CN113366972A - 一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，包括从下到上依次设置的行走机构、升降机构和移动平台，移动平台上连接有摄像机构和采摘机构，摄像机构和采摘机构能在移动平台上水平直线移动，并能相对移动平台上下升降移动。本发明利用直线升降滑台，根据茶树高度调节设备工作高度，利用垄型压板与后遮板的针状底部避免了采摘对茶树的损伤，利用垄型压板与后遮板对茶叶进行分段处理并通过摄像机进行视觉识别，由摄像机构取得图像后，三自由度机械臂自动进行精准采摘，整个过程可无需人工参与，并且利用保护罩和挡板可在各种天气环境下工作，保证采摘的高效率，高精准。

Description

一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构

技术领域

本发明涉及采茶机器人技术领域，具体为一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构。

背景技术

目前茶园中高级名优茶的采摘对原料要求较高,即采摘要求较高，一般采摘单芽、一芽一叶初展及一芽二叶初展的芽叶，不能在采摘时将茶叶采散。而现阶段的采茶机主要类型有手动驾驶的跨垄式采茶机，该类型采茶机体积大重量大，采摘时易对茶叶损伤，人为手动驾驶效率低。主要采茶机类型还有手持骑垄式采茶机，它的剪切式的采摘方式无法区分茶叶的新梢与老叶,并且导致了芽叶的破损率高,无法满足名优茶的采摘标准。所以茶园中现仍选择依靠手工采摘高级名优茶，但手工采茶工作量大、耗时且辛苦，在人力资源日益短缺的当下，手工采茶的成本正在不断增长。

发明内容

为解决上述现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，目的是能够在各种天气条件下，无人操控全自动地进行高效率、高精准度无伤害的完整的芽叶采摘。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，包括从下到上依次设置的行走机构、升降机构和移动平台，移动平台上连接有摄像机构和采摘机构，摄像机构和采摘机构能在移动平台上水平直线移动，并能相对移动平台上下升降移动。

具体地，移动平台包括固定框架，固定框架上沿其长度方向安装有直线水平滑台和水平导轨，直线水平滑台和水平导轨上共同安装有载物平板，直线水平滑台的一端与横向调整电机连接，横向调整电机带动直线水平滑台转动，使载物平板在直线水平滑台和水平导轨上水平移动；载物平板上安装摄像机构、采摘机构与收集箱，摄像机构、采摘机构与收集箱能够随载物平板一起水平移。

具体地，采摘机构包括三自由度机械臂、采摘机械手和转向装置，三自由度机械臂包括x方向滑台、y方向滑台和z方向滑台，x方向滑台、y方向滑台和z方向滑台上均滑动连接有一个滑块，x方向滑台、y方向滑台和z方向滑台上都设有驱动电机，所述x方向滑台固定连接在载物平板上，z方向滑台滑块固定连接在x方向滑台滑块上，z方向滑台能相对x方向滑台进行水平移动与升降运动；z方向滑台底端固定连接在y方向滑台上；转向装置安装在y方向滑台滑块上，随y方向滑台滑块进行水平移动，采摘机械手连接在转向装置上，采摘机械手随y方向滑台滑块在y方向滑台上水平移动，随z方向滑台一起在x方向滑台上水平移动，并随z方向滑台一起相对x方向滑台进行升降运动。

具体地，转向装置包括转向电机和连接杆，转向电机的输出轴上固连有主动齿轮，连接杆的一端固连有转轴，转轴与连接杆垂直设置，转轴与转向电机的输出轴平行设置，转轴上固连有从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合，转向电机带动主动齿轮转动，从而带动连接杆转动，连接杆的另一端连接采茶机械手，通过控制转向电机的转角使连接杆转过90度，从而使采茶机械手转过90度。

具体地，采茶机械手包括同步带传动机构，同步带传动机构的传动滑块上连接动剪片，动剪片通过剪片转轴与定剪片铰接，动剪片随同步带转动时与定剪片组成剪刀的开合运动，定剪片和动剪片的相对面上均设置有软夹子，软夹子固定在动剪片与定剪片上，定剪片和动剪片捏住剪下的茶叶，采得茶叶后，通过z方向滑台，使采茶机械手到达收集箱高度，再通过转向装置，使采茶机械手转动九十度将采得茶叶放入收集箱中。

进一步地，所述同步带传动机构包括两个平行设置的转轴和传动电机，两个平行设置的转轴之间通过同步带传动连接，其中一个转轴上连接有从动锥齿轮，传动电机输出轴连接有主动锥齿轮，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合连接，传动电机通过主动锥齿轮带动两个转轴之间的同步带转动，使传动滑块带着动剪片做左右往复的线性运动。

进一步地，摄像机构包括摄像头和高度调节支架，高度调节支架包括高度调节滑台和高度调节电机，高度调节滑台采用滚珠丝杆滑台模组；通过高度调节电机带动高度调节滑台滑块运动，高度调节滑台滑块上固连有支架固定件，通过将支架固定件固定在载物平板上，从而使高度调节滑台相对载物平板进行升降运动；摄像头安装在高度调节支架下端。

进一步地，摄像机构包括摄像头和高度调节支架，高度调节支架包括高度调节滑台和高度调节电机，高度调节滑台采用滚珠丝杆滑台模组；通过高度调节电机带动高度调节滑台滑块运动，高度调节滑台滑块上固连有支架固定件，通过将支架固定件固定在载物平板上，从而使高度调节滑台相对载物平板进行升降运动；摄像头安装在高度调节支架下端。

进一步地，升降机构包括支撑架，支撑架具有四个支柱，每个支柱上都竖向设置有直线升降滑台，直线升降滑台包括直线升降轨道，直线升降轨道的顶端设置升降滑台同步轮，直线升降轨道的底端与升降滑台同步轮之间连接有升降滑台同步带，升降滑台同步带上安装有升降滑块，升降滑台同步轮与升降调整电机连接，升降调整电机驱动升降滑台同步带转动，使升降滑块进行升降运动；

支撑架宽度方向上的两个直线升降滑台的升降滑块之间均连接有定位板，两个定位板之间连接有垄型压板，支撑架长度方向上的两个直线升降滑台的升降滑块之间连接有后遮板，后遮板与垄型压板随升降滑块进行升降运动，垄型压板与后遮板之间的间隙可调。

进一步地，垄型压板的两端沿其宽度方向连接有长条形的定位滑轨，位于定位滑轨两端的垄型压板上还开设有定位孔，定位板的长度较垄型压板的两端宽度大，定位板上沿其长度方向开设有长条孔，长条孔的长度方向与垄型压板的宽度方向平行，长条孔两端的定位板上也开设有定位孔，垄型压板的两端设置在的定位板的下方，垄型压板的定位滑轨位于定位板的长条孔中，且能在长条孔中滑移，垄型压板的定位孔与定位板的定位孔对应开设且适配，依次在定位板和垄型压板的定位孔中穿过紧固螺栓，将垄型压板与定位板固连，通过垄型压板的定位滑轨在定位板的定位孔中滑动，从而调整垄型压板与后遮板之间的距离。

本发明的有益效果：

本发明利用直线升降滑台，根据茶树高度调节设备工作高度，利用垄型压板与后遮板的针状底部避免了采摘对茶树的损伤，利用垄型压板与后遮板对茶叶进行分段处理并通过摄像机进行视觉识别，由摄像机构取得图像后，三自由度机械臂自动进行精准采摘，整个过程可无需人工参与，并且利用保护罩和挡板可在各种天气环境下工作，保证采摘的高效率，高精准。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为移动平台的俯视图结构；

图3为升降机构的结构示意图；

图4为垄型压板与定位板的连接结构示意图；

图5为直线升降滑台的结构示意图；

图6为摄像机构的结构示意图；

图7为采摘机构三自由度机械臂的结构示意图；

图8为采茶机械手的结构示意图；

图9为转向装置的结构示意图；

图10为以z方向滑台为例的滚珠丝杆式滑台结构示意图；

图11为本发明安装上保护罩与挡板的结构示意图；

图中标号如下：1-移动平台；11-固定框架；12-载物平板；13-电源；14-控制器；15-工控机；16-直线水平滑台；161-水平移动滑块；17-横向调整电机；18-水平导轨；19-保护罩；2-升降机构；21-支撑架；211-支柱；212-横杆；22-后遮板；23-垄型压板；231-定位板；232-定位孔；233-定位滑轨；24-直线升降滑台；241-升降滑块；242-升降滑台同步轮；243-升降滑台同步带；25-升降调整电机；26-连接件；27-侧挡板；28前后挡板；3-收集箱；4-摄像机构；41-摄像头；42-高度调节支架；421-高度调节滑台；4211-高度调节滑台滑块；422-高度调节电机；43-支架固定件；5-采摘机构；51-三自由度机械臂；511-x方向滑台；5111-x方向滑台滑块；512-y方向滑台；5121-y方向滑台滑块；513-z方向滑台；5131-z方向滑台滑块；514-滑台驱动电机；52-采茶机械手；521-同步带传动机构；5211-传动滑块；522-传动电机；523-从动锥齿轮；524-定剪片；525-动剪片；526-软夹子；527-剪片转轴；53-转向装置；531-转向电机；532-转轴；533-连接杆；6-行走机构；61-履带式底盘；62-支撑杆；63-驱动机箱；7-条状光源；71-光源支架；8-风琴式防尘罩。

具体实施方式

下面结合图1-11对本发明进行详细说明：

一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，包括从下到上依次设置的行走机构、升降机构2和移动平台1，移动平台上连接有摄像机构4和采摘机构5，摄像机构和采摘机构能在移动平台上直线移动。

如图1，行走机构6为履带式行走机构，行走机构6包括履带式底盘61、支撑架62、驱动机箱63，履带式底盘61、支撑架62、驱动机箱各有两个，每个履带式底盘61上连接一个支撑架62，每个支撑架上固连一个驱动机箱63，两个支撑架的上端连接升降机构2。

如图3、4、5，升降机构2包括支撑架21，支撑架具有四个支柱211，每个支柱上都竖向设置有直线升降滑台24，直线升降滑台24包括直线升降轨道，直线升降轨道的顶端设置升降滑台同步轮242，直线升降轨道的底端与升降滑台同步轮之间连接有升降滑台同步带243，升降滑台同步带上安装有升降滑块241，升降滑台同步轮与升降调整电机25连接，升降调整电机驱动升降滑台同步带转动，使升降滑块进行升降运动；

连接件26为九十度角码，后遮板22与垄型压板23通过螺钉螺母与连接件26固定在升降滑块241上，后遮板与垄型压板随升降滑块进行升降运动。垄型压板23的两端沿其宽度方向连接有长条形的定位滑轨233，位于定位滑轨两端的垄型压板上还开设有定位孔232。支撑架宽度方向上的两个直线升降滑台的升降滑块之间连接有定位板231，定位板的长度较垄型压板23的两端宽度大，定位板上沿其长度方向开设有长条孔，长条孔的长度方向与垄型压板的宽度方向平行，长条孔两端的定位板上也开设有定位孔，垄型压板的两端设置在的定位板的下方，垄型压板的定位滑轨位于定位板的长条孔中，且能在长条孔中滑移，垄型压板的定位孔与定位板的定位孔对应开设且适配，依次在定位板和垄型压板的定位孔中穿过紧固螺栓，将垄型压板与定位板固连。

通过垄型压板的定位滑轨在定位板的定位孔中滑动，从而调整垄型压板与后遮板22之间的距离。

如图2，移动平台1包括固定框架11，固定框架上沿其长度方向安装有直线水平滑台16和水平导轨18，直线水平滑台16和水平导轨18上共同安装有载物平板12，直线水平滑台16的一端与横向调整电机17连接，横向调整电机带动直线水平滑台16转动，使载物平板在直线水平滑台上水平移动，由水平导轨18保持平衡、分担重量；载物平板12上安装摄像机构4、采摘机构5与收集箱3，摄像机构4、采摘机构5与收集箱能够随载物平板12一起水平移动，载物平板12上方设有电源13、控制器14与工控机15，电源给控制器14、工控机15、横向调整电机17、高度调整电机25、摄像机构4和采摘机构5供电。

如图7，采摘机构5包括三自由度机械臂51、采摘机械手52和转向装置53，三自由度机械臂包括x方向滑台511、y方向滑台512和z方向滑台513，x方向滑台、y方向滑台和z方向滑台上均滑动连接有一个滑块，x方向滑台511、y方向滑台512和z方向滑台513上都设有驱动电机514，所述x方向滑台511固定连接在载物平板12上，z方向滑台滑块5131固定连接在x方向滑台滑块5111上，z方向滑台513能相对x方向滑台进行水平移动与升降运动；z方向滑台513底端固定连接在y方向滑台上；转向装置53安装在y方向滑台滑块5121上，可随y方向滑台滑块5121进行水平移动，采摘机械手连接在转向装置上，采摘机械手随y方向滑台滑块在y方向滑台上水平移动，随z方向滑台一起在x方向滑台上水平移动，并随z方向滑台一起相对x方向滑台进行升降运动，实现了三自由度。

如图9，转向装置53包括转向电机531和连接杆533，转向电机的输出轴上固连有主动齿轮，连接杆的一端固连有转轴532，转轴与连接杆垂直设置，转轴与转向电机的输出轴平行设置，转轴上固连有从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合，转向电机带动主动齿轮转动，从而带动连接杆转动，连接杆的另一端连接采茶机械手52，通过控制转向电机531的转角使连接杆533转过90度，从而使采茶机械手52转过90度。

如图8，采茶机械手52包括同步带传动机构521，同步带传动机构521的传动滑块5211上连接动剪片525，动剪片通过剪片转轴527与定剪片524铰接，由于定剪片524固定不动，动剪片525随同步带转动时即可与定剪片524组成剪刀的开合运动，定剪片和动剪片的相对面上均设置有软夹子526，软夹子526固定在动剪片525与定剪片524上，可捏住剪下的茶叶，采得茶叶后，通过z方向滑台511，使采茶机械手52到达收集箱3高度，再通过转向装置53，使采茶机械手52转动九十度将采得茶叶放入收集箱3中。

同步带传动机构521包括两个平行设置的转轴和传动电机522，两个平行设置的转轴之间通过同步带传动连接，其中一个转轴上连接有从动锥齿轮523，传动电机输出轴连接有主动锥齿轮，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合连接，传动电机522通过主动锥齿轮带动两个转轴之间的同步带转动，使传动滑块5211带着动剪片做左右往复的线性运动。

如图6，摄像机构4包括摄像头41和高度调节支架42，高度调节支架包括高度调节滑台421和高度调节电机422，高度调节滑台421采用滚珠丝杆滑台模组；通过高度调节电机422带动高度调节滑台滑块4211运动，高度调节滑台滑块4211上固连有支架固定件43，通过将支架固定件固定在载物平板12上，从而使高度调节滑台421相对载物平板进行升降运动；摄像头41安装在高度调节支架42下端，光源支架71安装在摄像头上方的高度调节支架42上，条状光源7安装在光源支架中。摄像机构4通过网线与工控机15连接，将采集到的图像通过网线传输到工控机15上，工控机15与控制器14相连，控制器14控制采摘机构5进行茶叶采摘。

本发明的x方向滑台511、y方向滑台512、z方向滑台513、高度调节滑台421、水平直线滑台16均使用滚珠丝杆滑台模组，上述滑台在不使用时均可使用风琴式防尘罩8进行保护，如图10所示为以z方向滑台为例的滚珠丝杆式滑台结构示意图，滑台驱动电机514带动丝杆转动时，z方向滑台滑块5131做线性运动。使用滚珠丝杆滑台模组可使三自由度机械臂51、移动平台1、摄像机构4运行更加精准平稳，保证采茶精度效率。

如图11，移动平台1的顶部设有保护罩19，支撑架21的前后横杆设有可以翻开的前后挡板28，支撑架两侧设有可以上移的侧挡板27，用于遮光，避免环境光对摄像机构4的工作造成影响，并且还能起到遮风挡雨的作用，使本发明可以在不同天气环境下进行工作。

本装置使用方法如下：

工作时将本发明的垄型压板23调节高度使其轻微压紧茶树，通过行走机构6使本发明位置调整至支撑杆62位于茶树两侧，使茶树位于装置下方；垄型压板23与后遮板22下降到轻微压紧茶树茶叶的高度，由于垄型压板23与后遮板22之间存在间隙，在该间隙处的茶叶不会被垄型压板23压住，且有后遮板22作为背景板，可在条状光源7照明下被摄像机构4拍摄，并因为该处茶叶为单层无重叠遮挡，拍摄得到图片可通过工控机15识别出该处茶叶所需采摘的嫩芽叶的坐标位置，由此完成对茶叶的分段视觉识别；再通过三自由度机械臂51与采茶机械手52进行茶叶采摘，摄像机构4与采摘机构5可通过载物平板水平移动，完成对该间隙处茶叶从一端到另一端的采摘，采得茶叶后，通过z方向滑台511，使采茶机械手52达到收集箱3高度，再通过转向装置53，使采茶机械手52转动九十度将采得茶叶放入收集箱3中。

本申请仅公开分段采茶机器人的机械结构，有关机器人的控制电路、方法均不包含在此申请方案中。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：包括从下到上依次设置的行走机构、升降机构和移动平台，移动平台上连接有摄像机构和采摘机构，摄像机构和采摘机构能在移动平台上水平直线移动，并能相对移动平台上下升降移动。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：移动平台包括固定框架，固定框架上沿其长度方向安装有直线水平滑台和水平导轨，直线水平滑台和水平导轨上共同安装有载物平板，直线水平滑台的一端与横向调整电机连接，横向调整电机带动直线水平滑台转动，使载物平板在直线水平滑台和水平导轨上水平移动；载物平板上安装摄像机构、采摘机构与收集箱，摄像机构、采摘机构与收集箱能够随载物平板一起水平移。

3.根据权利要求2所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：采摘机构包括三自由度机械臂、采摘机械手和转向装置，三自由度机械臂包括x方向滑台、y方向滑台和z方向滑台，x方向滑台、y方向滑台和z方向滑台上均滑动连接有一个滑块，x方向滑台、y方向滑台和z方向滑台上都设有驱动电机，所述x方向滑台固定连接在载物平板上，z方向滑台滑块固定连接在x方向滑台滑块上，z方向滑台能相对x方向滑台进行水平移动与升降运动；z方向滑台底端固定连接在y方向滑台上；转向装置安装在y方向滑台滑块上，随y方向滑台滑块进行水平移动，采摘机械手连接在转向装置上，采摘机械手随y方向滑台滑块在y方向滑台上水平移动，随z方向滑台一起在x方向滑台上水平移动，并随z方向滑台一起相对x方向滑台进行升降运动。

4.根据权利要求3所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：转向装置包括转向电机和连接杆，转向电机的输出轴上固连有主动齿轮，连接杆的一端固连有转轴，转轴与连接杆垂直设置，转轴与转向电机的输出轴平行设置，转轴上固连有从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合，转向电机带动主动齿轮转动，从而带动连接杆转动，连接杆的另一端连接采茶机械手，通过控制转向电机的转角使连接杆转过90度，从而使采茶机械手转过90度。

5.根据权利要求4所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：采茶机械手包括同步带传动机构，同步带传动机构的传动滑块上连接动剪片，动剪片通过剪片转轴与定剪片铰接，动剪片随同步带转动时与定剪片组成剪刀的开合运动，定剪片和动剪片的相对面上均设置有软夹子，软夹子固定在动剪片与定剪片上，定剪片和动剪片捏住剪下的茶叶，采得茶叶后，通过z方向滑台，使采茶机械手到达收集箱高度，再通过转向装置，使采茶机械手转动九十度将采得茶叶放入收集箱中。

6.根据权利要求5所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：所述同步带传动机构包括两个平行设置的转轴和传动电机，两个平行设置的转轴之间通过同步带传动连接，其中一个转轴上连接有从动锥齿轮，传动电机输出轴连接有主动锥齿轮，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合连接，传动电机通过主动锥齿轮带动两个转轴之间的同步带转动，使传动滑块带着动剪片做左右往复的线性运动。

7.根据权利要求5所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：摄像机构包括摄像头和高度调节支架，高度调节支架包括高度调节滑台和高度调节电机，高度调节滑台采用滚珠丝杆滑台模组；通过高度调节电机带动高度调节滑台滑块运动，高度调节滑台滑块上固连有支架固定件，通过将支架固定件固定在载物平板上，从而使高度调节滑台相对载物平板进行升降运动；摄像头安装在高度调节支架下端。

8.根据权利要求7所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：摄像机构包括摄像头和高度调节支架，高度调节支架包括高度调节滑台和高度调节电机，高度调节滑台采用滚珠丝杆滑台模组；通过高度调节电机带动高度调节滑台滑块运动，高度调节滑台滑块上固连有支架固定件，通过将支架固定件固定在载物平板上，从而使高度调节滑台相对载物平板进行升降运动；摄像头安装在高度调节支架下端。

9.根据权利要求8所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：升降机构包括支撑架，支撑架具有四个支柱，每个支柱上都竖向设置有直线升降滑台，直线升降滑台包括直线升降轨道，直线升降轨道的顶端设置升降滑台同步轮，直线升降轨道的底端与升降滑台同步轮之间连接有升降滑台同步带，升降滑台同步带上安装有升降滑块，升降滑台同步轮与升降调整电机连接，升降调整电机驱动升降滑台同步带转动，使升降滑块进行升降运动；

支撑架宽度方向上的两个直线升降滑台的升降滑块之间均连接有定位板，两个定位板之间连接有垄型压板，支撑架长度方向上的两个直线升降滑台的升降滑块之间连接有后遮板，后遮板与垄型压板随升降滑块进行升降运动，垄型压板与后遮板之间的间隙可调。

10.根据权利要求9所述的一种基于视觉定位的分段采茶机器人的机械结构，其特征在于：垄型压板的两端沿其宽度方向连接有长条形的定位滑轨，位于定位滑轨两端的垄型压板上还开设有定位孔，定位板的长度较垄型压板的两端宽度大，定位板上沿其长度方向开设有长条孔，长条孔的长度方向与垄型压板的宽度方向平行，长条孔两端的定位板上也开设有定位孔，垄型压板的两端设置在的定位板的下方，垄型压板的定位滑轨位于定位板的长条孔中，且能在长条孔中滑移，垄型压板的定位孔与定位板的定位孔对应开设且适配，依次在定位板和垄型压板的定位孔中穿过紧固螺栓，将垄型压板与定位板固连，通过垄型压板的定位滑轨在定位板的定位孔中滑动，从而调整垄型压板与后遮板之间的距离。

Images