CN113383641A - 一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手及方法，包括仿生机械手、滑动机构和茶叶收集盒，所述的仿生机械手包括两个结构相同的手指，每个手指包括驱动电机和依次通过关节连接的近指节、中指节、远指节，在其中一个手指的远指节上安装有切割刀片；所述的电机通过拉绕在各个关节绕线轮上的纤维绳来驱动关节转动；所述的滑动机构驱动所述的仿生机械手移动，所述的茶叶收集盒安装在仿生机械手的下方。

Description

一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手及方法

技术领域

本发明涉及茶叶采摘技术领域，尤其涉及一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手及方法。

背景技术

目前市面上的采茶机械主要应用于大宗茶的采摘，采摘方式为一刀切式即不论茶叶的成熟程度和是否损坏都对其一起采摘，采摘质量低，所以一刀切式的采摘机械不适用于名优茶高质量的采摘，所以名优茶采摘机械的发展的一大重点就是名优茶采摘机械手的设计。

名优茶采摘机械手的设计面对两大难题，第一是现有的茶叶采摘机械手结构缺乏独有的设计，是简单的夹持结构或者是剪切结构，这两种结构的缺点是体积大，在密集的茶叶丛中容易对茶叶造成损伤或者是不易夹持到茶叶。

第二个设计难题是现有的采茶机械手采用的一般都是机械传动机构，刚性过强，导致机械手在捏取茶叶时对茶叶叶茎捏取力太大，以致于挤出茶叶的汁液对后续茶叶的炒制品质造成影响。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，本装置一方面，采用欠驱动的思路设计仿生手指，可以模拟人手采摘茶叶的行为，从而保证了采摘时机械手不会干扰到其他茶叶芽叶；另一方面，采用腱驱动的欠驱动方式来驱动机械手，腱驱动是指模仿人手指的肌腱，本发明采用的肌腱为纤维绳，纤维绳具有韧性，使整个采摘机械手具有一定的柔性，避免了采摘时对茶叶的捏取力过大导致对茶叶品质造成影响。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，包括仿生机械手、滑动机构和茶叶收集盒，所述的仿生机械手包括两个结构相同的手指，每个手指包括电机和依次通过关节连接的近指节、中指节、远指节，在其中一个手指的远指节上安装有切割刀片，所述的电机通过拉绕在各个关节绕线轮上的纤维绳来驱动关节转动；所述的滑动机构驱动所述的仿生机械手移动，所述的茶叶收集盒安装在仿生机械手的下方。

第二方面，本发明还提供了一种小尺寸的采茶手爪及茶叶收集方法，包括以下步骤：

1)仿生机械手处于伸直状态运动到茶叶采摘点，驱动电机正转拉动纤维绳使手指捏合带动刀片完成切割动作同时手指捏住茶叶；

2)丝杠电机正转驱动滑块在导轨上向后滑动使仿生机械手收回，使仿生机械手位于茶叶收集盒的正上方；

3)驱动电机反转转拉动纤维绳使手指伸直松开茶叶，茶叶掉落于茶叶收集盒中；

4)丝杠电机反转驱动滑块在导轨上向前滑动使仿生机械手伸出，准备下一次采摘动作。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手区别于现有的简单的夹持式和剪切式结构，采用腱驱动的方式设计了尺寸与人手指尺寸一致的仿生手指以模拟人工采摘茶叶的过程，避免了现有机构体积大不便于采摘的过程，同时腱绳采用钢丝绳具有一定的韧性，使机械手具有一定的柔性，避免了采摘茶叶时捏取力太大导致挤出茶叶芽叶汁液影响茶叶后续制作的品质。

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为本发明一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手整体结构示意图；

图2、图3为本发明一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手的仿生机械手结构示意图；

图4、图5为本发明一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手的仿生机械手驱动原理图；

图6为本发明一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手的滑动部分和茶叶收集盒结构示意图；

图中：仿生机械手1、滑动部分2、茶叶收集盒3、驱动电机1-1、驱动电机绕线轮1-2、驱动电机安装板1-3、基座固定件1-4、基座1-5、近指节1-6、近指节盖板1-7、中指节1-8、中指节盖板1-9、远指节1-10、远指节盖板1-11、切割刀片1-12、固线轴1-13、远指节关节轮1-14、中指节张紧轮1-15、中指节关节轮1-16、近指节张紧轮1-17、近指节关节轮1-18、纤维线1-19、滑块 2-1、直线导轨2-2、丝杠电机2-3、电机固定件2-4。

具体实施方式

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。

仿生茶叶采摘机械手是设计名优茶采摘机械的一大重点，通过对现有技术的分析可以得到目前需解决的问题是如何实现模拟人手对茶叶的采摘；二是如何实现采摘机械手的柔性捏取。本发明基于这两个技术问题，提出了一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手。

具体的，如图1所示，本实施例公开了一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，主要包括仿生机械手1、滑动部分2和茶叶收集盒3；其中滑动部分2将仿生机械手1和茶叶收集盒3连接成一个整体。

具体的工作过程如下：仿生机械手1捏合摘取茶叶芽叶后，滑动部分2控制仿生机械手1向后滑动然后仿生机械手1松开茶叶芽叶放入茶叶收集盒3中，然后滑动部分2控制仿生机械手1向前滑动准备下一次采摘动作。

进一步的，本实施例为了解决现有的茶叶采摘机械手结构体积大，在密集的茶叶丛中容易对茶叶造成损伤或者是不易夹持到茶叶这一问题，针对这一问题，本实施例中还提出了一种新的仿生机械手，该仿生机械手采用欠驱动的思路设计仿生手指，可以模拟人手采摘茶叶的行为，从而保证了采摘时机械手不会干扰到其他茶叶芽叶，具体的如图2所示，仿生机械手1主要包括两个对称的手指，两个手指的结构完全相同，本实施例以其中一个手指为例，进行说明；手指主要包括电机1-1、基座1-5和安装在基座1-5上的且依次连接的近指节 1-6、中指节1-8、远指节1-10；且在其中一个手指上安装有切割刀片1-12。

在所述的电机1-1的输出端安装有驱动电机绕线轮1-2；在所述的近指节1-6 内依次安装有近指节关节轮1-18、近指节张紧轮1-17；在中指节1-8与近指节 1-6连接位置处设有中指节关节轮1-16，在中指节1-8内安装有中指节张紧轮 1-15，在中指节1-8与远指节1-10连接处设有远指节关节轮1-14，在远指节 1-10内还设有固线轴1-13；上述的驱动电机绕线轮1-2上设有上下两个线槽；近指节关节轮1-18、近指节张紧轮1-17、中指节关节轮1-16、中指节张紧轮 1-15、远指节关节轮1-14均各自包括两个，且上下安装；纤维线1-19也包括两根；其中一根纤维线1-19连接在驱动电机绕线轮1-2的上线槽上，然后依次缠绕位于上部的关节轮以及张紧轮后固定在末端的固线轴1-13上部；另外一根纤维线1-19连接在驱动电机绕线轮1-2的下线槽上，然后依次缠绕位于下部的关节轮以及张紧轮后固定在末端的固线轴1-13下部，通过电机旋转带动纤维线 1-19缠绕，实现手指不同节的弯曲；切割刀片1-12的孔与固线轴1-13同轴心通过螺母安装在远指节1-10上；

进一步的，需要说明的是，上述的各个关节轮以及张紧轮均安装在各自对应的开口销上，各个不同的开口销固定在各自对应的指节内。

进一步的，每个指节的顶部均设有一个盖板，具体的，近指节盖板1-7通过螺柱螺母安装于近指节1-6上；中指节盖板1-9通过螺柱螺母安装于中指节 1-8上，近指节盖板1-7通过螺柱螺母安装于近指节1-6上。

进一步的，近指节1-6通过开口销与基座1-5连接，中指节1-8通过开口销与近指节1-6连接；中指节1-8与远指节1-10通过开口销连接；

进一步需要说明的是，各个关节轮安装于用于连接相连指节的开口销上。

进一步需要说明的是，基座1-5通过螺栓安装在基座固定件1-4上，基座固定件1-4通过螺栓安装于驱动电机安装板1-3，驱动电机1-1通过螺栓安装于驱动电机安装板1-3，驱动电机绕线轮1-2安装在驱动电机1-1上，纤维绳1-19 的一端缠绕在驱动电机绕线轮1-2上，另一端安装于固线轴1-13上。

如图4、图5所示，仿生机械手的驱动原理为以纤维绳1-19模拟人手指的肌腱实现欠驱动，一个仿生手指里有两个绕绳组，两个绕绳组的绕绳方向相反，仿生手指的工作过程为驱动电机绕线轮1-2正转拉动纤维绳1-19使手指捏合带动切割刀片1-12完成切割动作同时手指捏住茶叶，茶叶回收时驱动电机绕线轮 1-2反转拉动纤维绳1-19使手指松开。仿生机械手可以模拟人手的采摘过程以实现茶叶芽叶的精准采摘，同时纤维绳1-19的韧性使手指捏合时具有一定的柔性以保证茶叶的采摘质量。

如图6所示，本实施例中的滑动部分，包括滑块2-1、直线导轨2-2、丝杠电机2-3、电机固定件2-4。其中滑块2-1安装在直线导轨2-2上，丝杠电机2-3 通过电机固定件2-4固定在直线导轨2-2上，丝杠电机2-3通过转动丝杠驱动滑块2-1在直线导轨2-2上滑动实现仿生机械手1的伸出与收回动作，滑块2-1 上安装有上述的两个手指。使仿生机械手1采摘好茶叶后将茶叶放入茶叶收集盒3中，继而再次伸出准备下一次采摘动作。

具体的，上述采摘机械手1、滑动部分2和茶叶收集盒3三个部分的连接关系如下：

仿生机械手1安装在驱动电机安装板1-3上，驱动电机安装板1-3通过螺栓安装于滑块2-1底部，电机固定件2-4与驱动电机安装板1-3左右安装；茶叶收集盒3通过螺栓安装在电机固定件2-4下方。

本实施例中的仿生机械手的驱动方式为以纤维绳模拟人的肌腱来实现欠驱动，纤维绳的一端缠绕在驱动电机绕线轮上，另一端安装于远指节的固线轴上，仿生机械手的采摘动作是由驱动电机正转拉动纤维绳使手指捏合带动刀片完成切割动作同时手指捏住茶叶。同时每个手指里有两个方向相反的绕绳组，电机反转即可实现手指的松开动作。滑动部分实现仿生机械手的伸出与收回的动作，在仿生机械手采摘好茶叶后，丝杠电机驱动仿生机械手收回以便于将茶叶放入茶叶收集盒中，然后将仿生机械手伸出进行下一步的采摘动作。

进一步的，本实施例中，茶叶收集盒用于收集采摘好的茶叶，在此基础上可外接一个管道以扩大收集容量。

基于上述装置，进行茶叶收集方法，如下：

1)仿生机械手处于伸直状态运动到茶叶采摘点，驱动电机正转拉动纤维绳使手指捏合带动刀片完成切割动作同时手指捏住茶叶；

2)丝杠电机正转驱动滑块在导轨上向后滑动使仿生机械手收回，使仿生机械手位于茶叶收集盒的正上方；

3)驱动电机反转拉动纤维绳使手指伸直松开茶叶，茶叶掉落于茶叶收集盒中；

4)丝杠电机反转驱动滑块在导轨上向前滑动使仿生机械手伸出，准备下一次采摘动作。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

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 (8)

1.一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，其特征在于，包括仿生机械手、滑动机构和茶叶收集盒，所述的仿生机械手包括两个结构相同的手指，每个手指包括电机和依次通过关节连接的近指节、中指节、远指节，在其中一个手指的远指节上安装有切割刀片；所述的电机通过拉绕在各个关节绕线轮上的纤维绳来驱动关节转动；所述的滑动机构驱动所述的仿生机械手移动，所述的茶叶收集盒安装在仿生机械手的下方。

2.如权利要求1所述的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，其特征在于，每个手指上还包括一个基座，所述的近指节通过第一开口销与基座相连，在所述的第一开口销上安装有近指节关节轮；在近指节内部安装有近指节张紧轮。

3.如权利要求2所述的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，其特征在于，所述的中指节与近指节通过第二开口销相连，在第二开口销上设有中指节关节轮，在中指节内安装有中指节张紧轮。

4.如权利要求2所述的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，其特征在于，所述的中指节与远指节通过第三开口销相连，在第三开口销上设有远指节关节轮。

5.如权利要求1所述的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，其特征在于，在远指节内还设有固线轴，切割刀片的孔与固线轴同轴心通过螺母安装在远指节上。

6.如权利要求5所述的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，其特征在于，所述电机的输出端连接电机绕线轮，在电机绕线轮上设有上下两个线槽，用于固定两根纤维绳，纤维绳一端固定在电机绕线轮上，另一端固定在固线轴上。

7.如权利要求2所述的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手，其特征在于：所述的滑动机构包括导轨和滑块，所述的仿生机械手安装在滑块上，且所述的滑块通过驱动机构驱动其沿着所述的导轨滑动。

8.利用权利要求1-7任一所述的一种腱驱动的仿生茶叶采摘机械手对茶叶进行采摘的方法，其特征在于：

1)仿生机械手处于伸直状态运动到茶叶采摘点，驱动电机正转拉动纤维绳使手指捏合带动两个切割刀片完成切割动作同时手指捏住茶叶；

2)滑动机构带动仿生机械手向后滑动使仿生机械手收回，使仿生机械手位于茶叶收集盒的正上方；

3)驱动电机反转拉动纤维绳使手指伸直松开茶叶，茶叶掉落于茶叶收集盒中；

4)滑动机构反带动仿生机械手向前滑动，使仿生机械手伸出，准备下一次采摘动作。

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