CN112640663B - 一种自动化精准采茶机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化精准采茶机器人，在可移动行走的车体上安装摄像头和固定支架，固定支架上安装有分别与控制器连接的平移驱动机构、推板矫正机构、垂直移动机构和采摘收纳机构，控制器根据摄像头采集的待采摘茶树图像信息，以确定茶树位置信息和倾斜状态，从而输出相应控制指令给平移驱动机构、垂直移动机构、采摘收纳机构和推板矫正机构；平移驱动机构用于驱动垂直移动机构连接的采摘收纳机构发生水平移动；垂直移动机构用于驱动采摘收纳机构发生垂直移动；采摘收纳机构用于对茶叶嫩芽执行开合剪切动作；推板矫正机构用于对发生倾斜的茶树进行推动摆正操作。与现有技术相比，本发明能够实现全面、可靠、精准采摘的目的，且能降低采摘损耗。

Description

一种自动化精准采茶机器人

技术领域

本发明涉及茶叶采摘机械设备技术领域，尤其是涉及一种自动化精准采茶机器人。

背景技术

随着茶叶采摘自动化技术的发展，现阶段已研发出众多的自动化机械采摘设备，目前机械采摘设备的收割部件大多采用大面积切割式结构，以提高收割效率，但是现有的机械采摘设备在采摘茶叶嫩芽时，一方面难以进行精准采摘，另一方面在采摘时容易导致采摘物的掉落，导致采摘损失较大。

此外，由于茶树生长过程中具有趋光特性，使得茶树枝干容易发生偏斜倾倒，若采用现有的机械采摘设备进行茶叶采摘，往往不能全面地对其周边范围内的所有茶叶进行采摘，导致茶叶采摘收获较低，难以满足采摘需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自动化精准采茶机器人，以实现精准、可靠、全面采摘茶叶的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种自动化精准采茶机器人，包括可在茶园内行走移动的车体，所述车体的底部设置有履带机构，所述车体上安装有摄像头和固定支架，所述车体上设置有顶部开口的箱体，所述箱体用于收集茶叶，所述固定支架上安装有平移驱动机构和可推出收回的推板矫正机构，所述平移驱动机构连接有垂直移动机构，所述垂直移动机构的底部安装有采摘收纳机构，所述平移驱动机构、垂直移动机构、采摘收纳机构和推板矫正机构均连接至控制器，所述控制器与摄像头连接，所述摄像头用于采集待采摘茶树的图像信息，所述控制器根据待采摘茶树的图像信息，以确定待采摘茶树的位置信息和倾斜状态，从而输出相应控制指令给平移驱动机构、垂直移动机构、采摘收纳机构和推板矫正机构；

所述平移驱动机构根据控制器的控制指令，用于驱动垂直移动机构发生水平移动，从而带动采摘收纳机构发生水平移动；

所述垂直移动机构根据控制器的控制指令，用于驱动采摘收纳机构发生垂直移动；

所述采摘收纳机构根据控制器的控制指令，以完成开合剪切动作；

所述推板矫正机构根据控制器的控制指令，用于对发生倾斜的茶树进行推动摆正操作。

进一步地，所述平移驱动机构包括导轨和直线电机，所述直线电机与控制器连接，所述导轨上安装有用于连接垂直移动机构的可移动支撑部，所述支撑部与直线电机连接，所述直线电机根据控制器的控制指令，在得电工作后使支撑部在导轨上发生水平移动，从而带动垂直移动机构沿导轨发生水平移动。

进一步地，所述垂直移动机构包括可上下移动的垂直导杆，所述垂直导杆与支撑块连接，所述垂直导杆的底部安装有采摘收纳机构，所述垂直导杆还连接有驱动电机，所述驱动电机与控制器连接，所述驱动电机根据控制器的控制指令，在得电工作后使垂直导杆发生上下移动，从而带动采摘收纳机构发生上下移动。

进一步地，所述支撑部包括与导轨摩擦接触的两个滑块，两个滑块上设置有横梁，所述垂直导杆卡接于两个滑块之间。

进一步地，所述采摘收纳机构包括与垂直导杆底部连接的底座，所述底座的下方安装有工作气缸，所述工作气缸的推杆铰接有两根相互交叉设置的执行手臂，两根执行手臂的底端分别固定连接有收纳抓斗，两个收纳抓斗相对设置，所述收纳抓斗的下部边缘安装有切割刀片，所述工作气缸与控制器连接，根据控制器的指令，工作气缸工作使推杆推出或缩回，使两根执行手臂之间的交叉角度发生变化，从而带动两个收纳抓斗分开或合拢，完成开合剪切动作。

进一步地，所述推杆上安装有导杆连接头，所述导杆连接头活动连接有两根转动连杆，两根转动连杆通过铰链分别连接至两根执行手臂的顶端。

进一步地，所述底座的底部两端与机械手支架的顶部连接，所述机械手支架的底部之间通过轨道支架连接，所述铰链可移动地安装在轨道支架上。

进一步地，所述轨道支架上开设有腰型槽，所述铰链上设置有用于限定两根执行手臂之间交叉角度的限位销，所述限位销可移动地安装在腰型槽内。

进一步地，所述推板矫正机构设置在面向茶树根部或茶树枝条的位置。

进一步地，所述平移驱动机构与固定支架之间安装有旋转电机和传动机构，所述旋转电机与控制器连接，所述旋转电机通过传动机构带动整个平移驱动机构绕固定支架发生转动，从而能够对更大范围内的茶叶进行采摘。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过在车体的固定支架上设置平移驱动机构和推板矫正机构、平移驱动机构与垂直移动机构连接、采摘收纳机构安装在垂直移动机构的底部，并且结合车体上设置的摄像头以及控制器，利用摄像头采集待采摘茶树的图像信息，利用控制器确定待采摘茶树的位置信息和倾斜状态，由此可通过控制器分别输出控制指令给平移驱动机构、垂直移动机构、采摘收纳机构和推板矫正机构，使得采摘收纳机构能够发生水平和垂直移动，以到达对应于待采摘茶叶的位置并完成开合剪切动作，实现精准采摘的目的，此外，推板矫正机构能够根据控制器的控制指令，对发生倾斜的茶树进行推动摆正操作，使得采摘收纳机构能够对周边范围内的茶树进行全面采摘，从而提高采摘收获。

二、本发明在采摘收纳机构中设置工作气缸和转动连杆、设置与转动连杆通过铰链连接的执行手臂，此外，将铰链通过限位销安装在轨道支架上，以此能够对执行手臂进行精准可控的开合控制，从而保证采摘收纳机构的切割刀片能够对茶叶嫩芽进行精准切割，进一步保证采摘的精准性。

三、本发明在采摘收纳机构中，利用执行手臂末端相对设置的收纳抓斗，并将切割刀片设置在收纳抓斗的下部边缘，使得切割采摘后的茶叶能够直接被收集于收纳抓斗内，避免切割后发生茶叶跌落的现象、降低采摘损失，再结合车体上设置的顶部开口的箱体，将采摘收纳机构移动至箱体上方、之后控制采摘收纳机构的收纳抓斗打开，即可使收纳抓斗内采集的茶叶全部直接落入箱体中，完成采摘过程。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中采摘收纳机构的前视结构示意图；

图3为本发明中采摘收纳机构闭合时结构示意图；

图4为本发明中采摘收纳机构打开时结构示意图；

图中标记说明：1、采摘收纳机构，2、垂直移动机构，3、驱动电机，4、横梁，5、滑块，6、直线电机，7、导轨，8、固定支架，9、推板矫正机构，10、履带机构，11、车体，12、摄像头，101、收纳抓斗，102、切割刀片，103、执行手臂，104、轨道支架，105、转动连杆，106、导杆连接头，107、工作气缸，108、机械手支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种自动化精准采茶机器人，包括可在茶园内行走移动的车体11，车体11的底部设置有履带机构10，车体11上安装有摄像头12和固定支架8，车体11上还设置有顶部开口的箱体，该箱体用于收集茶叶，本实施例中，履带机构10设置在车体11的两侧，摄像头12位于车体11的正前方，收集茶叶的箱体(即收集器)位于车体11的后侧，固定支架8位于车体11一侧的上方；

固定支架8上安装有平移驱动机构和可推出收回的推板矫正机构9，推板矫正机构9设置在面向茶树根部或茶树枝条的位置，平移驱动机构连接有垂直移动机构2，垂直移动机构2的底部安装有采摘收纳机构1，其中，平移驱动机构包括导轨7和直线电机6，导轨7上安装有用于连接垂直移动机构2的可移动支撑部，支撑部与直线电机6连接，直线电机6在得电工作后使支撑部在导轨7上发生水平移动，从而带动垂直移动机构2沿导轨7发生水平移动；

垂直移动机构2包括可上下移动的垂直导杆，垂直导杆与支撑块连接，支撑部包括与导轨7摩擦接触的两个滑块5，两个滑块5上设置有横梁4，垂直导杆卡接于两个滑块5之间，垂直导杆的底部安装有采摘收纳机构1，垂直导杆还连接有驱动电机3，驱动电机在得电工作后使垂直导杆发生上下移动，从而带动采摘收纳机构1发生上下移动；

如图2所示，采摘收纳机构1包括与垂直导杆底部连接的底座，底座的下方安装有工作气缸107，工作气缸107的推杆铰接有两根相互交叉设置的执行手臂103，两根执行手臂103的底端分别固定连接有收纳抓斗101，两个收纳抓斗101相对设置，收纳抓斗101的下部边缘安装有切割刀片102，工作气缸107工作使推杆推出或缩回，使两根执行手臂103之间的交叉角度发生变化，从而带动两个收纳抓斗101分开或合拢，完成开合剪切动作，具体的，推杆上安装有导杆连接头106，导杆连接头106活动连接有两根转动连杆105，两根转动连杆105通过铰链分别连接至两根执行手臂103的顶端；

底座的底部两端与机械手支架108的顶部连接，机械手支架108的底部之间通过轨道支架104连接，轨道支架104上开设有腰型槽，铰链上设置有用于限定两根执行手臂103之间交叉角度的限位销，限位销可移动地安装在腰型槽内，使得铰链能够在轨道支架104上往复移动。

在实际应用中，平移驱动机构中的直线电机6、垂直移动机构2中的驱动电机3、采摘收纳机构1中的工作气缸7和推板矫正机构9均连接至控制器，控制器与摄像头12连接，摄像头12用于采集待采摘物的图像信息，控制器根据待采摘物的图像信息，以确定待采摘物的位置信息和倾斜状态，从而输出相应控制指令给平移驱动机构、垂直移动机构2、采摘收纳机构1和推板矫正机构9；

平移驱动机构根据控制器的控制指令，用于驱动垂直移动机构2发生水平移动，从而带动采摘收纳机构1发生水平移动；

垂直移动机构2根据控制器的控制指令，用于驱动采摘收纳机构1发生垂直移动；

通过水平移动和垂直移动，使得采摘收纳机构1能够移动至对应于待采摘物的位置，保证后续采摘的精准性；

采摘收纳机构1根据控制器的控制指令，以完成开合剪切动作，实现精准采摘以及收集采摘物的目的；

推板矫正机构9则根据控制器的控制指令，用于对发生倾斜的农作物进行推动摆正操作，以此实现对周边范围内农作物全面可靠采摘的目的。

本发明的具体工作过程为：履带机构10工作，车体11行走至茶园内待采摘区域，在摄像头12结合控制器的控制作用下，平移驱动机构和垂直移动机构2工作使采摘收纳机构1移动至待采摘的茶叶嫩芽正上方，此时，如图3所示，工作气缸17的推杆未推出，处于初始位置时，带有收纳抓斗11和切割刀片12的两组执行手臂13处于闭合状态。当需要执行采摘时，工作气缸17工作将推杆推出，在两组转动连杆15和执行手臂13的传动工作下，安装在收纳抓斗11下方的两组切割刀片12打开(如图4所示)。驱动电机3开始工作，控制垂直移动机构2下降，带动采摘收纳机构1下降至合适位置。工作气缸17再次工作将推杆收回，在两组转动连杆15和执行手臂13的传动工作下，安装在收纳抓斗11下方的两组切割刀片12合拢，将茶叶嫩芽切割下来，跌落的茶叶嫩芽进入两组合拢的收纳抓斗11内，最后平移驱动机构和垂直移动机构2工作使采摘收纳机构1移动至收集器的上方，控制器再控制工作气缸17工作，使推杆推出，原本合拢的收纳抓斗11打开，收纳的茶叶嫩芽全部落入收集器内，完成此次茶叶采摘过程。

当采摘收纳机构1需要对生长在边缘位置并有一定偏斜的茶树进行采摘时，推板矫正机构9开始工作并推出，推动植物枝条，使生长在枝条上的茶树摆正位置。

此外，为进一步实现全面采摘、扩大采摘范围，还可在平移驱动机构与固定支架8之间安装有旋转电机和传动机构，旋转电机与控制器连接，当车体11在某处停止行走时，旋转电机通过传动机构带动整个平移驱动机构绕固定支架8发生转动，从而能够对更大范围内的茶树进行采摘；

为进一步保证采摘物的可靠收集，还可对收纳抓斗11的外形进行改进，使收纳抓斗11合拢时缝隙更小，以避免采摘的农作物从缝隙中漏出；

为进一步保证整个机器人的节能效果，利用茶园天然的光照优势，可在车体11上加装光伏电池板，由光伏电池板提供电能。

综上所述，本发明提出一种自动化精准采茶机器人，能够使采摘收纳机构准确移动到待采摘茶树上方，并将剪切和收纳功能统一集成于采摘收纳机构，不仅能实现全面、精准采摘的目的，同时能够方便茶叶的收集、降低采摘损失，此外，通过设计推板矫正机构，依靠其推动茶树枝条，使发生倾斜的茶树摆正位置，从而能够保证采摘的全面性、提高采摘收获，本发明依靠较为简易的机械结构、较为低廉的制造成本和使用成本，有利于需要精确采摘的自动化采摘设备的推广和普及，能够大大降低人工成本。

Claims (3)

1.一种自动化精准采茶机器人，其特征在于，包括可在茶园内行走移动的车体(11)，所述车体(11)的底部设置有履带机构(10)，所述车体(11)上安装有摄像头(12)和固定支架(8)，所述车体(11)上设置有顶部开口的箱体，所述箱体用于收集茶叶，所述固定支架(8)上安装有平移驱动机构和可推出收回的推板矫正机构(9)，所述平移驱动机构连接有垂直移动机构(2)，所述垂直移动机构(2)的底部安装有采摘收纳机构(1)，所述平移驱动机构、垂直移动机构(2)、采摘收纳机构(1)和推板矫正机构(9)均连接至控制器，所述控制器与摄像头(12)连接，所述摄像头(12)用于采集待采摘茶树的图像信息，所述控制器根据待采摘茶树的图像信息，以确定待采摘茶树的位置信息和倾斜状态，从而输出相应控制指令给平移驱动机构、垂直移动机构(2)、采摘收纳机构(1)和推板矫正机构(9)；

所述平移驱动机构根据控制器的控制指令，用于驱动垂直移动机构(2)发生水平移动，从而带动采摘收纳机构(1)发生水平移动；

所述垂直移动机构(2)根据控制器的控制指令，用于驱动采摘收纳机构(1)发生垂直移动；

所述采摘收纳机构(1)根据控制器的控制指令，以完成开合剪切动作；

所述垂直移动机构(2)包括可上下移动的垂直导杆，所述垂直导杆与支撑部连接，所述垂直导杆的底部安装有采摘收纳机构(1)，所述垂直导杆还连接有驱动电机(3)，所述驱动电机(3)与控制器连接，所述驱动电机(3)根据控制器的控制指令，在得电工作后使垂直导杆发生上下移动，从而带动采摘收纳机构(1)发生上下移动，所述支撑部包括与导轨(7)摩擦接触的两个滑块(5)，两个滑块(5)上设置有横梁(4)，所述垂直导杆卡接于两个滑块(5)之间；

所述采摘收纳机构(1)包括与垂直导杆底部连接的底座，所述底座的下方安装有工作气缸(107)，所述工作气缸(107)的推杆铰接有两根相互交叉设置的执行手臂(103)，两根执行手臂(103)的底端分别固定连接有收纳抓斗(101)，两个收纳抓斗(101)相对设置，所述收纳抓斗(101)的下部边缘安装有切割刀片(102)，所述工作气缸(107)与控制器连接，根据控制器的指令，工作气缸(107)工作使推杆推出或缩回，使两根执行手臂(103)之间的交叉角度发生变化，从而带动两个收纳抓斗(101)分开或合拢，完成开合剪切动作，当两个收纳抓斗(101)合拢时，能够避免采摘的农作物漏出；

所述推杆上安装有导杆连接头(106)，所述导杆连接头(106)活动连接有两根转动连杆(105)，两根转动连杆(105)通过铰链分别连接至两根执行手臂(103)的顶端，所述底座的底部两端与机械手支架(108)的顶部连接，所述机械手支架(108)的底部之间通过轨道支架(104)连接，所述铰链可移动地安装在轨道支架(104)上，所述轨道支架(104)上开设有腰型槽，所述铰链上设置有用于限定两根执行手臂(103)之间交叉角度的限位销，所述限位销可移动地安装在腰型槽内；

所述推板矫正机构(9)设置在面向茶树根部或茶树枝条的位置，所述推板矫正机构(9)根据控制器的控制指令，用于对发生倾斜的茶树进行推动摆正操作，当采摘收纳机构(1)需要对生长在边缘位置并有一定偏斜的茶树进行采摘时，推板矫正机构(9)开始工作并推出，推动植物枝条，使生长在枝条上的茶树摆正位置；

此外，平移驱动机构与固定支架(8)之间安装有旋转电机和传动机构，旋转电机与控制器连接，当车体(11)停止行走时，旋转电机通过传动机构带动整个平移驱动机构绕固定支架(8)发生转动，从而能够对更大范围内的茶树进行采摘。

2.根据权利要求1所述的一种自动化精准采茶机器人，其特征在于，所述平移驱动机构包括导轨(7)和直线电机(6)，所述直线电机(6)与控制器连接，所述导轨(7)上安装有用于连接垂直移动机构(2)的可移动支撑部，所述支撑部与直线电机(6)连接，所述直线电机(6)根据控制器的控制指令，在得电工作后使支撑部在导轨(7)上发生水平移动，从而带动垂直移动机构(2)沿导轨(7)发生水平移动。

3.根据权利要求1所述的一种自动化精准采茶机器人，其特征在于，所述平移驱动机构与固定支架(8)之间安装有旋转电机和传动机构，所述旋转电机与控制器连接，所述旋转电机通过传动机构带动整个平移驱动机构绕固定支架(8)发生转动。