CN117616998A - 一种智能茶叶嫩芽采摘执行器、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能茶叶嫩芽采摘执行器、装置及方法，该采摘执行器包括切割器连接筒和设置在切割器连接筒底端且中心开孔的割刀固定盘；割刀固定盘的底端可相对转动的设置有中心开孔的割刀驱动盘；割刀固定盘上开设有安装槽孔，割刀驱动盘上开设有驱动槽孔；安装槽孔上设置有步进电机，驱动槽孔的侧壁上布设有驱动齿条，步进电机的输出端穿出安装槽孔并连接有驱动齿轮，驱动齿轮与驱动齿条相啮合；割刀固定盘与割刀驱动盘之间设置有异形圆盘割刀组件，异形圆盘割刀组件随割刀驱动盘的转动实现张开或闭合对茶叶嫩芽进行切割；本发明实现了茶叶嫩芽的智能化、机械化、自动化采摘，解决现有采摘技术依赖人力、采摘效率以及采摘品质低等问题。

Description

一种智能茶叶嫩芽采摘执行器、装置及方法

技术领域

本发明涉及茶叶采摘技术领域，特别是涉及一种智能茶叶嫩芽采摘执行器、装置及方法。

背景技术

工业机器人的末端执行器是一个安装在移动设备或者是机器人手臂上使得机器人可以执行例如夹持、放置、切割、焊接等任务的机构。末端执行器的结构可以决定设备作业的精度以及效率，因此末端执行器对机器人作业具有重要的影响作用。

茶叶采摘过程中尤其是名优茶的采摘质量决定着茶叶的品质优劣。名优茶叶需要精准采摘一芽一叶及一芽二叶，人工采摘难以保证统一的准确性。通过对机器人末端执行器的设计，结合机器人定位可以实现茶叶采摘的准确性。

目前应用于机器人的茶叶末端采摘执行器有很多，但多数结构简单，无法准确区分茶叶，也无法完全精确切割茶叶，存在纤维粘连无法切断的情况。现有的茶叶切割设备有应用连杆机构驱动刀片的，用断梗翻板实现茶叶采摘等形式，这类执行器对搭载的平台要求较高，需要额外驱动系统连接或者专用设备搭载，设备的通用性较差、采摘效果也具有较大的局限性。

因此，研究一套精准可行的茶叶末端智能识别采摘执行器，对于提高茶叶采摘智能装备的传动精度、性能水平具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能茶叶嫩芽采摘执行器、装置及方法，用以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种智能茶叶嫩芽采摘执行器，包括：切割器连接筒和设置在所述切割器连接筒底端且中心开孔的割刀固定盘；

所述割刀固定盘的底端可相对转动的设置有中心开孔的割刀驱动盘；

所述割刀固定盘上开设有安装槽孔，所述割刀驱动盘上开设有驱动槽孔，所述安装槽孔与所述驱动槽孔的位置相对应；

所述安装槽孔上设置有步进电机，所述驱动槽孔的侧壁上布设有驱动齿条，所述步进电机的输出端穿出所述安装槽孔并连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述驱动齿条相啮合；

所述割刀固定盘与所述割刀驱动盘之间设置有异形圆盘割刀组件，所述异形圆盘割刀组件可随割刀驱动盘的转动实现张开或闭合以对茶叶嫩芽进行切割。

进一步地，所述割刀驱动盘上沿周向均匀布设有若干个转动槽孔，所述割刀固定盘的底端沿周向均匀设置有若干个盘用螺栓，所述转动槽孔与所述盘用螺栓数量相同且位置相互对应，若干个所述盘用螺栓分别穿出相对应的所述转动槽孔。

进一步地，所述异形圆盘割刀组件包括两组刀片，两组所述刀片均为镰刀形状；

所述刀片包括刀身和刀柄，所述刀柄上开设有刀片槽孔；

所述割刀固定盘的底端设置有两个刀用螺栓，两个所述刀用螺栓的位置相对设置，两个所述刀用螺栓分别穿过两个所述刀片将两个所述刀片可转动地安装在所述割刀固定盘的底端；所述刀用螺栓位于所述刀身和刀柄的连接处；

所述割刀固定盘的底端沿周向设置有两个刀用槽孔，所述割刀驱动盘上设置有两个刀用连接柱，两个所述刀用槽孔、刀片槽孔以及刀用连接柱的位置相互对应，两个所述刀用连接柱分别依次穿过两个所述刀片槽孔、刀用槽孔并与所述刀用槽孔滑动连接。

进一步地，所述割刀驱动盘的底端设置有红外线传感器，所述红外线传感器包括两个红外线传感探头，两个所述红外线传感探头位置相对布设；

所述切割器连接筒的桶身上设置有控制器，所述控制器分别与所述红外线传感器和所述步进电机电性连接。

进一步地，所述切割器连接筒的桶身上设置有负压吸引接口，所述负压吸引接口与所述切割器连接筒相连通。

进一步地，所述割刀固定盘与所述割刀驱动盘之间设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器通过两个扭矩传感器压头安装在所述割刀驱动盘上，所述扭矩传感器用于采集所述异形圆盘割刀组件的剪切力矩。

本发明还提供一种智能茶叶嫩芽采摘装置，应用上述的智能茶叶嫩芽采摘执行器以及采摘机器人；

所述智能茶叶嫩芽采摘执行器安装在所述采摘机器人上；

所述采摘机器人还设置有深度相机，所述深度相机和所述智能茶叶嫩芽采摘执行器分别与所述采摘机器人电性连接；

所述深度相机用于采集茶叶图像，分析采集的茶叶图像中是否具有采摘目标，并获得采摘目标的纵向高度及水平坐标，将信息传输给所述采摘机器人；

所述采摘机器人用于根据所述深度相机传递的信息来调整所述智能茶叶嫩芽采摘执行器相对于采摘目标的位置；

所述智能茶叶嫩芽采摘执行器用于对采摘目标进行采摘。

本发明还提供一种智能茶叶嫩芽采摘方法，应用上述的智能茶叶嫩芽采摘装置，所述方法包括以下步骤：

S1、采用深度相机结合深度学习、机器视觉确定采摘目标的纵向高度及水平坐标；

S2、采摘机器人根据采摘目标的水平坐标移动智能茶叶嫩芽采摘执行器至采摘目标正上方，随后垂直向下移动智能茶叶嫩芽采摘执行器；

S3、当红外线传感器检测到采摘目标后，采摘机器人带动智能茶叶嫩芽采摘执行器继续垂直向下移动与采摘目标的纵向高度相等的距离；

S4、控制器给步进电机控制信号，步进电机间接带动异形圆盘割刀组件运转并切割采摘目标；

S5、扭矩传感器实时采集异形圆盘割刀组件的剪切力矩，并将检测力矩的信息传输给采摘机器人进行分析，判断采摘目标成熟度是否符合预期估计。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明可以对茶叶嫩芽开展智能化、机械化、自动化的采摘，解放人力，推进茶叶采摘的智能化发展，具有广泛的应用前景。

（2）红外线传感器可判断是否有茶叶进入切割器连接筒的内部，再通过步进电机驱动割刀驱动盘转动进而带动两个刀片进行相同或相反方向的旋转，进而对茶叶嫩芽进行切割，确保采摘的质量，采摘效率高，受杂乱枝叶影响较小，叶片全程不与切割部件接触，避免了叶片损伤的情况。

（3）可通过外接负压吸引风机产生的负压吸引风直接将茶叶嫩芽吸出采摘装置，收获效率高，无需人工清理、收集，提高生产效率。

（4）茶叶剪切过程中可由扭矩传感器测得刀片压力并计算实时剪切力矩，以此判断所采摘茶叶的鲜嫩程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中智能茶叶嫩芽采摘装置的爆炸图；

图2为本发明实施例中割刀固定盘与异形圆盘割刀组件相结合的结构示意图；

图3为本发明实施例中割刀固定盘与割刀驱动盘相结合的结构示意图。

附图标记说明：

1、切割器连接筒；2、割刀固定盘；201、安装槽孔；202、盘用螺栓；203、刀用螺栓；204、刀用槽孔；3、割刀驱动盘；301、驱动槽孔；302、驱动齿条；303、转动槽孔；304、刀用连接柱；4、步进电机；5、驱动齿轮；6、刀片；601、刀身；602、刀柄；603、刀片槽孔；7、红外线传感探头；8、控制器；9、负压吸引接口；10、扭矩传感器；11、扭矩传感器压头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。

参阅图1所示，描述本申请实施例的一种智能茶叶嫩芽采摘装置，包括：切割器连接筒1和设置在切割器连接筒1底端且中心开孔的割刀固定盘2；

割刀固定盘2的底端可相对转动的设置有中心开孔的割刀驱动盘3；

割刀固定盘2上开设有安装槽孔201，割刀驱动盘3上开设有驱动槽孔301，安装槽孔201与驱动槽孔301的位置相对应；

安装槽孔201上设置有步进电机4，驱动槽孔301的侧壁上布设有驱动齿条302，步进电机4的输出端穿出安装槽孔201并连接有驱动齿轮5，驱动齿轮5与驱动齿条302相啮合；

割刀固定盘2与割刀驱动盘3之间设置有异形圆盘割刀组件，异形圆盘割刀组件可随割刀驱动盘3的转动实现张开或闭合以对茶叶嫩芽进行切割。

如图3所示，割刀固定盘2与割刀驱动盘3可通过如下结构设置实现可相对转动连接：

割刀驱动盘3上沿周向均匀布设有若干个转动槽孔303，割刀固定盘2的底端沿周向均匀设置有若干个盘用螺栓202，转动槽孔303与盘用螺栓202数量相同且位置相互对应，若干个盘用螺栓202分别穿出相对应的转动槽孔303。

具体而言，步进电机4带动驱动齿轮5转动时，由于驱动齿轮5与驱动齿条302相啮合，驱动齿轮5会对驱动齿条302施加移动力，进而在转动槽孔303与螺栓的配合下，割刀驱动盘3能够相对于割刀固定盘2进行转动，转动范围取决于转动槽孔303的弧度大小。

如图2所示，异形圆盘割刀组件可采用如下结构：

异形圆盘割刀组件包括两组刀片6，两组刀片6均为镰刀形状；

刀片6包括刀身601和刀柄602，刀柄602上开设有刀片槽孔603；

割刀固定盘2的底端设置有两个刀用螺栓203，两个刀用螺栓203的位置相对设置，两个刀用螺栓203分别穿过两个刀片6将两个刀片6可转动地安装在割刀固定盘2的底端；刀用螺栓203位于刀身601和刀柄602的连接处；

割刀固定盘2的底端沿周向设置有两个刀用槽孔204，割刀驱动盘3上设置有两个刀用连接柱304，两个刀用槽孔204、刀片槽孔603以及刀用连接柱304的位置相互对应，两个刀用连接柱304分别依次穿过两个刀片槽孔603、刀用槽孔204并与刀用槽孔204滑动连接。

具体而言，割刀驱动盘3转动时，刀用连接柱304也会随着转动，由于刀用连接柱304穿设在刀片槽孔603内，会拖着刀片槽孔603移动，即带动刀片6移动，但刀片6通过刀用螺栓203转动地安装在割刀固定盘2的底端，因此，在刀用连接柱304的移动下，会拖着刀片6以刀用螺栓203为中心进行旋转，且由于两组刀片6位置相对，能够实现两组刀片6的相同或相反方向的转动，进而实现两组刀片6的张开或闭合。

需要说明的是，两组刀片6不在同一水平面上，具有一定的高度差，能够保证两组刀片6不撞刀，两组刀片6在相对闭合时，两组刀片6能够将割刀驱动盘3的中心开口堵住，以防止茶叶嫩芽掉落；两组刀片6在相对张开时，将割刀驱动盘3的中心开孔暴露出来，保证茶叶嫩芽能够顺利从割刀驱动盘3的中心开孔以及割刀固定盘2的中心开孔穿过并进入切割器连接筒1内部。

如图1所示，切割器连接筒1的桶身上设置有负压吸引接口9，负压吸引接口9与切割器连接筒1相连通，负压吸引接口9可外接负压吸引风机（附图中未示出），由负压吸引风机产生的负压吸引风直接将茶叶嫩芽吸出切割器连接筒1，便于收集茶叶嫩芽。

需要说明的是，割刀驱动盘3的底端设置有红外线传感器，红外线传感器包括两个红外线传感探头7，两个红外线传感探头7位置相对布设；

切割器连接筒1的桶身上设置有控制器8，控制器8分别与红外线传感器和步进电机4电性连接。

具体而言，当茶叶嫩芽进入切割器连接筒1内部时，由于两个红外线传感探头7之间的红外传感光线被茶叶梗阻断，控制器8检测到了该信号，即可由控制器8向步进电机4下达指令，步进电机4进行工作，进而对茶叶嫩芽进行切割采摘。

需要说明的是，割刀固定盘2与割刀驱动盘3之间设置有扭矩传感器10，扭矩传感器10通过两个扭矩传感器10压头安装在割刀驱动盘3上，扭矩传感器10用于采集异形圆盘割刀组件的剪切力矩，即茶叶剪切过程中可由扭矩传感器10测得刀片6压力并计算实时剪切力矩，以此判断所采摘茶叶的鲜嫩程度。

本发明还提供一种智能茶叶嫩芽采摘装置，应用上述的智能茶叶嫩芽采摘执行器以及采摘机器人；

智能茶叶嫩芽采摘执行器安装在采摘机器人上；

采摘机器人还设置有深度相机，深度相机和智能茶叶嫩芽采摘执行器分别与采摘机器人电性连接；

深度相机用于采集茶叶图像，分析采集的茶叶图像中是否具有采摘目标，并获得采摘目标的纵向高度及水平坐标，将信息传输给采摘机器人；

采摘机器人用于根据深度相机传递的信息来调整智能茶叶嫩芽采摘执行器相对于采摘目标的位置；

智能茶叶嫩芽采摘执行器用于对采摘目标进行采摘。

需要说明的是，采摘机器人为现有常规技术，在此不过多赘述，优先选择含有机械臂的采摘机器人，并通过法兰连接的形式将智能茶叶嫩芽采摘执行器与采摘机器人的机械臂连接，进而能够通过机械臂调整智能茶叶嫩芽采摘执行器的相对位置。

本发明还提供一种智能茶叶嫩芽采摘方法，应用上述的智能茶叶嫩芽采摘装置，所述方法包括以下步骤：

S1、采用深度相机结合深度学习、机器视觉确定采摘目标的纵向高度及水平坐标；

S2、采摘机器人根据采摘目标的水平坐标移动智能茶叶嫩芽采摘执行器至采摘目标正上方，随后垂直向下移动智能茶叶嫩芽采摘执行器；

S3、当红外线传感器检测到采摘目标后，采摘机器人带动智能茶叶嫩芽采摘执行器继续垂直向下移动与采摘目标的纵向高度相等的距离；

S4、控制器8给步进电机4控制信号，步进电机4间接带动异形圆盘割刀组件运转并切割采摘目标；

S5、扭矩传感器10实时采集异形圆盘割刀组件的剪切力矩，并将检测力矩的信息传输给采摘机器人进行分析，判断采摘目标成熟度是否符合预期估计。

需要说明的是，深度相机在使用之前需先采集大量茶叶图片对图像进行标注，标注对象为茶叶的采摘点和顶点（最高位置点），然后对茶叶图像数据集进行深度学习获得能够识别出茶叶采摘点和顶点的深度学习网络模型。

深度相机求解获得茶叶采摘点和顶点的空间坐标并计算出采摘点与顶点之间的距离（即纵向高度），并将该纵向高度传输给采摘机器人。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种智能茶叶嫩芽采摘执行器，其特征在于，包括：切割器连接筒和设置在所述切割器连接筒底端且中心开孔的割刀固定盘；

所述割刀固定盘的底端可相对转动的设置有中心开孔的割刀驱动盘；

所述割刀固定盘上开设有安装槽孔，所述割刀驱动盘上开设有驱动槽孔，所述安装槽孔与所述驱动槽孔的位置相对应；

所述安装槽孔上设置有步进电机，所述驱动槽孔的侧壁上布设有驱动齿条，所述步进电机的输出端穿出所述安装槽孔并连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述驱动齿条相啮合；

所述割刀固定盘与所述割刀驱动盘之间设置有异形圆盘割刀组件，所述异形圆盘割刀组件可随割刀驱动盘的转动实现张开或闭合以对茶叶嫩芽进行切割。

2.根据权利要求1所述的一种智能茶叶嫩芽采摘执行器，其特征在于，所述割刀驱动盘上沿周向均匀布设有若干个转动槽孔，所述割刀固定盘的底端沿周向均匀设置有若干个盘用螺栓，所述转动槽孔与所述盘用螺栓数量相同且位置相互对应，若干个所述盘用螺栓分别穿出相对应的所述转动槽孔。

3.根据权利要求1所述的一种智能茶叶嫩芽采摘执行器，其特征在于，所述异形圆盘割刀组件包括两组刀片，两组所述刀片均为镰刀形状；

所述刀片包括刀身和刀柄，所述刀柄上开设有刀片槽孔；

所述割刀固定盘的底端设置有两个刀用螺栓，两个所述刀用螺栓的位置相对设置，两个所述刀用螺栓分别穿过两个所述刀片将两个所述刀片可转动地安装在所述割刀固定盘的底端；所述刀用螺栓位于所述刀身和刀柄的连接处；

所述割刀固定盘的底端沿周向设置有两个刀用槽孔，所述割刀驱动盘上设置有两个刀用连接柱，两个所述刀用槽孔、刀片槽孔以及刀用连接柱的位置相互对应，两个所述刀用连接柱分别依次穿过两个所述刀片槽孔、刀用槽孔并与所述刀用槽孔滑动连接。

4.根据权利要求1所述的一种智能茶叶嫩芽采摘执行器，其特征在于，所述割刀驱动盘的底端设置有红外线传感器，所述红外线传感器包括两个红外线传感探头，两个所述红外线传感探头位置相对布设；

所述切割器连接筒的桶身上设置有控制器，所述控制器分别与所述红外线传感器和所述步进电机电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种智能茶叶嫩芽采摘执行器，其特征在于，所述切割器连接筒的桶身上设置有负压吸引接口，所述负压吸引接口与所述切割器连接筒相连通。

6.根据权利要求1所述的一种智能茶叶嫩芽采摘执行器，其特征在于，所述割刀固定盘与所述割刀驱动盘之间设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器通过两个扭矩传感器压头安装在所述割刀驱动盘上，所述扭矩传感器用于采集所述异形圆盘割刀组件的剪切力矩。

7.一种智能茶叶嫩芽采摘装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述智能茶叶嫩芽采摘执行器以及采摘机器人；

所述智能茶叶嫩芽采摘执行器安装在所述采摘机器人上；

所述采摘机器人还设置有深度相机，所述深度相机和所述智能茶叶嫩芽采摘执行器分别与所述采摘机器人电性连接；

所述深度相机用于采集茶叶图像，分析采集的茶叶图像中是否具有采摘目标，并获得采摘目标的纵向高度及水平坐标，将信息传输给所述采摘机器人；

所述采摘机器人用于根据所述深度相机传递的信息来调整所述智能茶叶嫩芽采摘执行器相对于采摘目标的位置；

所述智能茶叶嫩芽采摘执行器用于对采摘目标进行采摘。

8.一种智能茶叶嫩芽采摘方法，应用权利要求7所述智能茶叶嫩芽采摘装置，所述方法包括以下步骤：

S1、采用深度相机结合深度学习、机器视觉确定采摘目标的纵向高度及水平坐标；

S2、采摘机器人根据采摘目标的水平坐标移动智能茶叶嫩芽采摘执行器至采摘目标正上方，随后垂直向下移动智能茶叶嫩芽采摘执行器；

S3、当红外线传感器检测到采摘目标后，采摘机器人带动智能茶叶嫩芽采摘执行器继续垂直向下移动与采摘目标的纵向高度相等的距离；

S4、控制器给步进电机控制信号，步进电机间接带动异形圆盘割刀组件运转并切割采摘目标；

S5、扭矩传感器实时采集异形圆盘割刀组件的剪切力矩，并将检测力矩的信息传输给采摘机器人进行分析，判断采摘目标成熟度是否符合预期估计。