具有一个凸起；上夹爪15的上端固定一个传感器固定座30，凸起伸入传感器固定座30上的凹槽内并与凹槽形成滑动配合，相对的凹槽底面与凸起端面之间设置有反应一对上夹爪15之间的夹持力的力传感器，当一对上夹爪夹紧时，上夹爪15和传感器固定座30相对于凸起移动，传感器受到挤压而间接反映出一对上夹爪15之间的夹持力。
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