CN109197143A - 一种名优茶智能双臂采茶机 - Google Patents

Abstract

一种名优茶智能双臂采茶机，属于农业机械技术领域。包括采摘装置、集叶装置和操控装置，其特征在于：所述采摘装置包括2个采摘头和2组可伸缩机械臂；所述采摘头包括外型呈畚箕状的基座本体，基座本体设置带凹槽的钢轮，钢轮的凹槽内配合设置一条环形钢丝绳，通过高速电机驱动钢轮运转从而带动环形钢丝绳高速移动实现芽稍的以线切割的方式被切割下来。本发明实现了名优茶机械化采摘中芽叶的原生态化、芽叶大小可选择化、采摘过程智能化、采摘速度高效化。

Description

一种名优茶智能双臂采茶机

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，尤其涉及一种名优茶智能双臂采茶机。

背景技术

茶叶是我国重要经济作物之一，是广大山区特别是中西部地区农民增收的重要途径，是茶区农村经济的重要支柱。据统计，全国有10个产茶省、300多个产茶县（市）将茶产业列为农业的支柱产业。然而近年来，随着产业结构的调整和农村劳动力的大量向沿海及城镇第二、三产业转移，我国茶叶“采工荒”愈演愈烈，名优绿茶采工短缺、失采严重。据估计，仅浙江省在用工高峰时采摘劳力缺口在50万人以上，采摘工费等成本持续走高。有部分茶叶企业由于缺少足够的采茶工，大量茶叶留在树上无法及时采下，有的甚至采下部分不足十分之一，造成了资源严重浪费。由于茶叶无法及时采下，不仅导致茶叶企业效益变差，也导致了茶叶企业在这一年中茶园管理没有了回报，也进一步加大了茶叶的生产成本，因此劳动力成本增高已成为制约茶产业再上台阶的重要瓶颈，对整个茶叶行业起着至关重要的影响。

我国茶叶效益主要来自于名优茶与优质茶。其中，名优茶是指以一芽一叶或一芽二叶为原料制作成品质较优的茶叶。由于名优茶采摘标准过嫩，按目前的无选择性的机械化采摘方式将所采下的茶鲜叶按标准大小采摘并分离是十分困难的。

由于当前比较通用的采茶机都是刀片往返式采茶机，这种机子在采摘时只能是沿着树冠面的某个高度，将刀口上方的芽叶全部采下，而无法分辨所采摘的这芽叶是单芽的、一芽一叶的、一芽二叶的甚至一芽三四叶或老叶，而是全部混杂在一起，从而导致名优茶原料的大小混杂，甚至因为有老叶及茎梗混杂在内而导致茶叶成品出现粗老味，从而显著降低名优茶的品质及价格。目前的业界人士也在不断地改进采茶机，以使其能适应名优茶的原料采摘。但这些改进大多集中在以下三个方面：1）刀片长短的改变，如将长刀片改成短小的刀片，以提高其灵活度；2）改变刀口的高度调节，让其尽量抬高，以尽量避免将成熟叶片采入其中；3）将汽油机驱动改为锂电池驱动，以减轻采摘机的重量，提高其机动性。但这三个方面都还是基于刀片往返式采摘原理，仍是解决不了无选择性的问题。目前虽然在摄像头识别方面也已有较多的研究，但由于茶叶新梢的色泽一致性较好，色泽反差较小，所以在正确识别方面效率较低。同时即使是识别了，采摘手的三维定位仍是十分困难及缓慢，离实际生产应用还有很长的路要走。

发明内容

为了克服背景技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种灵活机动的、以“智能识别+细线切割+风吸集叶”为核心的一种名优茶智能双臂采茶机，可真正达到智能、快速、优质的采摘效果，获得名优茶所需的优质材料。

本发明通过如下技术方案实现：

一种名优茶智能双臂采茶机，包括采摘装置、集叶装置和操控装置，其特征在于：所述采摘装置包括2个采摘头和2组可伸缩机械臂；所述采摘头包括外型呈畚箕状的基座本体，所述基座本体包括长方形底板，左、右侧板，后背板和上盖板；上盖板的中部设有集风罩，集风罩顶部与集叶装置固定连接；所述底板的前端设有穿过底板的左、右两根钢轮轴，钢轮轴的上下端均设有将其固定在基座本体上的固定条；底板上方的两根钢轮轴上分别配合设置带凹槽的钢轮，其中一根钢轮轴上还设有用于驱动该钢轮转动的高速电机，两个钢轮的凹槽内配合设置一条环形钢丝绳，通过高速电机驱动钢轮运转从而带动环形钢丝绳高速移动实现芽稍的以线切割的方式被切割下来；上盖板前端设有用于芽稍定位及高度识别的摄像头；所述基座本体上还设有用于连接可伸缩机械臂的固定桩；可伸缩机械臂的另一端与操控装置相连。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述基座本体的空腔内设有集叶挡板，所述集叶挡板的左、右侧分别与基座本体的左、右侧板固定连接，前端与底板前部固定连接，后端与后背板的顶部固定连接，实现在集叶挡板和上盖板之间形成一个集叶风道。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述集叶挡板设有两块，包括位于两个钢轮之间的前挡板，与前挡板通过雌雄卡扣连接的后挡板；钢轮的前部及前方的钢丝绳位于基座本体外侧，钢轮的后部及后方的钢丝绳位于基座本体内侧。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述可伸缩机械臂上设有实现可伸缩机械臂左右旋转及上下移动的双向马达和前后伸缩的步进马达。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述集叶装置主要由可伸缩集叶风管、涡旋风机、汇集风管和集叶箱构成，所述涡旋风机设置在可伸缩集叶风管的管壁上，集叶风管靠近汇集风管处设有排风网；所述可伸缩集叶风管设有2条，其前端分别连接一个采摘头，其末端与汇集风管固定连接。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述操控装置包括实现采茶机行进的运移系统，运移系统上方设置承载平台；运移系统和承载平台之间设有使承载平台保持水平的平衡装置；所述承载平台上固定连接升降杆；承载平台上还设有发电装置、蓄电池机组、图像信息处理及采摘控制系统和线控操作器；所述升降杆与可伸缩机械臂活动连接。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述运移系统由前后两对驱动轮、左右各一条履带、四个驱动轮支撑架、四个驱动轮搭载平台四部分组成。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述平衡装置为陀螺平衡仪。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述长方形底板的长为10cm，宽为8cm。

所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述环形钢丝绳的横截面直径为0.3mm。

上述的一种名优茶智能双臂采茶机，主要针对当前名优茶采摘所面临的人工紧缺、但当前往返式采茶机又无法真正解决名优茶的机械化采摘的问题，发明了一种灵活机动的、以“智能识别+细线切割+风吸集叶”为核心的采摘机械装备及采摘方式，从而解决当前通用的刀片往返式采茶机的无法选择性导致的芽稍长短无法控制，芽梢基部被切割位置被撕扯而变红等技术缺陷。本发明实现了名优茶机械化采摘中芽叶的原生态化、芽叶大小可选择化、采摘过程智能化、采摘速度高效化，具体来说具有如下有益效果：（1）以单线切割采摘的方式来代替原有的刀片往返切割，减少了芽叶的损伤。本专利采用了一根安装在两个钢轮上的高韧性环形钢丝绳代替传统刀片，钢丝绳在高速电机的带动下绕着两个钢轮高速旋转，形成切割力，这种线性切割具有切割快从而减少了传统刀片存在的芽梢基部被切割位置被撕扯而变红的问题，因此其所采摘的芽叶损伤比刀片切割的损失更小，从而使茶鲜叶的品质更佳；（2）以涡旋风机形成负风压集叶代替传统采茶机的吹风集叶，采下的芽叶会迅速被吸入集叶箱中，进一步减少了采摘芽梢间的撞击与摩擦，同时，由于风会迅速从位于集叶风管管路中后部的排风网中吹出，而使得采摘芽叶不会持续被风吹着，从而使采摘原料的新鲜度更好；（3）采摘头体积小，分为左右两个，灵活机动性好、定位快，采摘效率高。可以同时进行单条茶行采摘也可以同时进行两相邻茶行并行采摘。（4）集叶挡板加大了风压，增加了新梢的吸带效果；另一方面，将钢轮后方的钢丝绳阻隔在集叶挡板的下方，避免了采下的新梢被二次切割损伤。（5）采摘头上设有定位及高度识别摄像头，用以确定距离最近的芽稍的位置及高度并根据芽稍的长度实现精确切割，效率高，芽稍切割完整，质量好。

附图说明

图1是本发明采摘头的俯视结构示意图；

图2是本发明采摘头的仰视结构示意图；

图3是图1卸下集风罩和上盖板后的结构示意图；

图4是图3卸下集叶挡板后的结构示意图；

图5是本发明采摘头的侧面结构示意图；

图6是本发明采摘头的测面剖视结构示意图；

图7是本发明的结构示意图；

图8是本发明运移系统的结构示意图；

图中：1-采摘头；1-1-1-底板，1-1-2-侧板，1-1-3-后背板；1-1-4-上盖板；1-2-集风罩；1-3-钢轮轴；1-4-固定条；1-5-钢轮；1-6-高速电机；1-7-钢丝绳；1-8-摄像头；1-9-集叶挡板；1-9-1-前挡板；1-9-2-后挡板；1-10-固定桩；2-1-可伸缩集叶风管；2-2-涡旋风机；2-3-汇集风管；2-4-排风网；2-5-集叶箱；3-1-运移系统；3-1-1-驱动轮；3-1-2-履带；3-1-3-支撑架；3-1-4-搭载平台；3-1-5-线控操作器；3-2-平衡装置；3-3-承载平台；3-4-发电装置；3-5蓄电池机组；3-6-图像信息处理及采摘控制系统；3-7-升降杆； 4-可伸缩机械臂；4-1-双向马达；4-2-步进马达。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明设计了一种名优茶智能双臂采茶机（如图1-8），主要包括采摘装置、集叶装置和操控装置三大模块。其中：采摘装置包括包括两个采摘头1，两个采摘头的后侧各连接一组可伸缩机械臂4，两个采摘头的上方与集叶装置相连接；所述采摘头包括外型呈畚箕状的基座本体，每个基座本体均包括一块长方形底板1-1-1，左、右共两块侧板1-1-2，一块后背板1-1-3和一块上盖板1-1-4；上盖板的中部设有空腔，上盖板内侧与集风罩1-2密封连接，集风罩顶部与集叶装置固定连接；所述底板1-1-1的前端设有穿过底板的左、右两根钢轮轴1-3，钢轮轴的上下端均设有将其固定在基座本体上的固定条1-4，即每根钢轮轴上设有2根固定条；底板上方的两根钢轮轴上分别配合设置带凹槽的钢轮1-5，钢轮的直径最好为2cm且外径均有深1mm的凹槽；其中一根钢轮轴上还设有用于驱动该钢轮转动的高速电机1-6，两个钢轮的凹槽内配合设置一条环形钢丝绳1-7，通过高速电机驱动钢轮运转从而带动环形钢丝绳高速移动实现芽稍的以线切割的方式被切割下来，环形钢丝绳1-7的横截面为圆形，最佳直径为0.3mm，由高韧性金属材料制作而成；上盖板前端设有用于芽稍定位及高度识别的摄像头1-8；摄像头1-8可以为1个或2个，当设置为1个时摄像头最好设置在上盖板前端的中点，当设置为2个时摄像头最好设置在上盖板前端的中点两侧，呈对称分布；所述基座本体1-1上还设有用于连接可伸缩机械臂的固定桩1-10，为了取得更稳固的固定效果，固定桩最好设置2个；可伸缩机械臂的另一端与操控装置相连。

作为优选，所述基座本体1-1的空腔内设有集叶挡板1-9，所述集叶挡板的左、右侧分别与基座本体的左、右侧板固定连接，集叶挡板前端与底板前部（底板前部最好空出1-2cm，见图3）固定连接，集叶挡板后端与后背板的顶部固定连接，实现在集叶挡板和上盖板1-1-4之间形成一个集叶风道。集叶挡板1-9最好设置两块，包括位于两个钢轮之间的前挡板1-9-1，与前挡板通过雌雄卡扣连接的后挡板1-9-2；钢轮的前部及前方的钢丝绳位于基座本体外侧，钢轮的后部及后方的钢丝绳位于基座本体内侧。这两块挡板的作用一是为了能加大风压，增加新梢的吸带效果，提高集叶效率，另外一个作用是为了防止后侧的钢丝绳对采下的新梢的二次切割损伤。作为优选，钢轮最好有1/3的位置在基座本体外侧，以保证钢丝绳高速运转切割芽叶时不会被基座1-3阻挡，且切割下的芽叶能落在基座底板和集叶挡板上，不会掉落。长方形底板的厚度可以为0.3cm，长边长为10cm，短边长8cm。

所述可伸缩机械臂4上设有实现可伸缩机械臂左右旋转及上下移动的双向马达4-1和前后伸缩的步进马达4-2，从而实现采摘头的上、下、左、右灵活移动。

本发明所设计的集叶装置，其主要由可伸缩集叶风管2-1（口径6cm）、涡旋风机2-2、汇集风管2-3和集叶箱2-5（大小尺寸为：长50cm*宽30cm*高50cm）构成，所述涡旋风机2-2设置在可伸缩集叶风管2-1的管壁上，集叶风管靠近汇集风管2-3处设有排风网2-4；所述可伸缩集叶风管2-1设有2条，其前端分别连接一个采摘头1，其末端与汇集风管2-3固定连接。通过涡旋风机在集风罩1-2形成负压，使采摘下来的芽梢从集叶挡板上吸入可伸缩集叶风管，进而进入集叶箱2-5，涡旋风机2-2产生的风从排风网2-4快速排出，从而不影响集叶口的风压，也减少了集叶箱中采摘新梢持续被风吹的风险，保持了芽梢的新鲜度。

本发明所设计的操控装置，包括实现采茶机行进的运移系统3-1，运移系统上方设置承载平台3-3，主要由一块钢板组成；运移系统和承载平台之间设有使承载平台保持水平的平衡装置3-2；所述承载平台3-3上固定连接升降杆3-7（用于调节采摘装置的高度，高度80cm）；承载平台3-3上还设有发电装置3-4、蓄电池机组3-5、图像信息处理及采摘控制系统3-6和线控操作器3-1-5；升降杆3-7与可伸缩机械臂4活动连接。发电装置3-4主要为采茶机的采摘装置提供电力来源；蓄电池机组3-5主要用于对采茶机的高速电机1-6、摄像头1-8、涡旋风机2-2、图像信息处理及采摘装置控制系统3-6、采茶机四个驱动轮3-1-1的驱动马达及线控操作器3-1-5等设备提供电力。图像信息处理及采摘装置控制系统3-6主要包括视频信息处理系统、采摘头定位及高度调控系统、采茶机运动方向信号处理系统组成，其中对于采摘头的定位及高度控制设有人工操作模式及自动控制模式两种，人工模式下采茶机会关闭摄像头1-8及对相应控制马达的控制，采摘头的前后、左右及上下的移动均可由操作人随意控制；自动控制下采摘头的位置由可伸缩机械臂4中控制水平与上下方向的两个马达（双向马达4-1和步进马达4-2）来控制。

作为优选：采茶机操控装置的机身长度为80cm（不包括采摘设备及可伸缩机械臂），宽度为50cm，高度60cm（不包括升降杆高度）。系双履带支撑，其中单个履带宽20cm，两个履带间隙10cm，两个履带间外侧总宽为50cm，两个履带与地面接触部分长均为50cm，履带上下排间的高度为20cm，从而提高了设备在各种茶园中的可通过性及适用性。

作为优选，上述运移系统3-1由前后两对驱动轮3-1-1、左右各一条履带3-1-2、四个驱动轮支撑架3-1-3、四个驱动轮搭载平台3-1-4四部分组成，以能任意转向控制及提升通过能力，采茶机的前后移动及转向均由线控操作器3-1-5控制；平衡装置3-2主要是安装了陀螺平衡仪，陀螺平衡仪的具体结构可参照现有技术，以使采茶机能适应坡地茶园采摘。

本专利首次将以高速运转的钢丝绳形成的切割力应用到茶叶采摘中来代替原有的刀片往返切割，从而减少了芽叶的损伤。以单线切割采摘的方式来代替原有的刀片往返切割，所采摘的芽叶损伤比刀片切割的损失更小。

以风吸集叶的方式取代了当前采茶机普遍采用的吹风集叶方式，该方式可减少叶片间的堆积与磨损，同时也减少了鲜叶的着风时间，减少了芽叶间的撞击与摩擦，更有利于保持芽梢的新鲜度；同时由于风会迅速从位于集叶管路中段的出风网中吹出，而芽叶在失去风吸力后以自由落体的形式进入了集叶箱中，而使得采摘芽叶不会持续被风吹着，从而保持了叶片的正常含水量，而使采摘原料的新鲜度更好。

通过定位及高度识别摄像头快速判断采摘芽叶的位置和三维特征，计算出芽稍的高度，并通过图像信息处理及采摘控制系统反馈给安装切割采摘头的可伸缩机械臂，将采摘头的高度定位后切割采摘芽梢，芽稍完整，并用吸风管瞬间吸走所采下的新梢。本智能采茶机由两个采摘头组成，可在同一行进行双采摘头同时工作，也可在相邻两行同时采摘，采摘速度快，效率高。

采茶机对树冠的要求及采摘适期：设备要求采摘茶园的树冠以水平树冠为宜；当采摘芽叶新梢的以一芽一、二叶占树体上芽梢的70-80%时或芽梢平均高度为4.5-5cm时采摘为采摘适期。由于采用该种切割方式，可保证切口平整光滑，从而不会导致切口变红。同时由于采摘头切割线显著短于目前常规的刀片，所以切割时灵活机动，可选择性高，从而提高了芽梢的完整率，在满足树冠要求的前提下，在适采期用本发明所设计的名优茶智能双臂采茶机，采摘的芽梢完整率在98%以上，而用普通的刀片式采茶机其采摘的芽梢完整率在35-60%。经调查发现，在浙江地区，主要的茶叶品种一芽一叶的芽梢大概在4cm左右，一芽二叶的芽梢高度大概在5cm左右，因此，可以根据制茶的鲜叶标准及所采芽梢的相应高度来设定采摘芽稍的高度，因此芽梢的整齐度、均一度明显优于当前常规的采茶机。如设定的采摘芽梢高度为4cm，则所采下的芽梢高度基本能保持在4cm，因此保证了名优茶原料的整齐度与均一度。

Claims (10)

1.一种名优茶智能双臂采茶机，包括采摘装置、集叶装置和操控装置，其特征在于：所述采摘装置包括2个采摘头（1）和2组可伸缩机械臂（4）；所述采摘头包括外型呈畚箕状的基座本体，所述基座本体包括长方形底板（1-1-1），左、右侧板（1-1-2），后背板（1-1-3）和上盖板（1-1-4）；上盖板（1-1-4）的中部设有集风罩（1-2），集风罩顶部与集叶装置固定连接；所述底板的前端设有穿过底板的左、右两根钢轮轴（1-3），钢轮轴的上下端均设有将其固定在基座本体上的固定条（1-4）；底板上方的两根钢轮轴上分别配合设置带凹槽的钢轮（1-5），其中一根钢轮轴上还设有用于驱动该钢轮转动的高速电机（1-6），两个钢轮的凹槽内配合设置一条环形钢丝绳（1-7），通过高速电机驱动钢轮运转从而带动环形钢丝绳高速移动实现芽稍的以线切割的方式被切割下来；上盖板（1-1-4）前端设有用于芽稍定位及高度识别的摄像头（1-8）；所述基座本体上还设有用于连接可伸缩机械臂的固定桩（1-10）；可伸缩机械臂的另一端与操控装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述基座本体的空腔内设有集叶挡板（1-9），所述集叶挡板的左、右侧分别与基座本体的左、右侧板固定连接，集叶挡板的前端与底板（1-1-1）前部固定连接，后端与后背板（1-1-3）的顶部固定连接，实现在集叶挡板和上盖板（1-1-4）之间形成一个集叶风道。

3.根据权利要求2所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述集叶挡板（1-9）设有两块，包括位于两个钢轮之间的前挡板（1-9-1），与前挡板通过雌雄卡扣连接的后挡板（1-9-2）；钢轮的前部及前方的钢丝绳位于基座本体外侧，钢轮的后部及后方的钢丝绳位于基座本体内侧。

4.根据权利要求1所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述可伸缩机械臂（4）上设有实现可伸缩机械臂左右旋转及上下移动的双向马达（4-1）和前后伸缩的步进马达（4-2）。

5.根据权利要求1所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述集叶装置主要由可伸缩集叶风管（2-1）、涡旋风机（2-2）、汇集风管（2-3）和集叶箱（2-5）构成，所述涡旋风机（2-2）设置在可伸缩集叶风管（2-1）的管壁上，集叶风管靠近汇集风管（2-3）处设有排风网（2-4）；所述可伸缩集叶风管（2-1）设有2条，其前端分别连接一个采摘头，其末端与汇集风管固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述操控装置包括实现采茶机行进的运移系统（3-1），运移系统上方设置承载平台（3-3）；运移系统和承载平台之间设有使承载平台保持水平的平衡装置（3-2）；所述承载平台（3-3）上固定连接升降杆（3-7）；承载平台（3-3）上还设有发电装置（3-4）、蓄电池机组（3-5）、图像信息处理及采摘控制系统（3-6）和线控操作器（3-1-5）；所述升降杆（3-7）与可伸缩机械臂（1-9）活动连接。

7.根据权利要求6所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述运移系统（3-1）由前后两对驱动轮（3-1-1）、左右各一条履带（3-1-2）、四个驱动轮支撑架（3-1-3）、四个驱动轮搭载平台（3-1-4）四部分组成。

8.根据权利要求6所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述平衡装置（3-2）为陀螺平衡仪。

9.根据权利要求1所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述长方形底板（1-1-1）的长为10cm，宽为8cm。

10.根据权利要求1所述的一种名优茶智能双臂采茶机，其特征在于：所述环形钢丝绳（1-7）的横截面直径为0.3mm。