CN112060107A - 一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人及方法，利用图像识别与可选择性采摘的手爪实现名优茶的选择性采摘。本发明涉及一种智能茶叶采摘机器人，机器人可分为六个结构，包括采摘末端执行器、直角型机械臂、六轮行走底盘、剪式升降机构、视觉相机图像识别模块、收集装置。通过相机图像识别得到茶叶采摘点的坐标，机械臂带动采摘末端执行器移动到采摘点位置进行采摘，采摘完毕后由含负风压机的收集机构通过软管回收，采摘完该区域内的所有茶叶后，机器人行走至下一区域继续进行采摘，同时升降机构可对机械臂的高度进行调整以适应多种茶园环境。

Description

一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人及方法

技术领域

本发明涉及茶叶采摘技术领域，尤其涉及一种名优茶采摘机器人及方法。

背景技术

茶叶从质量上可以分为大宗茶和名优茶，名优茶一般是指优质茶和名茶的统称。名优茶相较于大宗茶采摘要求要高很多，具体表现在对芽叶的嫩度以及采摘下芽叶的数量有很高的要求，一般要求为一芽、一芽一叶或一芽二叶初展；而普通茶叶的采摘按要求就比较低，一般的红绿茶的采摘标准是一芽二、三叶及同等嫩度的对夹叶，乌龙茶、老黑茶、老青茶、边销茶的采摘标准是以一芽四、五叶或形成驻芽的全部新梢。现有的采摘机械主要可以分为两类，一类是大型自走式采茶机，另一类是小型的单人采茶机、双人采茶机，这两类器械的采摘方式均为“一刀切”式采摘，采摘时不能对茶叶进行辨别，可能采摘到不符合标准的茶叶和枝叶，所以这两类机械不适合有名优茶的采摘。

近10年来，我国的茶叶行业有了巨大的发展，但是名优茶的发展却没有达到与之相应的程度，适用于名优茶采摘的采茶机械的缺失是名优茶发展受到阻碍主要原因之一，名优茶的采摘相当耗费人工，采摘2万次左右才能采摘到一斤一芽二叶的茶叶，采摘3万次左右才能采摘到一斤一芽一叶的茶叶，采摘6万多次才能采摘一斤单芽的茶叶，一个熟练的采茶工都需要两到三天才能采摘到一斤茶叶；另一个原因是采茶工雇佣困难的问题，随着社会的迅速发展，大量的劳动力流向城市，现在茶园里已经很难见到年轻的采茶工，这就导致了采茶工工费的提高以及采茶工老龄化的问题，工人年龄过大就必须减少采茶机械中需要的人工操作。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有的采茶机械只能够进行“一刀切”式采摘，设计一种可在空间内自由移动的机械臂和进行单个茶叶芽叶采摘的机械手，通过相机图像系统对茶叶的识别得到茶叶芽叶采摘点的空间坐标，机械手可对符合标准的茶叶进行采摘，实现名优茶的选择性采摘，该发明集成机械臂、茶叶采摘机械手和相机识别系统于机器人上，机器人具有行走底盘，可以自行导航移动，脱离了人为操控，实现了高度的自动化和智能化。

为了取得上述技术效果，本发明通过下述技术方案得以解决：

第一方面，本发明的提出了一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，包括采摘末端执行器、直角坐标型机械臂、剪式升降机构、相机识别模块、行走底盘、收集机构；

所述的剪式升降机构、收集机构固定在行走底盘上，在剪式升降机构顶部安装有相机识别模块和直角坐标型机械臂，在所述的坐标型机械臂的末端安装有采摘末端执行器，收集机构用于收集采摘末端执行器采摘的茶叶。

作为进一步的技术方案，所述的采摘末端执行器包括电磁铁、电磁铁安装板、长连杆、短连杆、爪指、连接杆和固定杆；

所述电磁铁安装在安装板上，且电磁铁的输出端通过连接杆与两个短连杆铰接，两个短连杆的各铰接一个爪指，安装板侧面还有一个固定杆，固定杆与两个长连杆一端铰接，两个长连杆另一端各自与一个所述的爪指铰接。

作为进一步的技术方案，所述的爪指为一个L形结构，在其一端设有一个凹槽，在该凹槽内设有一个连接杆。

作为进一步的技术方案，所述直角坐标型机械臂包括两个相互垂直且可以相对运动的导轨，在其中一个导轨滑块上安装有齿条安装件，齿条与一个齿轮啮合，在齿条上安装所述的采摘末端执行器。

作为进一步的技术方案，所述相机识别模块包括视觉相机。

作为进一步的技术方案，所述剪式升降机构包括升降杆、调节螺栓、调节螺栓安装块、回转轴和顶板；

作为进一步的技术方案，所述收集机构包括收集软管和内置负风压机的收集箱，收集箱安装在底盘上，收集软管连接收集箱和采摘末端执行器。

所述的一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征包括以下步骤：

1.相机识别模块识别出一定区域内符合采摘标准的茶叶，得到各采摘点的位置坐标；

2.得到各采摘点位置坐标后，按照采摘顺序，步进电机旋转对应的角度，带动直角坐标型机械臂上的滑块移动和齿条移动，带动采摘末端执行器到达其中一个采摘点位置坐标；

3.采摘末端执行器到达位置坐标后，电磁铁通电伸长带动短连杆和长连杆转动，从而带动手爪闭合，完成采摘动作；

4.采摘末端执行器完成采摘动作后，收集机构提供吸力将茶叶吸回收集箱完成茶叶的收集动作；

5.重复2)、3)、4)步直至采摘末端执行器采摘完该区域内所有采摘点上的茶叶，由六轮行走底盘带动机器人移动至下一采摘区域；

进一步的，不同茶园茶丛高度可能有较大的差异，剪式升降机构可对机器人的采摘高度进行调整。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人可以智能识别出符合采摘要求的茶叶并可选择性地将其采下，在保证名优茶采摘质量的同时可以实现茶园名优茶采摘的无人化，降低名优茶的生产成本并且缓解茶园采茶工老龄化的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人结构示意图；

图2为本发明一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的采摘末端执行器结构示意图；

图3为本发明一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的采摘末端执行器工作原理示意图(左为夹持状态，右为放松状态)；

图4为本发明一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的直角坐标型机械臂结构示意图；

图5为本发明一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的剪式升降机构结构示意图；

图6为本发明一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的六轮行走底盘结构示意图；

图7为本发明一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的收集机构结构示意图。

图中、收集软管1、内含负风压机的收集箱2、减震弹簧3、驱动轮4、驱动电机5、万向轮6、底盘7、六轮行走底盘8、调节轮栓9、调节螺栓安装快10、剪式升降机构11、升降杆12、回转轴13、顶盘14、相机识别模块15、滑块16、步进电机17、齿轮18、齿条19、导轨20、直角坐标型机械臂21、齿条安装件22、电磁铁23、采摘末端执行器24、爪指25、收集机构26、长连杆27、短连杆28、连接杆29、固定杆30、电磁铁安装板31

具体实施方法

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

如图1所示，一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，包括采摘末端执行器24、直角坐标型机械臂21、剪式升降机构11、相机识别模块15、六轮行走底盘8、收集机构26。

六轮行走底盘8用于整个机器人在茶园中行走，在六轮行走底盘8上装有收集机构26和剪式升降机构11，收集机构26位于剪式升降机构11的一侧，剪式升降机构11作为一个在竖直方向上可以升降的升降驱动机构，在其顶部安装有相机识别模块15和直角坐标型机械臂21，直角坐标型机械臂21的末端安装有采摘末端执行器24。工作时相机识别模块15通过图像识别得到茶叶采摘点的位置坐标，然后直角坐标型机械臂21带动采摘末端执行器24到目标采摘点进行采摘，然后通过收集机构26进行收集，剪式升降机构11可以调整机械臂的高度以适应不同茶园不同的茶丛高度。

如图2所示，上述的采摘末端执行器24包括电磁铁23、电磁铁安装板31、长连杆27、短连杆28、爪指25、连接杆29和固定杆30。

电磁铁23固定在电磁铁安装板31上，且电磁铁23的输出端通过一个竖直设置的连接杆29与两个短连杆28铰接，固定杆30的一端固定在电磁铁安装板31上，另外一端与两个长连杆27的一端铰接，两个长连接杆27的另外一端分别与一个爪指25铰接；且短连杆28的两端也分别各自与一个爪指25铰接，两个爪指25相对于两个短连杆28的中心位置对称设置，两个短连杆28长度相等，两个长连杆27长度相等；进一步的，本实施例中的爪指25为一个L型板状结构，在其顶部设有一个凹槽，在凹槽内设有一个连接杆，连接杆的两端固定在凹槽壁上，且短连杆28、长连杆27均铰接在该连接杆上。

采摘末端执行器24整个结构为曲柄滑块结构，电磁铁23伸缩带动连接杆29上下移动可视作滑块，长连杆27转动可视作曲柄，电磁铁23伸缩可带动手爪闭合张开。采摘末端执行器的运动数学模型如图3所示，可得力学和几何关系式如下：

b·sinφ＝a·sinθ＝d (2)

a·cosθ-b·cosφ+15＝a·cos(θ+α)-b·cos(φ+β) (3)

a·sin(θ+α)＝b·sin(φ+β) (4)

根据上述方程组，可以根据要求的手爪张合尺寸和手爪夹持力进行方程求解，得到不同的手爪零件尺寸。

经过调研，采茶工采摘茶叶时是用手指捏住嫩芽叶柄并提拉采摘，而不是用指甲或刀片切割，这是因为刀片切割流出汁液会影响茶叶品质，该结构的末端执行器采用曲柄滑块结构区别于传统的剪切式结构可以提供一个稳定的夹持力将茶叶拉断，保证茶叶的质量，同时根据下面所列出的公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可知，可以通过调整零件的尺寸调整夹持力的大小以满足茶叶的采摘。该结构的另一创新点在于动力源，该结构的动力源，动力源若采用直流电机则有可能会在夹持时导致堵转，造成电机毁坏，采用气缸的话则需要提供气源增加设备的复杂性，将电磁铁应用于采摘末端执行器既精简了结构，又保证了安全。

如图4所示,直角坐标型机械臂21包括两个导轨20、两个滑块16、齿轮18、齿条19、齿条安装件22和三个步进电机17。

两个导轨20相互垂直，在两个导轨上各安装一个滑块16，在第一导轨上安装第一滑块，第二导轨安装在第一滑块上，第二导轨上安装第二滑块，在第二滑块上安装一个齿条安装件22，齿条19与齿轮18啮合共同安装在齿条安装件22上，三个步进电机17分别安装于两个导轨20和齿条安装件22上，两个导轨20分别安装在滑块16和顶板14上。

两个导轨20和滑块16以及齿轮18和齿条19组成了直角坐标型机械臂21的三个滑动副，导轨20内置同步带带动滑块16在导轨20上滑动，齿轮18转动带动齿条19上下移动，三个滑动副由步进电机17进行驱动，三个滑动副两两垂直，采摘末端执行器24安装在齿条19上与直角坐标型机械臂21连接，故采摘末端执行器24有三个空间移动自由度，可以到达行程范围内的空间中任意点。进一步的，采摘末端执行器24的电磁铁安装板31与齿条19底部相连。

如图5所示，剪式升降机构11包括升降杆12、调节螺栓9、调节螺栓安装块10、回转轴13和顶板14。

上面四个升降杆12形成两组相对设置的交叉结构，两组交叉结构的中间位置通过回转轴13相连，两组交叉结构的顶部与顶板14相连，两组交叉结构的底部和调节螺栓安装块10相连。

下面四个升降杆12形成两组相对设置的交叉结构，两组交叉结构的顶部与调节螺栓安装块10相连，两组交叉结构的底部与底盘7相连，调节螺栓9安装于两个调节螺栓安装块10之间，回转轴13安装于升降杆12之间。工作时，剪式升降机构11通过调节螺栓9调整两个调节螺栓安装块10之间的距离进而调整相邻两升降杆12之间的角度，完成顶板14距底盘7的升降动作。

如图6所示，六轮行走底盘8包括底盘7、驱动轮4、万向轮6、驱动电机5和减震弹簧3。万向轮6、减震弹簧3和驱动电机5皆安装于底盘7上，驱动电机5连接驱动轮4。工作时，六轮行走底盘8的驱动电机5带动驱动轮4旋转进行驱动，两驱动电机5转速不同可实现驱动轮4差速旋转带动万向轮6方向改变起到转向作用，减震弹簧3起到减震作用。

如图7所示，收集机构26包括收集软管1和内置负风压机的收集箱2。内含负风压机的收集箱2安装在底盘上，收集软管1连接收集箱2和采摘末端执行器24的两个爪指25位置。工作时，含负风压机的收集箱2提供吸力进而将茶叶通过收集软管1吸回。

上述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的采摘方法，如下：

1、相机识别模块识别出一定区域内符合采摘标准的茶叶，得到各采摘点的位置坐标；

2、得到各采摘点位置坐标后，按照采摘顺序，步进电机旋转对应的角度，带动直角坐标型机械臂上的滑块移动和齿条移动，带动采摘末端执行器到达其中一个采摘点位置坐标；

3、采摘末端执行器到达位置坐标后，电磁铁通电伸长带动短连杆和长连杆转动，从而带动手爪闭合，完成采摘动作；

4、采摘末端执行器完成采摘动作后，收集机构提供吸力将茶叶吸回收集箱完成茶叶的收集动作；

5、重复2)、3)、4)步直至采摘末端执行器采摘完该区域内所有采摘点上的茶叶，由六轮行走底盘带动机器人移动至下一采摘区域；

进一步的，不同茶园茶丛高度可能有较大的差异，剪式升降机构可对机器人的采摘高度进行调整。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，包括采摘末端执行器、直角坐标型机械臂、剪式升降机构、相机识别模块、行走底盘、收集机构；所述的剪式升降机构、收集机构固定在行走底盘上，在剪式升降机构顶部安装有相机识别模块和直角坐标型机械臂，在所述的坐标型机械臂的末端安装有采摘末端执行器，收集机构用于收集采摘末端执行器采摘的茶叶。

2.如权利要求1所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，所述的采摘末端执行器为曲柄滑块结构，滑块作为动力件，曲柄作为执行件，滑块带动曲柄运动进而完成手爪的闭合动作。

3.如权利要求1所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，采摘末端执行器包括电磁铁、安装板、长连杆、短连杆、爪指、连接杆和固定杆；所述电磁铁安装在安装板上，且电磁铁的输出端通过连接杆与两个短连杆一端铰接，两个短连杆另一端各铰接一个爪指，安装板侧面还有一个固定杆，固定杆与两个长连杆一端铰接，两个长连杆另一端各自与一个所述的爪指铰接。

4.如权利要求3所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，所述的爪指为一个L形结构，在其一端设有一个凹槽，在该凹槽内设有一个连接杆。

5.如权利要求1所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，所述直角坐标型机械臂包括三个滑动副，三个滑动副两两垂直。

6.如权利要求1所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，所述直角坐标型机械臂包括两个相互垂直且可以相对运动的导轨，在其中一个导轨滑块上安装有齿条安装件，齿条与一个齿轮啮合，在齿条上安装所述的采摘末端执行器。

7.如权利要求1所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，所述相机识别模块包括视觉相机。

8.如权利要求1所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，所述剪式升降机构包括升降杆、调节螺栓、安装块、回转轴和顶板；上面两组交叉设置的升降杆交叉位置通过回转轴相连，顶部与顶板相连，底部通过安装块相连，两组交叉设置的升降杆顶部与安装块相连，底部与行走底盘相连，在两个安装块之间安装有调节螺栓。

9.如权利要求1所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人，其特征在于，所述收集机构包括收集软管和内置负风压机的收集箱，收集箱安装在底盘上，收集软管连接收集箱和采摘末端执行器。

10.如权利要求1-9任一所述的可进行选择性采摘的名优茶采摘机器人的采摘方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)相机识别模块识别出一定区域内符合采摘标准的茶叶，得到各采摘点的位置坐标；

2)得到各采摘点位置坐标后，按照采摘顺序，直角坐标型机械臂带动采摘末端执行器到达其中一个采摘点位置坐标；

3)采摘末端执行器到达位置坐标后，电磁铁通电伸长带动短连杆和长连杆转动，从而带动手爪闭合，完成采摘动作；

4)采摘末端执行器完成采摘动作后，收集机构提供吸力将茶叶吸回收集箱完成茶叶的收集动作；

5)重复2)、3)、4)步直至采摘末端执行器采摘完该区域内所有采摘点上的茶叶，由六轮行走底盘带动机器人移动至下一采摘区域。

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