CN114916316A - 一种基于阵列末端的采茶机器及采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种茶叶采摘机器及方法。目的是提供一种基于阵列末端的采茶机器及采摘方法；所述装置与方法应能同时进行多个茶叶嫩梢的采摘工作，并能提高采摘质量、降低劳动强度以及提高采摘效率。技术方案是：一种基于阵列末端的采茶机器，包括安装有控制集成模块且带有轮子的小车；其特征在于：该机器还包括通过XYZ机械臂安装在小车上的负压收集组件、由若干电推杆分别一一带动的若干末端以及工业相机；所述负压收集组件包括开设有内腔的箱体、安装于内腔右侧以用于产生负压气流的风扇、为风扇供电的电池、过滤茶叶用的过滤网以及可在箱体上进出的收集盒；所述若干末端阵列式布置。

Description

一种基于阵列末端的采茶机器及采摘方法

技术领域

本发明涉及一种茶叶采摘机器及方法，具体是基于阵列末端的采茶机器及采摘方法。

背景技术

茶叶采摘目前主要包括人工采摘和传统机械方式采摘。其中人工采摘时，采茶工在主观程度上判断何种嫩芽适合采摘，能够在一定程度上保证采摘质量，但是效率较低并且劳动力短缺；传统机械采摘方式无法实现选择性采摘来保证采摘的质量并且容易对芽叶造成损伤，采摘过程中碎芽多，夹杂物多，切割下的茶叶还需要进行多次筛选才能进入下一环节，该方法目前仅适用于大宗茶的采摘。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的缺点，提供一种基于阵列末端的采茶机器及采摘方法；所述装置与方法应能同时进行多个茶叶嫩梢的采摘工作，并能提高采摘质量、降低劳动强度以及提高采摘效率。

本发明提供的技术方案是：

一种基于阵列末端的采茶机器，包括安装有控制集成模块且带有轮子的小车；其特征在于：该机器还包括通过XYZ机械臂安装在小车上的负压收集组件、由若干电推杆分别一一带动的若干末端以及工业相机；

所述负压收集组件包括开设有内腔的箱体、安装于内腔右侧以用于产生负压气流的风扇、为风扇供电的电池、过滤茶叶用的过滤网以及可在箱体上进出的收集盒；

所述若干末端阵列式布置；每个末端包括与电推杆固定的末端管、通过舵机机架固定在末端管上的舵机、可转动地定位在舵机机架上且由舵机驱动的两个驱动杆以及由驱动杆带动且位于末端管底端管口的两个环形刀片。

所述箱体6-1上左右两侧开设有便于收集盒进出的抽屉口；与所述箱体进行抽屉式配合的两个收集盒顶端敞口，收集盒壁部开设有多个利于气体流动的导流孔；安装腔壁部对应于风扇的部位开设有气体流动所需的通气口，并形成过滤茶叶所需的过滤网。

所述箱体上还制作有连通内腔左侧的若干通风管、一一安装在每个通风管的滑盖以及一一与每个滑盖连接以控制通风管开闭的若干电磁铁。

所述末端管通过舵机机架与所述电推杆连接；末端管的顶端管口通过柔性管接通箱体的通风管。

所述两个驱动杆布置在末端管的外部且驱动杆轴线与末端管轴线相互平行；所述两个驱动杆通过各自杆上所固定的齿轮的相互啮合实现相对转动。

所述两个环形刀片一一固定在两个驱动杆的底端，两个环形刀片均与末端管底端管口对齐，以利于茶叶嫩梢的准确剪切。

所述控制集成模块包括给电池降压并确定舵机与电推杆输入电压的降压器、监测电推杆运动的传感器、控制电推杆运动的继电器模组、调整舵机转角和控制电推杆运动的arduino板以及对机器供电进行控制的空开开关。

一种基于阵列末端的采茶方法，依次包括：

(1)所阵列的末端在其采摘区域内进行最优路径规划；

(2)仅给需要作业的末端提供负压；

(3)采摘时仅是在正下方发现茶叶嫩梢的末端管，相应电推杆才启动并向下运动；

(4)采摘时仅控制需要工作的末端完成收拢式的环形剪切；

(5)被剪下的茶叶嫩梢经过负压收集组件的简单分筛进入不同的收集箱。

最优路径规划是指在现有算法旅行商问题的基础上结合容差并阵列末端，使得阵列中的所有末端尽可能多地同时采摘茶叶嫩梢，在完成该区域内所有茶叶嫩梢的采摘工作后所走过的最短路径。

所述容差是指将茶叶嫩梢看作一个点，而末端管底端呈圆形，只需确保该点在圆形范围内即可实现末端对茶叶的剪切。

本发明的工作原理是：

本发明中的XYZ机械臂带动负压收集组件和固定在电推杆上的阵列末端进行一定空间方向上的运动。

本发明中通过路径规划使得阵列的末端能够同时完成对多个茶叶嫩梢的采摘；在完成某区域内茶叶嫩芽采摘的同时使得采摘结构所走过的路径最短。

本发明中通过控制继电器模组进而控制电推杆信号回路的开闭，从而仅使得下方有茶叶嫩梢的末端所对应的电推杆进行运动。相反，若其下方无茶叶嫩梢，则电推杆保持静止状态。

本发明中通过利用继电器控制电磁铁所在的电源回路的通断，使得电源回路接通时，电磁铁由于通电，伸出来的铁芯会推着滑盖运动进而使得通风口打开；相反，电磁铁的铁芯缩回会拉着滑盖运动使得通风口闭合。因此电磁铁的通断电状态会对滑盖进行推拉进而控制通风口的开闭，从而使得负压收集箱仅对需要工作的末端提供负压。

本发明中的左收集箱和右收集箱可对所采下来的茶叶进行简单分筛，根据风扇的布置及茶叶的自身重力作用会使得相对较小的茶叶嫩梢在左收集箱，相对较大的茶叶嫩梢在右收集箱。

本发明中通过控制继电器的开闭进而控制末端信号回路的闭合从而使得舵机转动，并经由齿轮传动所间接驱动的环形刀片可完成对茶叶嫩梢的收拢式环形剪切。

本发明中环形刀片的收拢式剪切可以确保茶叶嫩梢在两刀片所组成的环形范围内的前提下，通过逐渐收拢即可实现对嫩梢的剪切；能够有效避免直口刀片在剪切时可能会与茶叶嫩梢产生相对滑动的而导致剪切不成功的问题。本发明的有效效果是：

本发明能够有效完成茶叶采摘作业，仅使需要工作的部件所对应的信号回路闭合，因此该部件可以正常工作，而不需要工作的部件所在的信号回路则保持常开状态，故该方法能够有效的实现节能减耗；本发明中的箱体可以实现对茶叶嫩梢的简单分筛；本发明能够同时完成对多个茶叶的剪切工作；本发明通过阵列末端并在已有算法中的旅行商问题的基础上结合容差进行了最优路径规划，可以显著提高采摘效率并且在提高采摘质量的同时还能够大幅度降低劳动强度。

附图说明

图1是本发明中的采茶机器的立体结构示意图。

图2是本发明中XYZ机械臂所带动部件的立体结构示意图。

图3是本发明中的阵列末端进行采摘时的立体结构示意图。

图4是本发明中的XYZ机械臂的立体结构示意图。

图5是本发明中的负压收集组件的主视结构示意图。

图6是所述负压收集组件中两个收集箱打开状态的立体结构示意图。

图7是图5的剖视结构示意图。

图8是本发明中的箱体(图5中移走收集盒后)的立体结构示意图。

图9是本发明中的电推杆主视结构示意图。

图10是本发明中的电推杆立体结构示意图。

图11是本发明中的末端立体结构示意图之一。

图12是本发明中的末端立体结构示意图之二。

图13是本发明中的末端的爆炸图。

图14是本发明中末端的两根驱动轴的立体结构示意图。

图15是本发明中的负压收集箱工作时被采下来的茶叶嫩梢流动路径图。

图16是本发明中所阵列的末端根据容差和旅行商问题所进行的最优路径规划的流程图。

图17是本发明中随机选取50个点按照现有算法中的旅行商问题进行Matlab仿真所给出的路径规划图。

图18是本发明中随机选取50个点以旅行商问题为基础并结合容差及阵列的末端进行Matlab仿真所给出的路径规划图。

附图标号

1.XYZ机械臂；1-1、驱动电机；1-2、滑台；1-3、机械臂专用铝型材；

2.铝型材；

3.工业相机；

4.三脚架；

5.安装板；

6.负压收集组件；6-1、箱体；6-2、通风管；6-3、左收集盒；6-4、右收集盒；6-5、线槽；6-6、风扇；6-7、电磁铁；6-8、滑盖；6-9、导轨；

7.电推杆；7-1、推杆；7-2、电动机；7-3、平底板；

8.末端；8-1、舵机机架；8-2、舵机；8-2-1、舵机安装孔；8-3、舵盘；8-4、第一齿轮；8-5、第二齿轮；8-6舵机机架孔；8-7、连接法兰；8-8、法兰螺纹孔；8-9、环形刀片；8-10、刀片安装板；8-11、轴承；8-12、第一驱动杆；8-13、第二驱动杆；8-14、末端管；

9.柔性管；

10.万向轮；

11.相机固定板；

12.控制集成模块；

13.U型挡板；

14.电池；

15.连接块。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

如图所示的基于阵列末端的采茶机器，包括XYZ机械臂1(外购件)、铝型材2、工业相机3、三脚架4、安装板5、负压收集组件6、电推杆7、末端8、柔性管9、万向轮10、相机固定座11、控制集成模块12、U型挡板13、电池14、连接块15.

由图1-图4可知：由铝型材2通过三脚架4搭建起来的小车在万向轮10的作用下可以在平面内移动；XYZ机械臂1通过连接块15固定在铝型材上，XYZ机械臂1的空间运动带动着固定在安装板5上的部件总成做相应运动(安装板固定在XYZ机械臂中Z方向运动的滑台上)；部件总成包括左右对称布置的两组部件，每组部件包括若干末端(图中显示含有三个末端)、一一配置末端的三个电推杆7以及负压收集盒组件；推杆7-1带动末端进行Z方向的运动使得舵机机架将茶叶嫩梢套入管内。

本实施例中，工业相机3通过相机固定座11固定在小车上；并且通过视觉技术(现有技术)对工业相机3获取的图像进行处理。

图5-图8显示的负压收集盒组件中，其箱体6-1左右两侧开设有便于收集盒进出的抽屉口，最右侧设有一安装腔，该安装腔的上半部分安装着由电池(位于安装腔的下半部分，图中省略)供电的可调转速的风扇6-6；安装腔壁部对应于风扇的左边和右边的部位开设有气体流动所需的通气口，形成过滤茶叶和抽取气体所需的过滤网。箱体底部左侧也设有一安装腔，此安装腔内设有可调转速的风扇(由上述电池通过线槽6-5内的电线对其供电)；此安装腔壁部对应于风扇的上边和下边的部位开设有气体流动所需的通气口，形成过滤茶叶和抽取气体所需的过滤网。箱体左侧设有一一连通所述柔性管9的若干通风管6-2。左收集盒6-3和右收集盒6-4可从抽屉口进入箱体与所述箱体进行抽屉式配合，左收集盒底部和右收集盒右侧开设有多个利于气体流动的导流孔。根据左右收集箱和风扇的配置，工作时相对较大的茶叶嫩梢在自身重力作用及负压作用下进入左收集箱，而相对较小的茶叶嫩梢由于较轻会进入右侧收集箱。

由图2可知，各个电推杆(每个电推杆上配设有监测其是否运动的传感器)、末端、柔性管、通风管、电磁铁、滑盖一一对应。每个柔性管9的一端连接通风管6-2，另一端通过轧带紧固在末端管的顶端管口。每个通风管内侧的管口部位安装有可封闭管口的滑盖6-8(滑盖可沿着导轨滑动，导轨固定在通风管内侧面)，由电磁铁驱动滑盖。对于需要工作的末端，其所对应的电磁铁6-7拉动滑盖6-8使得通风管6-2保持畅通，空气会依次经过末端-柔性管-通风管-箱体-收集盒-排出箱体；而对于未工作的末端，电磁铁启动使得滑盖关闭所对应的通风管。

本实施例中，通过对电磁铁控制滑盖进而控制通风口的开闭(通过给电磁铁通断电实现铁芯的伸出和缩回，由于铁芯与滑盖通过螺栓拧紧固定在一起，故滑盖跟随铁芯做相应的运动，从而实现仅对需要工作的末端进行负压，同时也根据所打开的通风口的数量对风扇进行调速，有效实现节能减耗。

由图11-图14可得，舵机机架8-1与电推杆的平底板7-3的采用螺栓连接(平底板贴合并紧固在舵机机架的顶端表面)，并且保持推杆的轴线与末端管的轴线相互平行；又在舵机安装孔8-2与舵机机架孔8-6之间采用螺栓螺母连接的方式将舵机与舵机机架进行紧固；舵机的舵盘8-3与连接法兰8-7之间通过螺母进行紧固。将顶丝旋入连接法兰的法兰螺纹孔8-8内并顶到第一驱动杆8-12的台阶面上将二者紧固，使得第一驱动杆的上部得到定位；第一驱动杆的下部以及第二驱动杆分别嵌入刀片安装板8-10的轴承孔中(刀片安装板安装在末端管底端)的轴孔中，使得两个驱动杆得到定位。同理，第一齿轮和第二齿轮使用顶丝分别与第一驱动杆和第二驱动杆配合；两刀片8-9与两驱动杆最下端开设螺纹孔，可使用螺钉对刀片与驱动杆进行紧固。

本实施例中，舵盘带动连接法兰旋转并通过两齿轮的啮合使得两驱动杆同步运动，进而使得两刀片形成相对错位对茶叶嫩梢进行收拢式环形剪切。

本实施例还采用了基于阵列末端的采茶方法。

所述现有算法中的旅行商问题是指从一个顶点依次经过各点直至到最后一点的最短路径算法，解决的是依次经过所有点使得整体路径最短的问题(本示例随机选取50个点，运用MATLAB软件完成的轨迹规划如图17)。

所述容差是指将茶叶嫩梢看作一个点，由于末端管底端管口呈圆形，只需确保点(茶叶嫩梢)在圆形范围内即可实现末端对茶叶的剪切。该方法的优势是通过对末端进行偏置处理(点在末端底部的圆形范围内可以进行移动)使得阵列末端(本实施例包括6个末端)尽可能多的将茶叶嫩梢套住以实现剪切。

本发明中的最优路径规划是指在现有算法旅行商问题的基础上结合容差并阵列末端，使得阵列中的6个末端尽可能多地同时采摘茶叶嫩梢，并在完成该区域内所有茶叶嫩梢的采摘工作后走过最短路径(本实施例随机选取50个点，运用MATLAB软件完成的轨迹规划如图18所示，轨迹图展示的是阵列末端中以某个末端为基准点所走过的的路径)。

所述采摘时仅正下方有茶叶嫩梢的末端所对应的电推杆向下运动是指先将一个末端匹配一个嫩梢所在的位置并将剩余5个末端的位置与茶叶嫩梢位置进行匹配，若茶叶嫩梢在末端采摘范围内，则控制电推杆运动，相反，则保持静止；由于继电器模组控制信号回路通断，故可利用电脑发出的开关信号控制电推杆所对应的继电器启停，进而控制电推杆所在的信号回路通断，从而控制电推杆是否运动。

所述采摘时仅控制需要工作的末端完成收拢式环形剪切，是指当传感器检测到电推杆运动后发信号至与该电推杆相对应的继电器并使其闭合，继电器闭合使得末端所在的信号回路闭合，由此末端可以完成收拢式的环形剪切。

所述仅给需要工作的末端负压是指：给需要工作的末端所对应的电磁铁通电进而推拉滑盖使得通风口打开(继电器用于控制电磁铁所在的电源回路的通断，利用电脑发出的开关信号控制电磁铁所对应的继电器启停，进而控制电磁铁的通断电状态，从而控制电磁铁是否运动)，然后进行负压工作将所剪切下来的茶叶嫩梢吸入收集箱内。

所述被剪下来的茶叶嫩梢经过分筛进入不同的收集箱是指根据左右收集箱和风扇的配置，相对较大的茶叶嫩梢在自身重力作用及负压气流作用下大多数进入左收集盒，而相对较小的茶叶嫩梢由于较轻会进入右收集盒(图15中显示了茶叶嫩梢跟随气流运动的路径)。

所所述控制集成模块包括给电池降压并确定舵机、电推杆输入电压的降压器、监测电推杆运动的传感器、控制电推杆运动的继电器模组、调整舵机转角和控制电推杆运动的arduino板以及对机器供电进行控制的空开开关。

本发明的工作原理如下：

由小车带动整体结构至某片区域，工业相机获取该区域内茶叶的位置,基于旅行商问题并结合容差对所阵列的末端进行最优路径规划，在采摘时，若所阵列的末端正下方有茶叶嫩梢，则该末端所对应的电推杆会带动末端下移进行茶叶的摘取；相反若末端下方无茶叶嫩梢，则与之对应的电推杆静止。对于运动的电推杆，则与之对应的电磁铁带动滑盖运动将通风管打开，从而使得空气可以正常流通并根据所打开的通风管数量对风扇进行调速；相反，对于未运动的电推杆所对应的通风管则保持关闭状态。传感器检测到电推杆运动后，发信号给控制末端信号的继电器并使其闭合，进而末端信号接通驱动舵机运动；再经过齿轮传动等传动后实现两个刀片的收拢式环形剪切；被剪切下来的茶叶嫩梢在负压气流作用下，相对较小的茶叶嫩梢进入左侧收集箱，相对较大的茶叶嫩梢进入右侧收集箱。

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)

1.一种基于阵列末端的采茶机器，包括安装有控制集成模块(12)且带有轮子的小车；其特征在于：该机器还包括通过XYZ机械臂(1)安装在小车上的负压收集组件(6)、工业相机以及由若干电推杆(7)分别一一带动的若干末端。

所述负压收集组件包括开设有内腔的箱体(6-1)、安装于内腔以用于产生负压气流的风扇、为风扇供电的电池、过滤茶用的过滤网以及可在箱体上进出的收集盒(6-4)；

所述若干末端阵列式布置；每个末端包括与电推杆固定的末端管(8-14)、通过舵机机架固定于末端管上的舵机(8-2)、可转动地定位在舵机机架上且由舵机驱动的两个驱动杆以及由驱动杆带动且位于末端管底端管口的两个环形刀片(8-9)。

2.根据权利要求1所述的基于阵列末端的采茶机器，其特征在于：所述箱体的左右两侧开设有便于收集盒进出的抽屉口；与所述箱体进行抽屉式配合的两个收集盒顶端敞口，底部或右侧开设有多个利于气体流动的导流孔；安装腔壁部对应于风扇的部位开设有气体流动所需的通气口，并形成过滤茶叶所需的过滤网。

3.根据权利要求2所述的基于阵列末端的采茶机器，其特征在于：所述箱体上还制作有连通内腔左侧的若干通风管(6-2)、一一安装在每个通风管的滑盖(6-8)以及一一与每个滑盖连接以控制通风管开闭的若干电磁铁(6-7)。

4.根据权利要求3所述的基于阵列末端的采茶机器，其特征在于：所述末端管通过舵机机架与所述电推杆连接；末端管的顶端管口通过柔性管(9)接通箱体的通风管。

5.根据权利要求4所述的基于阵列末端的采茶机器，其特征在于：所述两个驱动杆布置在末端管的外部且驱动杆轴线与末端管轴线相互平行；所述两个驱动杆通过各自杆上所固定齿轮的相互啮合实现相对转动。

6.根据权利要求5所述的基于阵列末端的采茶机器，其特征在于：所述两个环形刀片一一固定在两个驱动杆的底端，两个环形刀片均与末端管底端管口对齐，以利于茶叶嫩梢的准确剪切。

7.根据权利要求6所述的基于阵列末端的采茶机器，其特征在于：所述控制集成模块包括给电池降压并确定舵机与电推杆输入电压的降压器、监测电推杆运动的传感器、控制电推杆运动的继电器模组、调整舵机转角和控制电推杆运动的arduino板以及对机器供电进行控制的空开开关。

8.一种基于阵列末端的采茶方法，依次包括：

(1)所阵列的末端在其采摘区域内进行最优路径规划；

(2)仅给需要作业的末端提供负压；

(3)采摘时仅是在正下方发现茶叶嫩梢的末端管，相应电推杆才启动并向下运动；

(4)采摘时仅控制需要工作的末端完成收拢式的环形剪切；

(5)被剪下的茶叶嫩梢经过负压收集组件的简单分筛进入不同的收集箱。

9.根据权利要求8所述的基于阵列末端的采茶方法，其特征在于：最优路径规划是指在现有算法旅行商问题的基础上结合容差并阵列末端，使得阵列中的所有末端尽可能多地同时采摘茶叶嫩梢，在完成该区域内所有茶叶嫩梢的采摘工作后所走过的最短路径。

10.根据权利要求9所述的基于阵列末端的采茶方法，其特征在于：所述容差是指将茶叶嫩梢看作一个点，而末端管底端呈圆形，只需确保该点在圆形范围内即可实现末端对茶叶的剪切。

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