CN114766202A - 一种九自由度的茶叶采摘机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种九自由度的茶叶采摘机器人，包括机架、用于切割茶叶的切割装置、设置在所述机架与所述切割装置之间用于驱动所述切割装置运动的机械臂模块以及用于收集茶叶的收集装置；其中，所述机械臂模块由三组相同的机械臂机构并联组成；每组所述机械臂机构具有三个自由度，该机械臂机构的一端与所述机架连接，另一端通过球头铰链与所述切割装置连接。该机器人能够对茶叶实现精准采摘，采摘茶叶匀整度高，极大提高了茶叶的采摘质量，并且采摘过程中不会损伤茶树树冠与叶芽，有利于茶树的生长。

Description

一种九自由度的茶叶采摘机器人
技术领域
本发明涉及茶叶采摘技术领域，具体涉及一种九自由度的茶叶采摘机器人。
背景技术
茶叶是我国人民生活中极其重要的、无可替代的传统饮品，同时也得到世界各地人民的喜爱和推崇。随着经济的发展，人民的生活水平不断提高，茶产业的规模不断的扩大。名优茶具有较高的饮用价值和经济效益，是茶产业的支柱。茶叶采摘具有很强的季节性，采摘周期短，劳动强度高，属于劳动密集型作业；在茶园集中而劳动力缺乏的地区，往往因采摘不及时，而严重影响茶叶的产量及品质。同时，因人工成本快速上涨，茶叶采摘成本占整个茶叶生产成本的比例越来越高，机械化采摘能有效解决劳动力不足的问题，更能促进茶产业发展的现代化，是实现茶产业可持续发展的必由之路。
目前，机械采茶主要通过一刀切的方式切割茶叶，例如，申请公布号为CN114246060A的发明专利申请公开了一种茶叶种植用具有识别功能的茶叶采摘装置及采摘方法，该装置包括收集箱，所述收集箱的一侧设置有旋转折叠的采摘刀，所述采摘刀的一侧设置有通过吹风进行收集的第二导风管，通过打开采摘刀对茶叶进行采摘，同时利用鼓风机以及第二导风管对采摘后的茶叶进行收集。但是，上述装置存在以下不足：
茶叶采摘后的鲜叶匀整度差，采集的茶叶大小不一，质量参差不齐，后续分拣困难，特别是对于茶叶嫩度要求高的名优茶，极大地影响了采摘质量；另外，现有的采摘装置还会损伤茶树树冠与叶芽，影响茶树的生长。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种九自由度的茶叶采摘机器人，该机器人能够对茶叶实现精准采摘，采摘茶叶匀整度高，极大提高了茶叶的采摘质量，并且采摘过程中不会损伤茶树树冠与叶芽，有利于茶树的生长。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种九自由度的茶叶采摘机器人，包括机架、用于切割茶叶的切割装置、设置在所述机架与所述切割装置之间用于驱动所述切割装置运动的机械臂模块以及用于收集茶叶的收集装置；其中，
所述机械臂模块由三组相同的机械臂机构并联组成；每组所述机械臂机构具有三个自由度，该机械臂机构的一端与所述机架连接，另一端通过球头铰链与所述切割装置连接。
上述九自由度的茶叶采摘机器人的工作原理是：
每组机械臂机构具有三个自由度，通过球头铰链连接成的切割装置共有九个自由度；工作时，通过三组机械臂机构控制切割装置朝着各种角度方向进行运动，使得切割装置运动到待采摘茶叶的位置，然后通过切割装置对茶叶进行抓取并切割，切割完成后，收集装置会将切割完成的茶叶进行收集。
本发明的一个优选方案，其中，每组所述机械臂机构包括机械臂组件以及驱动所述机械臂组件在机架上进行转动的转动驱动机构；所述机械臂组件包括支架、转动设置在支架上的摆动臂和主动臂、设置在主动臂与所述切割装置之间的执行臂、设置所述摆动臂与所述执行臂之间的从动臂、用于驱动所述摆动臂在支架上进行摆动的第一摆动驱动机构以及用于驱动所述主动臂在支架上进行摆动的第二摆动驱动机构；其中，所述摆动臂的首端与所述第一摆动驱动机构的驱动件连接；所述从动臂的首端与所述摆动臂的末端铰接，该从动臂的末端与所述执行臂的首端铰接；所述主动臂的首端与所述第二摆动驱动机构的驱动件连接，该主动臂的末端与所述执行臂的中部铰接；所述执行臂的末端与所述切割装置连接。通过采用上述结构，通过设置转动驱动机构、第一摆动驱动机构和第二摆动驱动机构，使得执行臂具有三个自由度，通过第一摆动驱动机构驱动摆动臂进行摆动，从而带动从动臂运动，进而带动执行臂进行摆动，从而调节切割装置的方向与位置，通过第二摆动驱动机构驱动主动臂摆动，带动执行臂进一步摆动，通过转动驱动机构驱动机械臂组件整体旋转，进而带动执行臂的转动；通过第一摆动驱动机构、第二摆动驱动机构以及转动驱动机构同时控制执行臂运动，使得执行臂具有更大的运动范围，进而使得切割装置具有更大的采摘范围，通过三组机械臂机构并联，能够调节切割装置在各种角度对茶叶进行采摘，灵活性高。
优选地，所述切割装置包括安装座、设置在所述安装座上的用于夹紧茶叶并进行切割的夹紧切割机构，所述夹紧切割机构包括两个相对设置的刀片、分别设置在每个刀片上的橡胶爪以及设置在所述安装座上用于驱动两个所述刀片做相互靠近和远离运动的电磁铁。上述结构中，通过电磁铁可以控制两个刀片做相互靠进的运动，进而对茶叶进行切割，刀片在运动的过程中，会带动橡胶爪运动，橡胶爪自身的弹性能够很好地将茶叶夹紧，并且不会对茶叶造成损伤，实现抓取与切割一体化，提供高了茶叶采摘效率；切割完成后，通过电磁铁驱动两个刀片以及橡胶爪做相互远离的运动，将茶叶松开，收集装置会将切割完成的茶叶进行收集。
优选地，所述安装座与每个所述执行臂的末端均通过所述球头铰链连接，所述球头铰链包括设置在所述安装座上的球头以及设置在所述执行臂末端且与所述球头相互配合连接球头座。通过设置球头铰链，这样可以对切割装置进行灵活控制，在控制上可以避免奇点，而且切割装置的活动范围更大。
优选地，所述收集装置包括收集箱、负压气泵、收集管以及设置在收集管上的阀门，其中，所述负压气泵与所述收集管连通，所述收集管的出口端延伸至收集箱的内部。采用上述结构，负压气泵可以提供负压，当一株茶叶采摘切割完成时，收集导管的阀门打开，此时收集导管产生负压，电磁铁掉电后，刀片松开，橡胶爪上的芽叶就会被负压吸进收集箱中。
优选地，所述机架包括框架以及设置在所述框架上的基座，三组所述机械臂机构设置在所述基座上，且在所述基座上呈120°均匀分布。采用上述结构，可以通过三组机械臂机构进行灵活控制，控制精度更高，调节范围更加广。
优选地，所述转动驱动机构包括水平安装在所述基座上的转动驱动电机，所述转动驱动电机的驱动件与所述支架连接。通过设置转动驱动电机，可以驱动支架进行运动，从而带动整个机械臂组件的转动，进而实现对切割装置的控制。
优选地，所述支架为U型支架，所述第一摆动驱动机构包括第一摆动驱动电机，所述第二摆动驱动机构包括第二摆动驱动电机，所述第一摆动驱动电机和所述第二摆动驱动电机分别安装在所述U型支架的两侧，该第一摆动驱动电机的驱动件与所述摆动臂的首端连接；所述第二摆动驱动电机的驱动件与所述主动臂的首端连接。上述结构中，U型支架可以更好地安装第一摆动驱动电机和第二摆动驱动电机，使得机械臂组件的整体结构变得非常紧凑，空间布局更加合理。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中的九自由度的茶叶采摘机器人，每组机械臂机构具有三个自由度，通过球头铰链连接成的切割装置共有九个自由度，工作时，通过三组机械臂机构控制切割装置朝着各种角度方向进行运动，相比现有技术中的同尺寸的delta型并联方案机器人，本发明中的采摘机器人活动范围和空间更大，多自由度的切割装置可以以特定角度绕开茶叶之间相互干涉茶叶芽茎，能够实现精准的定位，更加灵活对茶叶进行采摘，茶叶采摘的匀整度高，极大提高了茶叶的采摘质量。
2、本发明中的九自由度的茶叶采摘机器人，由于采摘过程中可以绕开茶叶之间相互干涉茶叶芽茎，因此，采摘过程中不会损伤茶树树冠与叶芽，有利于茶树的生长。
附图说明
图1-图2为本发明中的一种九自由度的茶叶采摘机器人的第一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为主视图，图2为立体图。
图3-图4为本发明中的机械臂模块的结构示意图，其中，图3为侧视图，图4为立体图。
图5为本发明中的一组机械臂机构的立体结构示意图。
图6为本发明中的切割装置的立体结构示意图。
图7为本发明中的球头铰链的立体结构示意图。
图8为本发明中的收集装置的立体结构示意图。
图9为本发明中的切割装置的另一种实施方式的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例1
参见图1-图3，本实施例公开了一种九自由度的茶叶采摘机器人，包括机架1、用于切割茶叶的切割装置2、设置在所述机架1与所述切割装置2之间用于驱动所述切割装置2运动的机械臂模块以及用于收集切割后的茶叶的收集装置4；其中，所述机械臂模块由三组相同的机械臂机构3并联组成；每组所述机械臂机构3具有三个自由度，该机械臂机构3的一端与所述机架1连接，另一端通过球头铰链5与所述切割装置2连接。
参见图1-图3，本实施例中的九自由度的茶叶采摘机器人，每组机械臂机构3具有三个自由度，通过球头铰链5连接成的切割装置2共有九个自由度，工作时，通过三组机械臂机构3控制切割装置2朝着各种角度方向进行运动，相比现有技术中同尺寸的delta型并联方案机器人，本实施例中的采摘机器人活动范围和空间更大，多自由度的切割装置2可以以特定角度绕开茶叶之间相互干涉茶叶芽茎，能够实现精准的定位，更加灵活对茶叶进行采摘，茶叶采摘的匀整度高，极大提高了茶叶的采摘质量；由于采摘过程中可以绕开茶叶之间相互干涉茶叶芽茎，因此，采摘过程中不会损伤茶树树冠与叶芽，有利于茶树的生长。
参见图3-图5，每组所述机械臂机构3包括机械臂组件以及驱动所述机械臂组件在机架1上进行转动的转动驱动机构3-1；所述机械臂组件包括支架3-2、转动设置在支架3-2上的摆动臂3-3和主动臂3-4、设置在主动臂3-4与所述切割装置2之间的执行臂3-5、设置所述摆动臂3-3与所述执行臂3-5之间的从动臂3-6、用于驱动所述摆动臂3-3在支架3-2上进行摆动的第一摆动驱动机构3-7以及用于驱动所述主动臂3-4在支架3-2上进行摆动的第二摆动驱动机构3-8；其中，所述摆动臂3-3的首端与所述第一摆动驱动机构3-7的驱动件连接；所述从动臂3-6的首端与所述摆动臂3-3的末端铰接，该从动臂3-6的末端与所述执行臂3-5的首端铰接；所述主动臂3-4的首端与所述第二摆动驱动机构3-8的驱动件连接，该主动臂3-4的末端与所述执行臂3-5的中部铰接；所述执行臂3-5的末端与所述切割装置2连接。通过采用上述结构，通过设置转动驱动机构3-1、第一摆动驱动机构3-7和第二摆动驱动机构3-8，使得执行臂3-5具有三个自由度，通过第一摆动驱动机构3-7驱动摆动臂3-3进行摆动，从而带动从动臂3-6运动，进而带动执行臂3-5进行摆动，从而调节切割装置2的方向与位置，通过第二摆动驱动机构3-8驱动主动臂3-4摆动，带动执行臂3-5进一步摆动，通过转动驱动机构3-1驱动机械臂组件整体旋转，进而带动执行臂3-5的转动；通过第一摆动驱动机构3-7、第二摆动驱动机构3-8以及转动驱动机构3-1同时控制执行臂3-5运动，使得执行臂3-5具有更大的运动范围，进而使得切割装置2具有更大的采摘范围，通过三组机械臂机构3并联，能够调节切割装置2在各种角度对茶叶进行采摘，灵活性高。
参见图4-图6，所述切割装置2包括安装座2-1、设置在所述安装座2-1上的用于夹紧茶叶并进行切割的夹紧切割机构，所述夹紧切割机构包括两个相对设置的刀片2-2、分别设置在每个刀片2-2上的橡胶爪2-3以及设置在所述安装座2-1上用于驱动两个所述刀片2-2做相互靠近和远离运动的电磁铁3-4。上述结构中，通过电磁铁3-4可以控制两个刀片2-2做相互靠进的运动，进而对茶叶进行切割，刀片2-2在运动的过程中，会带动橡胶爪2-3运动，橡胶爪2-3自身的弹性能够很好地将茶叶夹紧，并且不会对茶叶造成损伤，实现抓取与切割一体化，提供高了茶叶采摘效率；切割完成后，通过电磁铁3-4驱动两个刀片2-2以及橡胶爪2-3做相互远离的运动，将茶叶松开，收集装置4会将切割完成的茶叶进行收集。
参见图4、图5和图7，所述安装座2-1与每个所述执行臂3-5的末端均通过所述球头铰链5连接，所述球头铰链5包括设置在所述安装座2-1上的球头5-1以及设置在所述执行臂3-5末端且与所述球头5-1相互配合连接球头座5-2。通过设置球头铰链5，这样可以对切割装置2进行灵活控制，在控制上可以避免奇点，而且切割装置2的活动范围更大。
参见图1和图8，所述收集装置4包括收集箱4-1、负压气泵、收集管4-2以及设置在收集管4-2上的阀门4-3，其中，所述负压气泵与所述收集管4-2连通，所述收集管4-2的出口端延伸至收集箱4-1的内部。采用上述结构，负压气泵可以提供负压，当一株茶叶采摘切割完成时，收集导管的阀门4-3打开，此时收集导管产生负压，电磁铁3-4掉电后，刀片2-2松开，橡胶爪2-3上的芽叶就会被负压吸进收集箱4-1中。
参见图2和图4，所述机架1包括框架1-2以及设置在所述框架1-2上的基座1-1，三组所述机械臂机构3设置在所述基座1-1上，且在所述基座1-1上呈120°均匀分布。采用上述结构，可以通过三组机械臂机构3进行灵活控制，控制精度更高，调节范围更加广。
参见图4和图5，所述转动驱动机构3-1包括水平安装在所述基座1-1上的转动驱动电机3-11，所述转动驱动电机3-11的驱动件与所述支架3-2连接。通过设置转动驱动电机3-11，可以驱动支架3-2进行运动，从而带动整个机械臂组件的转动，进而实现对切割装置2的控制。
参见图4和图5，所述支架3-2为U型支架，所述第一摆动驱动机构3-7包括第一摆动驱动电机3-71，所述第二摆动驱动机构3-8包括第二摆动驱动电机3-72，所述第一摆动驱动电机3-71和所述第二摆动驱动电机3-72分别安装在所述U型支架的两侧，该第一摆动驱动电机3-71的驱动件与所述摆动臂3-3的首端连接；所述第二摆动驱动电机3-81的驱动件与所述主动臂3-4的首端连接。上述结构中，U型支架可以更好地安装第一摆动驱动电机3-71和第二摆动驱动电机3-72，使得机械臂组件的整体结构变得非常紧凑，空间布局更加合理。
具体地，所述茶叶采摘机器人还包括铺设在茶园上的导轨，所述框架1-2底部与所述导轨滑动连接；通过动力机构驱动框架1-2在导轨上滑动。其目的可以实现机械臂模块在茶园上运动，从而对整个茶园进行茶叶采摘。另外，该茶叶采摘机器人还可以设置在车辆底盘上，对茶园进行灵活采摘。
具体地，所述茶叶采摘机器人还包括用于识别茶叶芽茎的识别装置，通过识别装置可以灵活控制切割装置2对茶叶芽茎进行切割，具体地，该识别装置可以通过摄像头采集图像信息以及处理器进行控制。
参见图1-图3上述九自由度的茶叶采摘机器人的工作原理是：
由于每组机械臂机构3具有三个自由度，因此，三组相同的机械臂机构3共有九个自由度；工作时，通过三组机械臂机构3控制切割装置2朝着各种角度方向进行运动，使得切割装置2运动到待采摘茶叶的位置，然后通过切割装置2对茶叶进行抓取并切割，切割完成后，收集装置4会将切割完成的茶叶进行收集。
实施例2
参见图9，本实施例中的其它结构与实施例1相同，不同之处在于，所述夹紧切割机构包括两个相对设置的刀片2-2、设置在所述安装座2-1上用于驱动两个所述刀片2-2做相互靠近和远离运动的电磁铁3-4以及设置在所述安装座2-1上的负压橡胶爪2-5。通过设置负压橡胶爪2-5，对其充气会张开，抽气(负压)会夹紧，实现对茶叶的夹紧，刀片2-2可以对茶叶进行切割。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种九自由度的茶叶采摘机器人，包括机架、用于切割茶叶的切割装置、设置在所述机架与所述切割装置之间用于驱动所述切割装置运动的机械臂模块以及用于收集茶叶的收集装置；其特征在于，
所述机械臂模块由三组相同的机械臂机构并联组成；每组所述机械臂机构具有三个自由度，该机械臂机构的一端与所述机架连接，另一端通过球头铰链与所述切割装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种九自由度的茶叶采摘机器人，其特征在于，每组所述机械臂机构包括机械臂组件以及驱动所述机械臂组件在机架上进行转动的转动驱动机构；所述机械臂组件包括支架、转动设置在支架上的摆动臂和主动臂、设置在主动臂与所述切割装置之间的执行臂、设置所述摆动臂与所述执行臂之间的从动臂、用于驱动所述摆动臂在支架上进行摆动的第一摆动驱动机构以及用于驱动所述主动臂在支架上进行摆动的第二摆动驱动机构；其中，所述摆动臂的首端与所述第一摆动驱动机构的驱动件连接；所述从动臂的首端与所述摆动臂的末端铰接，该从动臂的末端与所述执行臂的首端铰接；所述主动臂的首端与所述第二摆动驱动机构的驱动件连接，该主动臂的末端与所述执行臂的中部铰接；所述执行臂的末端与所述切割装置连接。
3.根据权利要求2所述的一种九自由度的茶叶采摘机器人，其特征在于，所述切割装置包括安装座、设置在所述安装座上的用于夹紧茶叶并进行切割的夹紧切割机构，所述夹紧切割机构包括两个相对设置的刀片、分别设置在每个刀片上的橡胶爪以及设置在所述安装座上用于驱动两个所述刀片做相互靠近和远离运动的电磁铁。
4.根据权利要求3所述的一种九自由度的茶叶采摘机器人，其特征在于，所述安装座与每个所述执行臂的末端均通过所述球头铰链连接，所述球头铰链包括设置在所述安装座上的球头以及设置在所述执行臂末端且与所述球头相互配合连接球头座。
5.根据权利要求1所述的一种九自由度的茶叶采摘机器人，其特征在于，所述收集装置包括收集箱、负压气泵、收集管以及设置在收集管上的阀门，其中，所述负压气泵与所述收集管连通，所述收集管的出口端延伸至收集箱的内部。
6.根据权利要求2所述的一种九自由度的茶叶采摘机器人，其特征在于，所述机架包括框架以及设置在所述框架上的基座，三组所述机械臂机构设置在所述基座上，且在所述基座上呈120°均匀分布。
7.根据权利要求6所述的一种九自由度的茶叶采摘机器人，其特征在于，所述转动驱动机构包括水平安装在所述基座上的转动驱动电机，所述转动驱动电机的驱动件与所述支架连接。
8.根据权利要求2所述的一种九自由度的茶叶采摘机器人，其特征在于，所述支架为U型支架，所述第一摆动驱动机构包括第一摆动驱动电机，所述第二摆动驱动机构包括第二摆动驱动电机，所述第一摆动驱动电机和所述第二摆动驱动电机分别安装在所述U型支架的两侧，该第一摆动驱动电机的驱动件与所述摆动臂的首端连接；所述第二摆动驱动电机的驱动件与所述主动臂的首端连接。
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