CN108555921A - 一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，包括平台，驱动装置，安装在平台上的升降装置，安装在升降装置上的机械臂，安装在机械臂输出端上的采摘手。将本机械人用于丘陵山区中，驱动装置带动整个平台在丘陵山区沿着齿条轨道移动，升降装置带动整个机械臂上升或下降，从而升高或降低采摘手的高度，适应不同茶叶的高度，然后第一旋转电机可以带动整个机械臂和采摘手绕着竖直方向旋转，机械臂可以扩大采摘手的采摘范围，然后第二电动推杆工作，实现剪断茶叶的茎秆并用夹紧器将茶叶夹住，然后放到合适的地方。本发明可以在丘陵山区中采摘茶叶，属于农业采摘机械的技术领域。

Description

一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人

技术领域

本发明涉及农业采摘机械的技术领域，尤其涉及一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人。

背景技术

目前由于茶叶采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。国内茶叶采摘作业基本上还是靠手工完成。21世纪以后世界各国均面临老龄化问题，劳动力不仅成本高，而且还不容易得到。因此发展机械化收获技术，研究开发果蔬采摘机器人，具有重要的意义。国内外对于果蔬采摘机器人仍处于研究开发试验阶段，其实用化、商品化的进程仍很艰巨，主要原因之一就是机器人具体的结构设计与分析存在不足。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，可以在丘陵山区中采摘茶叶。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，包括平台，用于驱动平台移动的驱动装置，安装在平台上的升降装置，安装在升降装置上的机械臂，安装在机械臂输出端上的采摘手。

进一步的是：驱动装置包括安装在平台上的驱动电机，安装在平台上的动力传递机构，驱动齿轮，固定安装的齿条轨道；驱动电机的输出端连接在动力传递机构的输入端上，驱动齿轮安装在动力传递机构的输出端上，驱动齿轮与齿条轨道相啮合。

进一步的是：动力传递机构包括水平设置的第一链传动组件，减速器，竖直设置的第二链传动组件，传动轴；第一链传动组件的第一主动轮安装在驱动电机的输出端上，第一链传动组件的第一被动轮安装在减速器的输入端上，第二链传动组件的第二主动轮安装在减速器的输出端上，第二链传动组件的第二被动轮安装在传动轴上，驱动齿轮套装在传动轴上；平台上设有支撑架，支撑架固定在平台上，传动轴穿过支撑架。

进一步的是：驱动齿轮包括两个竖直放置的圆盘和多个圆柱棒，圆柱棒的一端连接在一个圆盘上，圆柱棒的另一端连接在另一个圆盘上，多个圆柱棒沿着圆周方向均匀分布，多个圆柱棒与齿条轨道相啮合，圆盘的上端高于齿条轨道的下端。

进一步的是：支撑架上设有转动式安装的导轮，导轮的两端设有径向突出部，径向突出部位于齿条轨道的外侧，径向突出部的下端低于齿条轨道的上端。

进一步的是：升降装置包括安装在平台上的基架，剪叉式升降器，升降台，直推机构；剪叉式升降器下端的一边固定在基架上，剪叉式升降器下端的另一边设有下横推杆，下横推杆滑动式地安装在基架上，剪叉式升降器上端的一边固定在升降台上，剪叉式升降器上端的另一边设有上横推杆，上横推杆滑动式地安装在升降台上，直推机构的输出端连接在下横推杆上。

进一步的是：直推机构包括第一电机、涡轮、蜗杆、第一齿轮、第一齿条；第一电机安装在升降台上，涡轮安装在第一电机的输出端上，涡轮与蜗杆相啮合，第一齿轮套装在蜗杆上，第一齿条滑动式地安装在升降台上，第一齿轮与第一齿条相啮合，第一齿条的端部固定在下横推杆上。

进一步的是：机械臂包括安装在升降装置上的第一旋转电机，安装在第一旋转电机上的第一微型电机，竖向转动式安装的摇臂，第二微型电机，竖向转动式安装的摆臂，第一电动推杆，法兰，第二旋转电机；第一微型电机的输出端连接在摇臂上，摆臂的端部转动式地安装在摇臂上，第二微型电机的输出端连接在摆臂上，第一电动推杆安装在摆臂的端部上，法兰安装在第一电动推杆的端部上，第二旋转电机安装在法兰上，采摘手安装在第二旋转电机的输出端上。

进一步的是：采摘手包括安装在第二旋转电机输出端上的支架，安装在支架上的第二电动推杆，对称布置的两根摇杆，对称布置的两根外连杆，对称布置的两根横压杆，对称布置的两根支撑杆；第二电动推杆的输出端设有横向杆，摇杆的一端与横向杆铰接，摇杆的另一端与外连杆铰接，外连杆的中部铰接在支架上，外连杆的一端与摇杆铰接，外连杆的另一端与横压杆的端部铰接，支撑杆的一端铰接在支架上，支撑杆的另一端铰接在横压杆上；相互靠近或远离的两根横压杆上均设有刀片和夹紧器。

进一步的是：夹紧器包括支撑块、缓冲弹簧、压片；支撑块安装在横压杆上，缓冲弹簧的一端连接在支撑块上，缓冲弹簧的另一端连接在压片上；随着两根横压杆的相互靠近或远离，两片压片相互靠近或远离。

总的说来，本发明具有如下优点：

本发明适用于南方的丘陵山地茶园，很好地解放了在采茶上的劳动力。本发明只有一条齿条轨道，即巧妙地与单轨结合起来，使得茶叶采摘手可以通过单轨道移动，实现茶叶采摘的全面机械化。本发明的升降装置呈剪叉式，使得茶叶采摘手具有较高的稳定性；采用多功能机械臂，提高了茶叶采摘机械手的灵活性和可变向性。本发明采用了两级伺服电动推杆、摇臂和摆臂，使得茶叶采摘手的采摘范围得到较大幅度的提升。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是驱动装置第一方向的结构示意图。

图3是驱动装置第二方向的结构示意图。

图4是升降装置的结构示意图。

图5是机械臂和升降装置的结构示意图。

图6是采摘手的结构示意图。

图7是采摘手的横压杆处的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为平台，2为驱动装置，3为升降装置，4为机械臂，5为采摘手，6为支撑座，2-1为驱动电机，2-2为第一主动轮，2-3为第一被动轮，2-4为减速器，2-5为第二主动轮，2-6为第二被动轮，2-7为传动轴，2-8为驱动齿轮，2-9为支撑架，2-10为齿条轨道，2-11为导轮，2-12为径向突出部，2-13为圆盘，2-14为圆柱棒，3-1为第一电机，3-2为涡轮，3-3为蜗杆，3-4为第一齿轮，3-5为第一齿条，3-6为第二滑槽，3-7为下横推杆，3-8为剪叉式升降器，3-9为限位块，3-10为第一滑槽，3-11为基架，3-12为升降台，4-1为第一旋转电机，4-2为第一微型电机，4-3为摇臂，4-4为第二微型电机，4-5为摆臂，4-6为第一电动推杆，4-7为法兰，4-8为第二旋转电机，5-1为支架，5-2为第二电动推杆，5-3为横向杆，5-4为摇杆，5-5为外连杆，5-6为横压杆，5-7为支撑杆，5-8为支撑块，5-9为压片，5-10为缓冲弹簧，5-11为刀片。

结合图1所示，一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，包括平台，用于驱动平台移动的驱动装置，安装在平台上的升降装置，安装在升降装置上的机械臂，安装在机械臂输出端上的采摘手，支撑座。本发明中，驱动装置可以驱动平台直线往复移动，升降装置安装在平台的上端面，机械臂安装在升降装置的上端面，支撑座用于支撑驱动装置的齿条轨道。驱动装置驱动平台移动，从而实现采摘手的移动，升降装置进行升降，从而实现采摘手的升降，机械臂可以灵活转动，从而实现采摘手的转动，采摘手用来采摘茶叶。平台上设有遮雨棚。

结合图1、图2、图3所示，驱动装置包括安装在平台上的驱动电机，安装在平台上的动力传递机构，驱动齿轮，固定安装的齿条轨道。齿条轨道固定安装在支撑座上，齿条轨道位于平台的下方，驱动电机的输出端连接在动力传递机构的输入端上，驱动齿轮安装在动力传递机构的输出端上，驱动齿轮位于齿条轨道的下方，驱动齿轮与齿条轨道相啮合。驱动电机的运转通过动力传递机构将动力传递给驱动齿轮，驱动齿轮又与齿条轨道相啮合，且齿条轨道是固定安装的，因此，驱动齿轮会直线走动，又因为动力传递机构是安装在平台上的，驱动齿轮的直线走动通过动力传递机构带动平台直线移动。

结合图1、图2、图3所示，动力传递机构包括水平设置的第一链传动组件，减速器，竖直设置的第二链传动组件，水平放置的传动轴。第一链传动组件的第一主动轮安装在驱动电机的输出端上，第一链传动组件的第一被动轮安装在减速器的输入端上，第二链传动组件的第二主动轮安装在减速器的输出端上，第二链传动组件的第二被动轮安装在传动轴上，驱动齿轮套装在传动轴上；平台上设有支撑架，支撑架固定在平台上，传动轴穿过支撑架，支撑架位于平台的下方，第二链传动组件的第二被动轮位于支撑架内。驱动电机运转，带动第一主动轮转动，通过链条带动第一被动轮转动，第一被动轮将动力传递给减速器，减速器减速后驱动第二主动轮运转，第二主动轮通过链条带动第二被动轮运转，进而带动传动轴运转，传动轴的转动带动驱动齿轮转动，驱动齿轮与齿条轨道相啮合，驱动齿轮会滚动，驱动齿轮的滚动带动传动轴、支撑架、平台、整个动力传递机构移动。

结合图1、图2、图3所示，驱动齿轮包括两个竖直放置的圆盘和多个圆柱棒，圆柱棒的一端连接在一个圆盘上，圆柱棒的另一端连接在另一个圆盘上，多个圆柱棒沿着圆周方向均匀分布，多个圆柱棒与齿条轨道相啮合，圆盘的上端高于齿条轨道的下端。相应的，齿条轨道下端的齿条也要与该种特制的齿轮相配合。该种特制的齿轮使用寿命高，圆柱棒与齿条轨道下端的齿条啮合好，传动平稳，啮合面不容易破坏。

结合图1、图2、图3所示，支撑架上设有转动式安装的导轮，导轮的两端设有径向突出部，径向突出部位于齿条轨道的外侧，径向突出部的下端低于齿条轨道的上端。正视于齿条轨道，即齿条轨道的长度方向垂直入射人眼，齿条轨道位于导轮的两个径向突出部之间，也位于两个圆盘之间，导轮的两个径向突出部的下端位于齿条轨道外侧的上部，圆盘的上端位于齿条轨道外侧的下部。径向突出部可以起到导向和防止侧翻的情况发生，在行走过程中，平台有可能晃动，由于径向突出部的限制作用，可以防止平台侧翻。

结合图1、图4所示，升降装置包括安装在平台上的基架，剪叉式升降器，升降台，直推机构。基架安装在平台的上端面，剪叉式升降器下端的一边(图中的左边)固定在基架上，剪叉式升降器下端的另一边(图中的右边)设有下横推杆，下横推杆滑动式地安装在基架上，剪叉式升降器上端的一边(图中的左边)固定在升降台上，剪叉式升降器上端的另一边(图中的右边)设有上横推杆，上横推杆滑动式地安装在升降台上，直推机构的输出端连接在下横推杆上。基架和升降台上均设有第一滑槽，上横推杆可以沿着升降台的第一滑槽滑动，下横推杆可以沿着基架的第一滑槽滑动；上横推杆的两端和下横推杆的两端均设有限位块，下横推杆的限位块位于基架的外侧，上横推杆的限位块位于升降台的外侧，总共有四个限位块，可以限制上横推杆和下横推杆沿着轴向方向移动。

结合图1、图4所示，直推机构包括第一电机、涡轮、蜗杆、第一齿轮、第一齿条。第一电机安装在升降台上，涡轮安装在第一电机的输出端上，涡轮与蜗杆相啮合，第一齿轮套装在蜗杆上，升降台上设有第二滑槽，第一齿条滑动式地安装在升降台的第二滑槽上，第一齿轮与第一齿条相啮合，第一齿条的端部固定在下横推杆上。第一齿轮和第二齿条均有两个，两个第一齿轮套装在蜗杆的两端，第一电机位于两条第一齿条的中间。第一电机驱动涡轮运转，涡轮运动带动蜗杆转动，蜗杆转动带动第一齿轮转动，第一齿轮转动带动第一齿条沿着第二滑槽移动，第一齿条的移动推动下横推杆移动，进而驱使剪叉式升降器的上升和下降，最终实现机械臂和采摘手的上升和下降。

结合图1、图5所示，机械臂包括安装在升降装置上的第一旋转电机，安装在第一旋转电机上的第一微型电机，竖向转动式安装的摇臂，第二微型电机，竖向转动式安装的摆臂，第一电动推杆，法兰，第二旋转电机。第一旋转电机安装在升降台的上端面，第一旋转电机可以实现360°旋转，且是绕着竖直方向旋转的。摇臂可以转动式安装在旋转电机上，摇臂可以上下摆动，第一微型电机的输出端连接在摇臂上，摆臂的端部转动式地安装在摇臂上，摆臂可以上下摆动，第二微型电机的输出端连接在摆臂上，第一电动推杆安装在摆臂的端部上，法兰安装在第一电动推杆的端部上，第二旋转电机安装在法兰上，采摘手安装在第二旋转电机的输出端上。第一旋转电机可以带动整个机械臂绕着竖直方向进行360°的旋转，摇臂和摆臂均可以上下进行摆动，设置两个关节的机械臂，即摇臂和摆臂，可以扩大采摘手采摘的范围，若只有摇臂，没有摆臂，则靠近第一旋转电机的范围，不在采摘手的采摘范围内。第二旋转电机可以带动整个采摘手进行360°的旋转。

结合图1、图6所示，采摘手包括安装在第二旋转电机输出端上的支架，安装在支架上的第二电动推杆，对称布置的两根摇杆，对称布置的两根外连杆，对称布置的两根横压杆，对称布置的两根支撑杆。第二电动推杆穿过支架的一个通孔，该通孔能起到导向作用，提高第二电动推杆直线运动的准确性。第二电动推杆的输出端设有横向杆，横向杆的两端分别与两根摇杆铰接，摇杆的一端与横向杆铰接，摇杆的另一端与外连杆铰接，外连杆的中部铰接在支架上，外连杆的一端与摇杆铰接，外连杆的另一端与横压杆的端部铰接，支撑杆的一端铰接在支架上，支撑杆的另一端铰接在横压杆上。相互靠近或远离的两根横压杆上均设有刀片和夹紧器。横向杆、摇杆、外连杆、横压杆形成一个连杆机构，能驱使两根横压杆相互靠近或远离。第二电动推杆伸出或缩回，依次带动摇杆、外连杆转动，最终带动两根横压杆相互靠近或远离，从而使得横压杆上的两片刀片将茶叶的茎秆剪断，夹紧器将茶叶夹紧，并通过机械臂、升降装置将茶叶放置到合适的位置。

结合图1、图6、图7所示，夹紧器包括支撑块、缓冲弹簧、压片；支撑块安装在横压杆上，缓冲弹簧的一端连接在支撑块上，缓冲弹簧的另一端连接在压片上；随着两根横压杆的相互靠近或远离，两片压片相互靠近或远离。压片可以将茶叶夹住，若两根横压杆以较大速度相互靠近时，缓冲弹簧能起到缓冲作用，避免两片压片剧烈挤压茶叶，从而破坏茶叶。

本发明的原理：将本发明用于丘陵山区中，驱动装置带动整个平台在丘陵山区沿着齿条轨道移动，升降装置带动整个机械臂上升或下降，从而升高或降低采摘手的高度，适应不同茶叶的高度，然后第一旋转电机可以带动整个机械臂和采摘手绕着竖直方向旋转，即采摘手能采摘的范围是以机械臂的旋转的最大半径，机械臂采用两个关节，可以扩大采摘手的采摘范围，即从俯视方向上看，采摘手的采摘范围是一个圆环形，可以扩大该圆环形的面积。然后第二电动推杆工作，实现剪断茶叶的茎秆并用夹紧器将茶叶夹住，然后放到合适的地方。

上述实施例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实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、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 (10)

1.一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：包括平台，用于驱动平台移动的驱动装置，安装在平台上的升降装置，安装在升降装置上的机械臂，安装在机械臂输出端上的采摘手。

2.按照权利要求1所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：驱动装置包括安装在平台上的驱动电机，安装在平台上的动力传递机构，驱动齿轮，固定安装的齿条轨道；驱动电机的输出端连接在动力传递机构的输入端上，驱动齿轮安装在动力传递机构的输出端上，驱动齿轮与齿条轨道相啮合。

3.按照权利要求2所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：动力传递机构包括水平设置的第一链传动组件，减速器，竖直设置的第二链传动组件，传动轴；第一链传动组件的第一主动轮安装在驱动电机的输出端上，第一链传动组件的第一被动轮安装在减速器的输入端上，第二链传动组件的第二主动轮安装在减速器的输出端上，第二链传动组件的第二被动轮安装在传动轴上，驱动齿轮套装在传动轴上；平台上设有支撑架，支撑架固定在平台上，传动轴穿过支撑架。

4.按照权利要求3所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：驱动齿轮包括两个竖直放置的圆盘和多个圆柱棒，圆柱棒的一端连接在一个圆盘上，圆柱棒的另一端连接在另一个圆盘上，多个圆柱棒沿着圆周方向均匀分布，多个圆柱棒与齿条轨道相啮合，圆盘的上端高于齿条轨道的下端。

5.按照权利要求3所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：支撑架上设有转动式安装的导轮，导轮的两端设有径向突出部，径向突出部位于齿条轨道的外侧，径向突出部的下端低于齿条轨道的上端。

6.按照权利要求1所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：升降装置包括安装在平台上的基架，剪叉式升降器，升降台，直推机构；剪叉式升降器下端的一边固定在基架上，剪叉式升降器下端的另一边设有下横推杆，下横推杆滑动式地安装在基架上，剪叉式升降器上端的一边固定在升降台上，剪叉式升降器上端的另一边设有上横推杆，上横推杆滑动式地安装在升降台上，直推机构的输出端连接在下横推杆上。

7.按照权利要求6所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：直推机构包括第一电机、涡轮、蜗杆、第一齿轮、第一齿条；第一电机安装在升降台上，涡轮安装在第一电机的输出端上，涡轮与蜗杆相啮合，第一齿轮套装在蜗杆上，第一齿条滑动式地安装在升降台上，第一齿轮与第一齿条相啮合，第一齿条的端部固定在下横推杆上。

8.按照权利要求1所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：机械臂包括安装在升降装置上的第一旋转电机，安装在第一旋转电机上的第一微型电机，竖向转动式安装的摇臂，第二微型电机，竖向转动式安装的摆臂，第一电动推杆，法兰，第二旋转电机；第一微型电机的输出端连接在摇臂上，摆臂的端部转动式地安装在摇臂上，第二微型电机的输出端连接在摆臂上，第一电动推杆安装在摆臂的端部上，法兰安装在第一电动推杆的端部上，第二旋转电机安装在法兰上，采摘手安装在第二旋转电机的输出端上。

9.按照权利要求8所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：采摘手包括安装在第二旋转电机输出端上的支架，安装在支架上的第二电动推杆，对称布置的两根摇杆，对称布置的两根外连杆，对称布置的两根横压杆，对称布置的两根支撑杆；第二电动推杆的输出端设有横向杆，摇杆的一端与横向杆铰接，摇杆的另一端与外连杆铰接，外连杆的中部铰接在支架上，外连杆的一端与摇杆铰接，外连杆的另一端与横压杆的端部铰接，支撑杆的一端铰接在支架上，支撑杆的另一端铰接在横压杆上；相互靠近或远离的两根横压杆上均设有刀片和夹紧器。

10.按照权利要求9所述的一种丘陵山区轨道式茶叶采摘机械人，其特征在于：夹紧器包括支撑块、缓冲弹簧、压片；支撑块安装在横压杆上，缓冲弹簧的一端连接在支撑块上，缓冲弹簧的另一端连接在压片上；随着两根横压杆的相互靠近或远离，两片压片相互靠近或远离。