CN110859087A - 一种多功能采茶机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能采茶机器人，包括采摘机构、喷洒机构、动力装置、动态视觉识别系统、全向行驶小车；采摘机构、喷洒机构、动力装置固定在全向行驶小车顶部转盘上；采摘机构用于采摘茶叶，喷洒机构用于喷洒液体，动力装置为采摘机构提供压缩空气；动态视觉识别系统的转轴一电机驱动转轴一转动，进而带动支架绕转轴一转动，转轴二电机驱动转轴二转动，进而带动支架绕转轴二转动。优点是：整体结构合理，方便操作，采用采摘机构、喷洒机构、动态视觉识别系统、全向行驶小车配合运行，实现茶叶分辨，茶叶采摘，农药、水等液体的喷洒，提高了采茶效率；全向行驶小车采用多运动机构驱动运行，使全向行驶小车适应任何地形。

Description

一种多功能采茶机器人

技术领域

本发明属于一种采茶设备，尤其涉及一种多功能采茶机器人。

背景技术

随着农业机械化的快速发展，采茶机械得到了广泛的应用和发展，现有的采茶方式主要还是以人工为主，但是人工采摘速度慢，效率低，已不能适应当今社会的需求，虽然市场上已经有了采茶机，但是这些采茶机功能单一，采茶精度低，采摘的鲜叶质量无法得到保证，茶园的地形不同，茶树的高低不同，造成了市面上的采茶机只能应用在地形比较平坦，茶树高度相对统一的环境中，发挥不出农业机械化带来的优势。茶园发生病虫害时，基本上都是采用大面积喷药，不仅浪费农药，而且增加了农药的残留度，降低了茶叶的质量，而现有的采茶机无法分辨茶叶外观，为后续的筛分工作带来困难。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多功能采茶机器人，能够适应多种地形，可采摘不同高度的茶叶，提高采茶效率，同时提高采摘的鲜叶质量。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种多功能采茶机器人，包括采摘机构、喷洒机构、动力装置、动态视觉识别系统、全向行驶小车；采摘机构、喷洒机构、动力装置固定在全向行驶小车顶部转盘上；

采摘机构用于采摘茶叶，包括末端执行器、采茶机械臂、采集管、收集仓，末端执行器用于将茶叶掐断，为机械手；采茶机械臂前端与末端执行器连接，采茶机械臂下部连接有采集管，采集管顶端开口设置在采茶机械臂前端下方，采集管底端与收集仓连接，收集仓包括箱体、风机、风筒、多孔板、压缩空气喷嘴，箱体与采集管连通，箱体上部固定有多孔板，多孔板与压缩空气喷嘴连接，风机与风筒连接，风筒底端与多孔板连接，风机设置在箱体外部，压缩空气喷嘴与空压机连接；动态视觉识别系统固定在采茶机械臂上；

喷洒机构用于喷洒液体，包括喷射装置、药水箱、清除机械臂，药水箱内分为多个存水腔，喷射装置包括喷嘴、软管、快速接头、连接管、潜水泵，喷嘴固定在清除机械臂的头端，清除机械臂尾端固定在全向行驶小车顶部转盘，喷嘴与软管连接，清除机械臂上连接有多个快速接头，每个快速接头均通过连接管与潜水泵连接，潜水泵设置在存水腔内；

动力装置包括蓄电池、空压机，为采摘机构、喷洒机构、动态视觉识别系统、全向行驶小车提供电能，为采摘机构提供压缩空气；

动态视觉识别系统包括双目摄像头、转轴一、转轴二、支架，双目摄像头固定在支架上，转轴一、转轴二相互垂直设置，转轴一电机驱动转轴一转动，进而带动支架绕转轴一转动，转轴二电机驱动转轴二转动，进而带动支架绕转轴二转动；

所述的全向行驶小车包括转盘、转盘电机、小车主架，转盘电机驱动转盘在小车支架上旋转；转盘电机固定在小车主架上，小车主架上连接有至少三个运动机构，每个运动机构包括轮子、驱动电机、驱动装置、升降桶、升降装置、升降电机、平移装置、平移电机、旋转桶、旋转装置、旋转电机；驱动电机驱动驱动装置进而带动轮子转动，升降桶固定在驱动装置上，升降桶与升降装置连接，升降电机通过升降装置驱动平移装置升降，平移电机通过平移装置驱动旋转桶平移，旋转电机通过旋转装置驱动旋转桶旋转进而带动转盘转动。

所述的驱动电机通过驱动装置驱动轮子旋转，驱动装置与升降桶固定连接，升降电机通过升降装置驱动升降桶沿升降装置上下滑动，升降装置与平移装置固定连接，平移电机通过平移装置驱动升降装置沿着平移装置做直线平移运动；平移装置与旋转桶固定连接，旋转电机通过旋转装置驱动旋转桶做旋转运动，旋转装置安装在小车主架上。

所述的驱动装置包括驱动装置连接法兰、驱动壳体、蜗轮输出法兰、驱动蜗杆输入轴，驱动装置连接法兰与驱动壳体连接成为一个整体，驱动装置连接法兰用来连接升降桶，蜗轮输出法兰与轮子固定连接，驱动蜗杆输入轴与驱动电机输出轴连接，驱动蜗杆输入轴与驱动蜗轮啮合，驱动蜗轮与蜗轮输出法兰固定连接，驱动电机驱动驱动蜗杆输入轴旋转，通过蜗轮蜗杆传动，带动轮子转动。

所述的升降装置包括升降装置连接法兰、升降蜗杆输入轴、升降壳体、升降丝母、升降丝杠，升降丝母、升降丝杠竖直的设置在升降壳体内，升降丝母与升降丝杠螺纹连接，升降电机驱动升降蜗杆输入轴旋转，升降蜗杆输入轴与升降蜗轮啮合，升降蜗轮与升降丝杠固定连接，升降丝母与升降桶固定连接，升降壳体通过升降装置连接法兰固定连接平移装置的平移装置丝母；

所述的平移装置包括平移装置连接法兰、平移装置壳体、平移装置丝母、平移电机连接法兰，平移装置壳体通过平移电机连接法兰与平移电机固定连接，平移装置壳体与平移装置连接法兰固定连接，平移装置连接法兰与旋转桶通过螺栓连接，平移装置壳体内设有水平设置的平移丝杠，平移电机驱动平移丝杠旋转，平移丝杠与平移装置丝母螺纹连接，平移丝杠转动带动平移装置丝母沿平移丝杠水平移动，进而带动旋转桶水平移动。

所述的旋转装置包括旋转装置壳体、旋转蜗杆输入轴、旋转装置蜗轮、旋转装置法兰，旋转电机通过旋转蜗杆输入轴带动旋转装置蜗轮旋转，旋转装置蜗轮与旋转桶固定连接，旋转装置法兰固定在旋转桶外壁，旋转装置法兰用来与小车主架固定连接；旋转装置壳体与旋转桶固定连接，旋转蜗杆输入轴设置在旋转装置壳体内。

所述的连接管上设有电磁阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明整体结构合理，方便操作，采用采摘机构、喷洒机构、动态视觉识别系统、全向行驶小车配合运行，实现茶叶分辨，茶叶采摘，农药、水等液体的喷洒，提高了采茶效率，利用动态视觉识别系统识别虫眼、残叶或者颜色暗淡的茶叶，提高采摘质量；全向行驶小车采用多运动机构驱动运行，使全向行驶小车能够适应任何地形，方便采摘。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是喷射装置的结构示意图。

图3是全向行驶小车的结构示意图。

图4是驱动装置的结构示意图。

图5是升降装置的结构示意图。

图6是平移装置的结构示意图。

图7是旋转装置的结构示意图。

图8是本发明的控制系统原理图。

图9是高速动态视觉识别系统的原理图。

图10是高速动态视觉识别系统的工作流程图。

图11是高速动态视觉识别系统的结构示意图。

图12是箱体的结构示意图。

图中：1-末端执行器 2-动态视觉识别系统 3-采茶机械臂 4-采集管 5-收集仓6-控制系统 7-喷洒机构 8-药水箱 9-清除机械臂 10-全向行驶小车 11-动力装置

201-双目摄像头 202-转轴一电机 203-转轴一 204-转轴二 205-转轴二电机206-支架

501-风机 502-风筒 503-多孔板 504-压缩空气喷嘴 505-箱体

701-喷嘴 702-喷射主体 703-快速接头

1001-轮子 1002-驱动电机 1003-驱动装置 100301-驱动装置连接法兰 100302-驱动壳体 100303-蜗轮输出法兰 100304-驱动蜗杆输入轴 1004-升降桶 1005-升降装置100501-升降装置连接法兰 100502-升降蜗杆输入轴 100503-升降壳体 100504-升降丝母100505-升降丝杠 1006-升降电机 1007-平移装置 100701-平移装置连接法兰 100702-平移装置壳体 100703-平移装置丝母 100704-平移电机连接法兰 1008-旋转桶 1009-旋转装置 100901-旋转装置壳体 100902-旋转蜗杆输入轴 100903-旋转装置蜗轮 100904-旋转装置法兰 10010-旋转电机 10011-转盘 10012-转盘电机 10013-平移电机 10014-小车主架。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1，一种多功能采茶机器人，包括采摘机构、喷洒机构7、动力装置11、动态视觉识别系统2、全向行驶小车10；采摘机构、喷洒机构7、动力装置11固定在全向行驶小车10顶部转盘10011上。

见图1、图12，采摘机构用于采摘茶叶，包括末端执行器1、采茶机械臂3、采集管4、收集仓5，末端执行器1用于将茶叶掐断，为机械手；采茶机械臂3前端与末端执行器1连接，采茶机械臂3下部连接有采集管4，采集管4顶端开口设置在采茶机械臂3前端下方，随着采茶机械臂3一起动作，采集管4底端与收集仓5连接，收集仓5包括箱体505、风机501、风筒502、多孔板503、压缩空气喷嘴504，箱体505与采集管4连通，箱体505上部固定有多孔板503，防止茶叶吸入风机501，多孔板503与压缩空气喷嘴504连接，风机501与风筒502连接，风筒502底端与多孔板503连接，风机501设置在箱体505外部，压缩空气喷嘴504与空压机连接；采摘后的嫩芽由采集管4顶端喇叭状开口进入采集管4，风机501将箱体505中的空气吸出，在箱体505中形成负压，采集管4中的嫩芽进入箱体505后，由于多孔板503的存在，不会被吸入风机501，长时间后，多孔板503的表面附着的嫩芽增多，可能会影响多孔板503的透气性，利用压缩空气喷嘴504向多孔板503喷射压缩空气，清除可能附着的的嫩芽。动态视觉识别系统2固定在采茶机械臂3上。

见图1、图2，喷洒机构7用于喷洒液体，包括喷射装置、药水箱8、清除机械臂9，药水箱8内分为多个存水腔，喷射装置包括喷嘴701、软管、快速接头703、连接管、潜水泵，喷嘴701固定在清除机械臂9的头端，清除机械臂9尾端固定在全向行驶小车10顶部转盘10011，喷嘴701与软管连接，清除机械臂9上连接有多个快速接头703，每个快速接头703均通过连接管与潜水泵连接，潜水泵设置在存水腔内。连接管上设有电磁阀。农药经喷嘴701喷向茶树病害区域的多个方向，最大程度的清除病害无死角。药水箱8中盛放的不同药液，每个存水腔存放一种药液，根据病害的不同，喷射不同的药液，避免了人工大面积的不同药液喷洒，通过电磁阀和水泵控制药液的输送。

动力装置11包括蓄电池、空压机，为采摘机构、喷洒机构7、动态视觉识别系统2、全向行驶小车10提供电能，为采摘机构提供压缩空气。动力装置11能够为多功能智能采茶机器人提供电能、压缩空气等动力，内含蓄电池、控制电路板、输出继电器、空气压缩机。

见图11，动态视觉识别系统2包括双目摄像头201、转轴一203、转轴二204、支架206，双目摄像头201固定在支架206上，转轴一203、转轴二204相互垂直设置，转轴一电机202驱动转轴一203转动，进而带动支架206绕转轴一203转动，转轴二电机205驱动转轴二204转动，进而带动支架206绕转轴二204转动。

见图1、图2-图7，全向行驶小车10包括转盘10011、转盘电机10012、小车主架10014，转盘电机10012驱动转盘10011在小车支架206上旋转；转盘电机10012固定在小车主架10014上，小车主架10014上连接有至少三个运动机构(本实施例为四个运动机构)，每个运动机构包括轮子1001、驱动电机1002、驱动装置1003、升降桶1004、升降装置1005、升降电机1006、平移装置1007、平移电机10013、旋转桶1008、旋转装置1009、旋转电机10010；驱动电机1002驱动驱动装置1003进而带动轮子1001转动，升降桶1004固定在驱动装置1003上，升降桶1004与升降装置1005连接，升降电机1006通过升降装置1005驱动平移装置1007升降，平移电机10013通过平移装置1007驱动旋转桶1008平移，旋转电机10010通过旋转装置1009驱动旋转桶1008旋转进而带动转盘10011转动。

驱动电机1002通过驱动装置1003驱动轮子1001旋转，驱动装置1003与升降桶1004固定连接，升降电机1006通过升降装置1005驱动升降桶1004沿升降装置1005上下滑动，升降装置1005与平移装置1007固定连接，平移电机10013通过平移装置1007驱动升降装置1005沿着平移装置1007做直线平移运动；平移装置1007与旋转桶1008固定连接，旋转电机10010通过旋转装置1009驱动旋转桶1008做旋转运动，旋转装置1009安装在小车主架10014上。

驱动装置1003包括驱动装置连接法兰100301、驱动壳体100302、蜗轮输出法兰100303、驱动蜗杆输入轴100304，驱动装置连接法兰100301与驱动壳体100302连接成为一个整体，驱动装置连接法兰100301用来连接升降桶1004，蜗轮输出法兰100303与轮子1001固定连接，驱动蜗杆输入轴100304与驱动电机1002输出轴连接，驱动蜗杆输入轴100304与驱动蜗轮啮合，驱动蜗轮与蜗轮输出法兰100303固定连接，驱动电机1002驱动驱动蜗杆输入轴100304旋转，通过蜗轮蜗杆传动，带动轮子1001转动。

升降装置1005包括升降装置连接法兰100501、升降蜗杆输入轴100502、升降壳体100503、升降丝母100504、升降丝杠100505，升降丝母100504、升降丝杠100505竖直的设置在升降壳体100503内，升降丝母100504与升降丝杠100505螺纹连接，升降电机1006驱动升降蜗杆输入轴100502旋转，升降蜗杆输入轴100502与升降蜗轮啮合，升降蜗轮与升降丝杠100505固定连接，升降丝母100504与升降桶1004固定连接，升降壳体100503通过升降装置连接法兰100501固定连接平移装置1007的平移装置丝母100703。升降蜗杆输入轴100502带动升降蜗轮转动，进而带动升降丝杠100505转动，实现升降丝母100504的上下移动，进而带动平移装置1007的升降。

平移装置1007包括平移装置连接法兰100701、平移装置壳体100702、平移装置丝母100703、平移电机10013连接法兰100704，平移装置壳体100702通过平移电机10013连接法兰100704与平移电机10013固定连接，平移装置壳体100702与平移装置连接法兰100701固定连接，平移装置连接法兰100701与旋转桶1008通过轴承连接，平移装置壳体100702内设有水平设置的平移丝杠，平移电机10013驱动平移丝杠旋转，平移丝杠与平移装置丝母100703螺纹连接，平移丝杠转动带动平移装置丝母100703沿平移丝杠水平移动，进而带动旋转桶1008水平移动。

旋转装置1009包括旋转装置1009壳体100901、旋转蜗杆输入轴100902、旋转装置蜗轮100903、旋转装置法兰100904，旋转电机10010通过旋转蜗杆输入轴100902带动旋转装置蜗轮100903旋转，旋转装置蜗轮100903与旋转桶1008固定连接，旋转装置法兰100904固定在旋转桶1008外壁，旋转装置法兰100904用来与小车主架10014固定连接；旋转装置1009壳体100901与旋转桶1008固定连接，旋转蜗杆输入轴100902设置在旋转装置1009壳体100901内。

全向行驶小车10含有的4组轮子1001全部为驱动轮，还可以手动控制驱动电机1002、升降电机1006、旋转电机10010、平移电机10013，使轮子的转向、轮距和车身到地面的距离可调可控，能适应不同地形的茶园、不同高度和宽度的茶树。具体控制的方法是控制手柄通过电缆连接至多功能智能采茶机器人，控制全向行驶小车10的行走。由于现在无线控制技术已非常的成熟，应用也很广泛，所以控制手柄也可以通过无线控制的方式和多功能智能采茶机器人通信，控制全向行驶小车10的行走。也可采用其他控制方式控制全向行驶小车10走行。

见图8-图10，多功能采茶机器人还包括控制系统6，该控制系统6包括控制单元、PLC控制器，控制单元用于控制采茶机械臂3、清除机械臂9的运动，并处理动态视觉识别系统2传输的数据，确定采摘目标，通过控制采茶机械臂3、清除机械臂9实现采摘和喷洒；PLC控制器控制喷洒机构7、驱动电机1002、升降电机1006、平移电机10013、转盘电机10012的驱动，实现全向行驶小车10的运行。PLC控制器可为PLC FX5U-80MT/ES。

见图9、图10，高速动态视觉识别系统2能够记录视频、感知位置、图像处理，能够高速连续的捕捉动态影像，可将捕捉到的动态影像转化为三维影像图和做进一步的处理，处理后，不但可从背景中识别出嫩芽，确定嫩芽的位置，而且可以显示茶树的状态和病虫害信息，这些数据被实时传给控制单元。双目摄像头201可选用intel RealSenseD435i深度摄像头，利用深度摄像头采集动态影响，发送到i7-4500U微型工业电脑处理，同时由SRF05一体化超声波测距模块检测距离，并将该数据发送到微型工业电脑处理，为后续的采集嫩芽或喷洒农药提供距离数据，微型工业电脑将处理后的数据发送到控制单元。

控制单元带有控制软件，能够对数据进行分析并作出判断。控制单元收到动态视觉识别系统2传来的数据后，控制采茶机械臂3到达指定位置，末端执行器1采集嫩芽，将嫩芽送入采集管4内，采集管4内有负压气流，将嫩芽抽吸到收集仓5中。末端执行器1为机械手，夹持叶片采摘嫩叶。

控制单元根据茶树的状态和病虫害信息，控制清除机械臂9到达病害所在位置，喷洒机构7的喷嘴701对病害区域喷洒农药，由于只对病害区域喷洒农药，很大程度的减小了农药的使用量，降低了农药的残留度。

Claims (6)

1.一种多功能采茶机器人，其特征在于，包括采摘机构、喷洒机构、动力装置、动态视觉识别系统、全向行驶小车；采摘机构、喷洒机构、动力装置固定在全向行驶小车顶部转盘上；

采摘机构用于采摘茶叶，包括末端执行器、采茶机械臂、采集管、收集仓，末端执行器用于将茶叶掐断，为机械手；采茶机械臂前端与末端执行器连接，采茶机械臂下部连接有采集管，采集管顶端开口设置在采茶机械臂前端下方，采集管底端与收集仓连接，收集仓包括箱体、风机、风筒、多孔板、压缩空气喷嘴，箱体与采集管连通，箱体上部固定有多孔板，多孔板与压缩空气喷嘴连接，风机与风筒连接，风筒底端与多孔板连接，风机设置在箱体外部，压缩空气喷嘴与空压机连接；动态视觉识别系统固定在采茶机械臂上；

喷洒机构用于喷洒液体，包括喷射装置、药水箱、清除机械臂，药水箱内分为多个存水腔，喷射装置包括喷嘴、软管、快速接头、连接管、潜水泵，喷嘴固定在清除机械臂的头端，清除机械臂尾端固定在全向行驶小车顶部转盘，喷嘴与软管连接，清除机械臂上连接有多个快速接头，每个快速接头均通过连接管与潜水泵连接，潜水泵设置在存水腔内；

动力装置包括蓄电池、空压机，为采摘机构、喷洒机构、动态视觉识别系统、全向行驶小车提供电能，为采摘机构提供压缩空气；

动态视觉识别系统包括双目摄像头、转轴一、转轴二、支架，双目摄像头固定在支架上，转轴一、转轴二相互垂直设置，转轴一电机驱动转轴一转动，进而带动支架绕转轴一转动，转轴二电机驱动转轴二转动，进而带动支架绕转轴二转动；

所述的全向行驶小车包括转盘、转盘电机、小车主架，转盘电机驱动转盘在小车支架上旋转；转盘电机固定在小车主架上，小车主架上连接有至少三个运动机构，每个运动机构包括轮子、驱动电机、驱动装置、升降桶、升降装置、升降电机、平移装置、平移电机、旋转桶、旋转装置、旋转电机；驱动电机驱动驱动装置进而带动轮子转动，升降桶固定在驱动装置上，升降桶与升降装置连接，升降电机通过升降装置驱动平移装置升降，平移电机通过平移装置驱动旋转桶平移，旋转电机通过旋转装置驱动旋转桶旋转进而带动转盘转动。

2.根据权利要求1所述的一种多功能采茶机器人，其特征在于，所述的驱动电机通过驱动装置驱动轮子旋转，驱动装置与升降桶固定连接，升降电机通过升降装置驱动升降桶沿升降装置上下滑动，升降装置与平移装置固定连接，平移电机通过平移装置驱动升降装置沿着平移装置做直线平移运动；平移装置与旋转桶固定连接，旋转电机通过旋转装置驱动旋转桶做旋转运动，旋转装置安装在小车主架上。

3.根据权利要求1所述的一种多功能采茶机器人，其特征在于，所述的驱动装置包括驱动装置连接法兰、驱动壳体、蜗轮输出法兰、驱动蜗杆输入轴，驱动装置连接法兰与驱动壳体连接成为一个整体，驱动装置连接法兰用来连接升降桶，蜗轮输出法兰与轮子固定连接，驱动蜗杆输入轴与驱动电机输出轴连接，驱动蜗杆输入轴与驱动蜗轮啮合，驱动蜗轮与蜗轮输出法兰固定连接，驱动电机驱动驱动蜗杆输入轴旋转，通过蜗轮蜗杆传动，带动轮子转动。

4.根据权利要求1所述的一种多功能采茶机器人，其特征在于，所述的升降装置包括升降装置连接法兰、升降蜗杆输入轴、升降壳体、升降丝母、升降丝杠，升降丝母、升降丝杠竖直的设置在升降壳体内，升降丝母与升降丝杠螺纹连接，升降电机驱动升降蜗杆输入轴旋转，升降蜗杆输入轴与升降蜗轮啮合，升降蜗轮与升降丝杠固定连接，升降丝母与升降桶固定连接，升降壳体通过升降装置连接法兰固定连接平移装置的平移装置丝母；

所述的平移装置包括平移装置连接法兰、平移装置壳体、平移装置丝母、平移电机连接法兰，平移装置壳体通过平移电机连接法兰与平移电机固定连接，平移装置壳体与平移装置连接法兰固定连接，平移装置连接法兰与旋转桶通过螺栓连接，平移装置壳体内设有水平设置的平移丝杠，平移电机驱动平移丝杠旋转，平移丝杠与平移装置丝母螺纹连接，平移丝杠转动带动平移装置丝母沿平移丝杠水平移动，进而带动旋转桶水平移动。

5.根据权利要求1所述的一种多功能采茶机器人，其特征在于，所述的旋转装置包括旋转装置壳体、旋转蜗杆输入轴、旋转装置蜗轮、旋转装置法兰，旋转电机通过旋转蜗杆输入轴带动旋转装置蜗轮旋转，旋转装置蜗轮与旋转桶固定连接，旋转装置法兰固定在旋转桶外壁，旋转装置法兰用来与小车主架固定连接；旋转装置壳体与旋转桶固定连接，旋转蜗杆输入轴设置在旋转装置壳体内。

6.根据权利要求1所述的一种多功能采茶机器人，其特征在于，所述的连接管上设有电磁阀。

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