CN112616442A - 一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人 - Google Patents

一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人 Download PDF

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Abstract

本发明属于农业机械领域。技术方案是：一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，包括PLC控制器；其特征在在于：该采摘机器人还包括用于带动全体装置一起运动的履带小车、安装在履带小车上的自动升降装置和带动delta机械手的转动杆组、固定在转动杆组上的相机组件和用于茶叶采摘的两个delta机械手、固定在升降装置上的负压收集装置以及传感器；所述PLC控制器分别通过信号线电连接所述自动升降装置、转动杆组、相机组件、delta机械手负压收集装置以及传感器，以有序控制采摘作业。该采茶机能够实现只对一芽一叶和一芽二叶的嫩梢进行采摘，使得采摘的茶叶满足制造名优茶的要求，同时保证采摘的准确性和稳定性要求。

Description

一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人
技术领域
本发明属于农业机械领域，尤其是涉及一种基于负压引导的茶叶采摘机器人。
背景技术
经济水平的逐渐提高，人们越来越在意绿色饮食；而茶叶作为一种绿色饮品，能够满足人们身体对多种维生素和微量元素的需求，从而获得人们的喜爱。
茶叶产业有着庞大的规模，人工采摘不仅费力费时而且效率低下，且劳动强度高；而目前市场上销售的采茶机主要用于对大宗茶进行采摘，对鲜叶的采摘要求低；而名优茶对鲜叶的采摘要求是一芽一叶或者是一芽二叶，现有的采茶机无法达到这一要求。针对这种情况，迫切需要研制一种茶叶采摘机器人。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中描述的不足，提供一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，该采茶机能够实现只对一芽一叶和一芽二叶的嫩梢进行采摘，使得采摘的茶叶满足制造名优茶的要求，同时保证采摘的准确性和稳定性要求。
本发明提供的技术方案是：
一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，包括PLC控制器；其特征在在于：该采摘机器人还包括用于带动全体装置一起运动的履带小车、安装在履带小车上的自动升降装置和带动delta机械手的转动杆组、固定在转动杆组上的相机组件和用于茶叶采摘的两个delta机械手、固定在升降装置上的负压收集装置以及传感器；所述PLC控制器分别通过信号线电连接所述自动升降装置、转动杆组、相机组件、delta机械手负压收集装置以及传感器，以有序控制采摘作业。
所述带小车包括车架、履带以及带动履带运动的轮子、水平安装在轮子中心的挡板；驱动小车运动的电机安装在车架里面。
所述自动升降装置包括竖直安装在车架上的电缸以及水平固定在电缸顶端的水平钢板。
所述转动杆组包括安装在车架上的伺服电机、竖直布置且底端由伺服电机驱动的内杆、与内杆插接配合且顶端通过轴承可转动地定位在水平钢板上的圆形外杆以及水平布置且一端与所述圆形外杆固定连接而另一端安装delta机械手的方形杆件；所述内杆的截面为十字形，所述圆形外杆的内孔为可与内杆插接配合的十字形孔。
所述负压收集装置包括固定在负压收集装置壳体内的风箱、一端连通所述风箱而另一端安装在方形杆件的另一端且连通delta机械手的波纹管。
所述的相机组件包括固定在方形杆件上的安装架以及固定在安装架上的镜头。
所述两个delta机械手分别安装在水平钢板长度方向的两端。
所述变径管的下部与异形刀片的位置相对应，以保证异形刀片准确剪切吸附在变径管内的嫩梢。
所述传感器安装在变径管下方的内壁上。
所述delta机械手包括delta机械手机架、固定在delta机械手机架上且与波纹管相通的变径管、安装在变径管上且穿插有钢丝绳的钢丝绳管、固定在delta机械手机架上以驱动钢丝绳的舵机、固定在变径管侧面的安装板、安装在安装板上的两个异形刀片和驱使两个异形刀片相向运动的两个不完全齿轮以及施力于异形刀片的复位弹簧。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的履带小车上的两个delta机械手既可以在同一茶垄采摘，也可以分垄采摘，工作更灵活。
2、本发明中的负压收集装置具有引导、聚拢茶叶嫩梢的作用，可以减少叶片的损伤。此外在视觉定位存在误差的情况下，也能成功采摘茶叶嫩梢。
3、变径管通过3D打印一体成型，整体重量不到400g，具有轻量化的特点，避免对并联机械臂造成速度限制的同时确保了定位精度。
4、本发明中所设计的异形刀片贴近管口，且传动部分设计在变径管侧面，极大限度减少了干涉和剪切到非目标物的可能，且刀片在合并时有一个0.5mm的缝隙，这样可以使得刀片只切断茎而不切断叶子，防止碎叶的产生。
5、本发明结构简单，工作安全可靠，适用于推广使用。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的主视结构示意图。
图3是本发明的左视结构示意图。
图4是图3的俯视方向结构示意图。
图5是本发明中的舵机与delta机械手的驱动关系示意图。
图6是本发明中delta机械手的结构示意图。
图7是图6中的A部放大结构示意图。
图8是本发明所述delta机械手剪切部位的放大结构示意图。
图9是是图8中B部的放大结构示意图。
图10-1是本发明中异形刀片剪切嫩梢前的工作状态示意图。
图10-2是本发明中异形刀片剪到嫩叶后的工作状态示意图。
图11是本发明中负压引导嫩梢时的工作状态示意图。
附图标记：
1、履带小车；1-1、车架；1-2、履带；1-3、挡板；1-4、轮子；2、电缸；2-1、水平钢板；3、转动杆组；3-1、伺服电机；3-2、联轴器；3-3、内杆；3-4、圆形外杆；3-5、方形杆件；3-6、轴承座；4、delta机械手；4-1、变径管；4-2、钢丝绳管；4-3、钢丝绳；4-4、安装板；4-5、第一异形刀片；4-6、第二异形刀片；4-7、第一不完全齿轮；4-8、复位弹簧；4-9、第二不完全齿轮；4-10、delta机械手机架；4-11、舵机；4-12、传感器(优选红外对射传感器)；5、负压收集装置；5-1、波纹管；6、相机组件；6-1、安装架；6-2、镜头；7、PLC控制器。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
为描述方便，本实施例以图2的左侧为前，图2的右侧为后；图2垂直纸面向外的方向为右，图2垂直纸而向内的方向为左。
如图1至图3所示的一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人中，履带小车用于带动全体装置整体运动，自动升降装置用于带动delta机械手上下运动以获得正确的采摘平面，转动杆组3带动delta机械手绕竖直轴线转动以带动delta机械手换垄采摘，相机组件6固定在转动杆组上以识别蓬面上的一芽一叶和一芽两叶，负压收集装置5用于对相机识别出的嫩梢进行负压引导，以求将嫩梢成功吸附进变径管中；delta机械手4用于剪切嫩梢；PLC控制器7用于接收相机组件以及传感器信号，并控制电缸、伺服电机、delta机械手运行以到达正确的工作位置进行作业。
如图1所示，所述自动升降装置包括竖直安装在车架上的电缸2以及水平固定在电缸顶端的水平钢板2-1。本实施例中，相机组件先确定需要采摘嫩梢的高度，然后由PLC控制器控制电缸伸缩运动至合适的采摘高度。
如图2所示，所述负压收集装置包括装有吸风机的风箱和波纹管5-1。所述风箱安装在负压收集装置的壳体内；所述波纹管的一端连接风箱，另一端向下延伸与delta机械手中的变径管顶端连通，变径管的底端为吸附嫩梢的吸风口4-11。
所述的转动杆组中(图中显示有两个转动杆组)，伺服电机3-1安装在车架上，竖直布置于伺服电机上方的十字形截面的内杆底端通过联轴器3-2与驱动电机连接；圆形外杆3-4的内孔为十字形且与内杆插接配合，圆形外杆的顶端通过安装在轴承座中的轴承可转动地定位在水平钢板上(由图3、图4可见：两个圆形外杆的顶端分别竖直固定在水平钢板长度方向的两端)；方形杆件3-5的一端水平固定在圆形外杆上且可跟随圆形外杆一起绕圆形外杆轴线转动，所述delta机械手安装在方形杆件的另一端(由图可知：delta机械手通过变径管4-1安装在方形杆件的另一端)。伺服电机转动后，可依次通过内杆、圆形外杆、方形杆件带动delta机械手转动至履带小车左侧或右侧(如图4中的虚线所示位置)的茶垄进行作业。
如图3至图6所示，所述delta机械手包括delta机械手机架4-10，舵机4-11固定在delta机械手机架上；变径管4-1竖直布置且与delta机械手机架固定连接，变径管的顶端还与方形杆件的另一端固定且与波纹管相连通，钢丝绳管4-2固定在变径管的侧面，钢丝绳4-3穿插在钢丝绳管中；传感器4-12固定在变径管下方内壁上，用于检测嫩梢是否进入变径管的正确采摘位置；变径管侧面还固定着安装板4-4，第一不完全齿轮4-9与第一异形刀片4-5固定，和第二不完全齿轮4-7与第二异形刀片4-6固定，两个不完全齿轮相互啮合并且两个不完全齿轮的齿轮轴固定在安装板上；当不完全齿轮绕齿轮轴转动时，第一异形刀片和第二异形刀片即可进行相向转动，从而实现剪切运动。剪切运动的动力由舵机提供；舵机牵引的钢丝绳往上拉动第二异形刀片(参见图7)即可驱动第二异形刀片绕第二不完全齿轮的齿轮轴4-71顺时针转动，同时第二不完全齿轮带动第一不完全齿轮以及第一异形刀片绕第一不完全齿轮的齿轮轴4-91逆时针转动，从而实现对茶叶嫩梢的剪切运动。复位弹簧4-8的一端连接着第二异形刀片，另一端连接在安装板上。工作时，delta机械手通过相机组件的定位移动到待采摘嫩梢的上方，开启负压引导使嫩梢成功套入变径管中；传感器判断到达正确的采摘位置后，PLC控制器会控制舵机驱动钢丝绳，带动两个异形刀片剪掉嫩梢；被剪下的嫩梢负压收集后舵机复位，在复位弹簧的作用下异形刀片回到初始位置。
所述异形刀片贴近管口4-11(参见图6)，且传动部分设计在变径管侧面，极大限度地减少了干涉和剪切到非目标物的可能，且两个异形刀片在合拢时有一个0.5mm左右的小缝隙(参见图9)，这样可以使得刀片只切断茎而不切断叶子，防止碎叶的产生。
本发明中，履带小车、delta机械手、电缸均为可外购获得的现有技术。
本发明工作原理如下：
首先，履带小车在电机的驱动下移动到茶园。
然后，在PLC控制器作用下，伺服电机工作使delta机械手展开到履带小车的两边，通过相机识别嫩叶的图像信息，PLC控制器给出信号驱动电缸带动安装在水平钢板两端的delta机械手下降到一个适合采摘的高度，使得delta机械手能同时采摘两垄茶叶。
delta机械手到达采摘点上方后开启负压，对嫩梢进行负压引导，然后控制机械手下降进行套管；在嫩梢被引导进入异形管中后，传感器会判断嫩梢是否到达正确的剪切位置；待传感器确认嫩梢位置正确后，PLC控制器给出信号，舵机即驱动刀片对嫩梢进行剪切，被剪断的嫩梢通过波纹管吸入负压收集装置内。以此往复，对一块区域进行多次识别、采摘、收集，直到该区域的嫩梢全部被采摘完毕。
最后，履带小车移动到下一个采摘区域，重复上述动作进行连续采摘工作。最后，采摘作业完毕后，PLC控制器会控制伺服电机工作，使得delta机械手回到非工作状态，然后电缸伸缩杆上升到一个合适的高度。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，包括PLC控制器(7)；其特征在于：该采摘机器人还包括用于带动全体装置一起运动的履带小车(1)、安装在履带小车上的自动升降装置和带动delta机械手的转动杆组(3)、固定在转动杆组上的相机组件(6)和用于茶叶采摘的两个delta机械手(4)、固定在升降装置上的负压收集装置(5)以及传感器(4-12)；所述PLC控制器分别通过信号线电连接所述自动升降装置、转动杆组、相机组件、delta机械手、负压收集装置以及传感器，以有序控制采摘作业。
2.根据权利要求1所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述的履带小车包括车架(1-1)、履带(1-2)以及带动履带运动的轮子(1-4)、水平安装在轮子中心的挡板(1-3)；驱动小车运动的电机安装在车架里面。
3.根据权利要求2所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述自动升降装置包括竖直安装在车架上的电缸(2)以及水平固定在电缸顶端的水平钢板(2-1)。
4.根据权利要求3所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述转动杆组包括安装在车架上的伺服电机(3-1)、竖直布置且底端由伺服电机驱动的内杆(3-3)、与内杆插接配合且顶端通过轴承可转动地定位在水平钢板上的圆形外杆(3-4)以及水平布置且一端与所述圆形外杆固定连接而另一端安装delta机械手的方形杆件(3-5)；所述内杆的截面为十字形，所述圆形外杆的内孔为可与内杆插接配合的十字形孔。
5.根据权利要求4所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述负压收集装置包括固定在负压收集装置壳体内的风箱、一端连通所述风箱而另一端安装在方形杆件的另一端且连通delta机械手的波纹管(5-1)。
6.根据权利要求5所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述的相机组件包括固定在方形杆件上的安装架(6-1)以及固定在安装架上的镜头(6-2)。
7.根据权利要求6所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述两个delta机械手分别安装在水平钢板长度方向的两端。
8.根据权利要求3所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述变径管的下部与异形刀片的位置相对应，以保证夹刀准确剪切吸附在变径管内的嫩梢。
9.根据权利要求8所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述传感器安装在变径管下方的内壁上。
10.根据权利要求9所述的基于负压引导的双翅型茶叶采摘机器人，其特征在于：所述的delta机械手包括delta机械手机架(4-10)、固定在delta机械手机架上且与波纹管相通的变径管(4-1)、安装在变径管上且穿插有钢丝绳(4-3)的钢丝绳管(4-2)、固定在delta机械手机架上以驱动钢丝绳的舵机(4-11)、固定在变径管侧面的安装板(4-4)、安装在安装板上的两个异形刀片和驱使两个异形刀片相向运动的两个不完全齿轮以及施力于异形刀片的复位弹簧(4-8)。
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