CN109220227A - 一种名优茶采摘机器人 - Google Patents

一种名优茶采摘机器人 Download PDF

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吕自贵
郑素娟
张晴晴
骆敏舟
戴利
张春花
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    • A01D46/30—Robotic devices for individually picking crops
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
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Abstract

本发明公开了一种名优茶采摘机器人，属于机器人技术领域，包括用于为名优茶采摘机器人提供支撑载体的无人导航车、设置在无人导航车上的用于进行名优茶采茶摄像的高清摄像***、设置在无人导航车内的用于盛放名优茶茶叶的茶叶收集***、设置在无人导航车内的用于采摘名优茶茶叶的采摘手臂***、及用于驱动无人导航车行走的行走***。本发明结构简单，自主导航无人车搭载两台倒挂机械臂就可以实现茶叶的摘取，功能可靠稳定，全天候工作，自动化程度高，无需人工操作，完全自动化摘取，可以真实的模拟茶叶采摘情况，自然通风状态下贮藏，保证茶叶的良好品质。

Description

一种名优茶采摘机器人
技术领域
本发明涉及一种采茶机器人，特别是涉及一种名优茶采摘机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
目前，由于茶叶采茶时间周期较短，在采茶时机到来之际，招募采茶工较为困难，长期招聘采茶工人成本过高；随着生活成本的增加，老龄化的加快，采茶工人越来越稀缺，期望机械化采茶替代人工采茶。
名优茶采摘不可用指甲掐，掐痕在制成茶叶后去不掉，标准的采法需要采用“提拔法”摘取茶树的嫩芽，采茶过程中，手心向下，拇指和食指捏住茶叶，向上一提采下芽叶，一斤优质的茶叶是由6万个鲜芽制成，需要人工采摘6万下，放茶叶的竹篓也有讲究，要求通气性好，不能太大，鲜叶不能压也不能捂，采足1-2斤便要及时下山，均匀摊放在竹匾上，至于阴凉通风处。
机械采茶替代人工采茶首先要保证茶叶质量，现有普通的机械采摘成本低、速度快、效率高，适宜大面积标准化管理的茶园使用，但是初次使用机采时茶青质量较差，含有大量的老梗、老叶，长短不一，无法保证优质茶叶的良好品质，二次筛选对茶叶质量造成损伤，而且增加了劳动成本，因此继续开发寻找新的机械设备。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种名优茶采摘机器人，通过自主导航无人车搭载两台倒挂机械臂实现茶叶摘取。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种名优茶采摘机器人，包括用于为名优茶采摘机器人提供支撑载体的无人导航车、设置在所述无人导航车上的用于进行名优茶采茶摄像的高清摄像***、设置在所述无人导航车内的用于盛放名优茶茶叶的茶叶收集***、设置在所述无人导航车内的用于采摘名优茶茶叶的采摘手臂***、及用于驱动所述无人导航车行走的行走***。
优选的，所述无人导航车包括两个相互平行的连接杆及与两所述连接杆之间组成封闭空间的多块PVC遮光板，所述连接杆采用空心钢管结构。
优选的，所述高清摄像***设置在位于顶部的所述PVC遮光板上，包括相机云台、设置在所述相机云台上的高清夜视相机、及设置在所述相机云台内的高清嵌入式主机，所述高清夜视相机与所述高清嵌入式主机连接。
优选的，所述相机云台由云台护罩以及内置的高清数字摄像机组成，所述高清嵌入式主机用于控制接收、上传视频信号，所述高清嵌入式主机内设置有NVR视频存储装置、GPS模块、云台控制模块、3G模块和WIFI模块，NVR视频存储装置、3G模块、WIFI模块均通过视频接口与HI352X芯片相连，GPS模块、云台控制模块通过UART接口与HI352X芯片相连。
优选的，所述茶叶收集***设置在所述连接杆上，包括茶叶收集箱、设置在所述茶叶收集箱顶端的茶叶入口、设置在所述茶叶收集箱一侧的送风***及设置在所述连接杆上的输送带。
优选的，所述输送带上设有通风孔，所述送风***设置在所述输送带的底部，所述茶叶收集箱内设置有重力传感器，用于检测所述茶叶收集箱内的茶叶质量。
优选的，所述采摘手臂***设置在位于顶部的所述PVC遮光板上，包括两套与所述输送带配合工作的协作机械臂，所述协作机械臂为具有个自由度的机械臂。
优选的，每个所述协作机械臂的一端均设有用于采摘茶叶的两指夹手，每个所述两指夹手上均设有高清相机，每个所述两指夹手的夹手内侧均设有具有波纹的硅胶垫。
优选的，所述行走***包括多个传动轴、及设置在所述传动轴下端的移动轮、用于驱动所述传动轴旋转的转向驱动电机和辅助转向驱动电机，每个所述传动轴均通过转向连接件安装在所述连接杆上，所述转向连接件在所述连接杆上旋转。
优选的，每个所述移动轮上均设有齿条，所述移动轮的结构为钢骨架，其外层包覆橡胶材质，所述移动轮与所述传动轴之间设有行走驱动电机和连接轴，所述传动轴与所述行走驱动电机之间通过所述连接轴连接，所述连接轴上安装有蜗杆轴，该蜗杆轴与涡轮啮合，涡轮安装在所述行走驱动电机上。
本发明的有益技术效果：
1、本发明提供的名优茶采摘机器人，结构简单，自主导航无人车搭载两台倒挂机械臂就可以实现茶叶的摘取。
2、本发明提供的名优茶采摘机器人，功能可靠稳定，机器人运用成熟的***搭建而成，可靠稳定的技术能够保证机器人的长时间，全天候工作。
3、本发明提供的名优茶采摘机器人，自动化程度高，机器人通过北斗卫星导航的方式自动定位进入茶园，通过云台识别茶田垄亩，再有机械臂末端手爪配合CCD检测算法将茶叶摘取下来，再传送到茶叶收集箱中，无需人工操作，完全自动化摘取。
4、本发明提供的名优茶采摘机器人，可以真实的模拟茶叶采摘情况，自然通风状态下贮藏，保证茶叶的良好品质。
附图说明
图1为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的整体结构示意图；
图2为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的拆掉PVC遮光板的结构示意图；
图3为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的输送带与茶叶收集箱连接的结构示意图；
图4为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的协作机械臂的结构示意图；
图5为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的协作机械臂的另一结构示意图；
图6为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的传动轴与移动轮连接的结构示意图；
图7为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的传动轴与移动轮连接的另一结构示意图；
图8为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的协作机械臂与两指夹手的放大图；
图9为按照本发明的名优茶采摘机器人的一优选实施例的移动轮的放大图。
图中：1-无人导航车，2-传动轴，3-移动轮，4-行走驱动电机，5-PVC遮光板，6-相机云台，7-高清夜视相机，8-高清嵌入式主机，9-转向驱动电机，10-协作机械臂，11-两指夹手，12-高清相机，13-输送带，14-茶叶收集箱，15-送风***，16-连接轴，17-转向连接件，18-连接杆，19-茶叶入口，20-辅助转向驱动电机，21-齿条。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，本实施例提供的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，包括用于为名优茶采摘机器人提供支撑载体的无人导航车1、设置在无人导航车1上的用于进行名优茶采茶摄像的高清摄像***、设置在无人导航车1内的用于盛放名优茶茶叶的茶叶收集***、设置在无人导航车1内的用于采摘名优茶茶叶的采摘手臂***、及用于驱动无人导航车1行走的行走***，采茶机器人由一辆自主导航无人车搭载2个协作机械臂组成，机械臂末端装有高清相机和2指夹手，在CCD视觉检测算法的辅助下，2台机械臂可以配合完成茶叶的摘取，茶叶摘取后将茶叶放到输送带上，由输送带输送至茶叶收集箱中；输送带和收集箱安装有送风***，可以将茶叶上的水渍吹干，避免潮热造成茶叶发酵捂坏，影响茶叶品质，机器人移动轮采用齿形结构的橡胶组成，能够适应茶园的泥土路面，保证具有足够的抓地力；同时在转向驱动电机的作用下，机器人可以自主完成转向换垄工作；机器人顶端安装有相机云台，可以将高清图像视频传回控制室，让工作人员及时跟踪现场状况；云台相机的夜视***也能保证机器人在晚上同样可以工作。
在本实施例中，如图2和图3所示，无人导航车1包括两个相互平行的连接杆18及与两连接杆18之间组成封闭空间的多块PVC遮光板5，连接杆18采用空心钢管结构，机器人平台为采茶机器人的主体，承担机构上的主要重量，材料选择空心钢管结构，在保证足够强度条件下，也能减轻机器人自重，提高电池的续航能力，PVC遮光板是安装在机器人四周的隔光装置，由于白天光线较长，CCD视觉检测在强光作用下会影响检测的精度和灵敏度，容易造成图像误判，因此为了提高茶叶识别的准确性，在机器人平台的四个面安装有pvc遮光板，同时，遮光板还具有防风挡雨的作用。
在本实施例中，如图1和图2所示，高清摄像***设置在位于顶部的PVC遮光板5上，包括相机云台6、设置在相机云台6上的高清夜视相机7、及设置在相机云台6内的高清嵌入式主机8，高清夜视相机7与高清嵌入式主机8连接，相机云台6由云台护罩以及内置的高清数字摄像机组成，高清嵌入式主机8用于控制接收、上传视频信号，高清嵌入式主机8内设置有NVR视频存储装置、GPS模块、云台控制模块、3G模块和WIFI模块，NVR视频存储装置、3G模块、WIFI模块均通过视频接口与HI352X芯片相连，GPS模块、云台控制模块通过UART接口与HI352X芯片相连。
在本实施例中，如图1和图2所示，高清云台***是由数字高清云台，以及用于控制接收、上传视频信号的高清嵌入式主机组成，高清云台装设在机器人平台顶部，由云台护罩，以及内置的高清数字摄像机组成，高清嵌入式主机内设置有NVR视频存储装置、GPS模块、云台控制模块、3G模块和WIFI模块，NVR视频存储装置、3G模块、WIFI模块通过视频接口与HI352X芯片相连，GPS模块、云台控制模块通过UART接口与HI352X芯片相连，高清嵌入式主机通过3G模块、WIFI模块与数字监控中心进行无线网络连接。可实现移动视频监控并对视频图像进行现场的采集，实现视频动态监控。
在本实施例中，如图2和图3所示，茶叶收集***设置在连接杆18上，包括茶叶收集箱14、设置在茶叶收集箱14顶端的茶叶入口19、设置在茶叶收集箱14一侧的送风***15及设置在连接杆18上的输送带13，输送带13上设有通风孔，送风***15设置在输送带13的底部，茶叶收集箱14内设置有重力传感器，用于检测茶叶收集箱14内的茶叶质量。
在本实施例中，如图2和图3所示，机械臂将茶叶采摘后放到运转的输送带上传送到尾部的茶叶收集箱，输送带上具有通风孔，真实的模拟仿真传统的人工竹匾运输茶叶的方法；输送带底部安装有通风***，可使气流不断的循环，吹干茶叶上的水渍，防止因为空气潮热造成的茶叶捂坏，影响茶叶质量及口感，微分吹动的气流减少茶叶与输送带摩擦对叶子造成的损伤，可以更好的储存精品茶。
在本实施例中，如图2和图3所示，输送带将茶叶运送至尾部的茶叶收集箱进行储存；茶叶收集箱设置有重力传感器，检测收集箱内茶叶质量，避免茶叶堆积过多产生发酵破坏茶叶品质；收集箱一旦检测到茶叶重量超过设定值，机器人将停止工作，通知工作人员取走茶叶，避免发酵造成茶叶损伤；茶叶收集箱及输送带两侧均安装有对流通风***，可以吹动空气流通，让茶叶始终置于清新空气环境下，保证茶叶百分百的原生态自然运输储藏。
在本实施例中，如图1、图4和图5所示，采摘手臂***设置在位于顶部的PVC遮光板5上，包括两套与输送带13配合工作的协作机械臂10，协作机械臂10为具有6个自由度的机械臂。
在本实施例中，如图8所示，每个协作机械臂10的一端均设有用于采摘茶叶的两指夹手11，每个两指夹手11上均设有高清相机12，每个两指夹手11的夹手内侧均设有具有波纹的硅胶垫，机械臂具有6个自由度可以真实的模拟人手臂的动作，在采茶时完成“提拔”将芽叶采摘下来，不会机械的对茶叶进行采摘，影响茶树生长；机械手得到控制***发送过来的指令，对***判定的芽叶进行摘取。
在本实施例中，如图8所示，工业相机采用CCD相机通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号，CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成，CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点，通过工业相机高分辨率的精度抓拍芽叶，再通过神经网络算法对芽叶进行修正确认，完成芽叶的图像识别。
在本实施例中，如图8所示，采茶机器人为了更加真实的模拟人工采茶的过程，拟采用多关节机械臂对芽叶进行采摘，机械臂通过控制算法控制末端机械手爪的力度和方向，保证将芽叶轻轻采摘下来，不会伤及茶树及茶叶质量；同时机械臂末端执行器夹手安装有硅胶等柔性材料，模拟人手指的柔性，防止机械手爪夹伤芽叶。
在本实施例中，如图6、图7和图9所示，行走***包括多个传动轴2、及设置在传动轴2下端的移动轮3、用于驱动传动轴2旋转的转向驱动电机9和辅助转向驱动电机20，每个传动轴2均通过转向连接件17安装在连接杆18上，转向连接件17在连接杆18上旋转，每个移动轮3上均设有齿条21，移动轮3的结构为钢骨架，其外层包覆橡胶材质，移动轮3与传动轴2之间设有行走驱动电机4和连接轴16，传动轴2与行走驱动电机4之间通过连接轴16连接，连接轴16上安装有蜗杆轴，该蜗杆轴与涡轮啮合，涡轮安装在行走驱动电机4上。
在本实施例中，如图6、图7和图9所示，齿形橡胶轮，轮子结构为钢骨架，外层包覆橡胶材质，齿形结构的设计能够增大机器人的抓地力，保证在上坡及潮湿地面不会发生打滑现象；
在本实施例中，如图6、图7和图9所示，驱动电机采用步进电机，整个机器人平台安装有6个步进电机，其中4个竖直安装的电机负责机器人的前进和倒退，2个横置的电机负责机器人的转向，驱动电机倒立放置在平台衡梁上，电机轴与一根传动轴相连，传动轴末端的锥齿轮与一根齿轮轴啮合，齿轮轴外面与橡胶轮连接，电机带动传动轴转动，锥齿轮带动齿轮轴旋转，从而带动橡胶轮旋转。
在本实施例中，如图6、图7和图9所示，转向驱动电机横卧安装在平台尾部横梁上，电机输出轴安装有蜗杆轴，与涡轮啮合，涡轮安装在立梁骨架上，当涡轮蜗杆啮合旋转时，涡轮就带动安装在立梁上的橡胶轮转向，两台电机同时作用从而控制机器人的方向问题。
在本实施例中，本实施例提供的名优茶采摘机器人，自主导航无人车搭载两台倒挂机械臂就可以实现茶叶的摘取。
在本实施例中，本实施例提供的名优茶采摘机器人，机器人运用成熟的***搭建而成，可靠稳定的技术能够保证机器人的长时间，全天候工作。
在本实施例中，本实施例提供的名优茶采摘机器人，机器人通过北斗卫星导航的方式自动定位进入茶园，通过云台识别茶田垄亩，再有机械臂末端手爪配合CCD检测算法将茶叶摘取下来，再传送到茶叶收集箱中，无需人工操作，完全自动化摘取。
在本实施例中，本实施例提供的名优茶采摘机器人，可以真实的模拟茶叶采摘情况，自然通风状态下贮藏，保证茶叶的良好品质。
在本实施例中，本实施例提供的名优茶采摘机器人，其工作原理如下：
在本实施例中，本实施例提供的名优茶采摘机器人，采茶机器人由一辆自主导航无人车搭载两个协作机械臂组成，机械臂末端装有高清相机和两根指夹手；
在CCD视觉检测算法的辅助下，两台机械臂可以配合完成茶叶的摘取，茶叶摘取后将茶叶放到输送带上，由输送带输送至茶叶收集箱中；
输送带和收集箱安装有送风***，可以将茶叶上的水渍吹干，避免潮热造成茶叶发酵捂坏，影响茶叶品质；
机器人移动轮采用齿形结构的橡胶组成，能够适应茶园的泥土路面，保证具有足够的抓地力；
同时在转向驱动电机的作用下，机器人可以自主完成转向换垄工作；
机器人顶端安装有相机云台，可以将高清图像视频传回控制室，让工作人员及时跟踪现场状况；
云台相机的夜视***也能保证机器人在晚上同样可以工作。
综上所述，在本实施例中，本实施例提供的名优茶采摘机器人，结构简单，自主导航无人车搭载两台倒挂机械臂就可以实现茶叶的摘取；功能可靠稳定，机器人运用成熟的***搭建而成，可靠稳定的技术能够保证机器人的长时间，全天候工作；自动化程度高，机器人通过北斗卫星导航的方式自动定位进入茶园，通过云台识别茶田垄亩，再有机械臂末端手爪配合CCD检测算法将茶叶摘取下来，再传送到茶叶收集箱中，无需人工操作，完全自动化摘取；可以真实的模拟茶叶采摘情况，自然通风状态下贮藏，保证茶叶的良好品质。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种名优茶采摘机器人，其特征在于，包括用于为名优茶采摘机器人提供支撑载体的无人导航车(1)、设置在所述无人导航车(1)上的用于进行名优茶采茶摄像的高清摄像***、设置在所述无人导航车(1)内的用于盛放名优茶茶叶的茶叶收集***、设置在所述无人导航车(1)内的用于采摘名优茶茶叶的采摘手臂***、及用于驱动所述无人导航车(1)行走的行走***。
2.如权利要求1所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，所述无人导航车(1)包括两个相互平行的连接杆(18)及与两所述连接杆(18)之间组成封闭空间的多块PVC遮光板(5)，所述连接杆(18)采用空心钢管结构。
3.如权利要求2所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，所述高清摄像***设置在位于顶部的所述PVC遮光板(5)上，包括相机云台(6)、设置在所述相机云台(6)上的高清夜视相机(7)、及设置在所述相机云台(6)内的高清嵌入式主机(8)，所述高清夜视相机(7)与所述高清嵌入式主机(8)连接。
4.如权利要求3所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，所述相机云台(6)由云台护罩以及内置的高清数字摄像机组成，所述高清嵌入式主机(8)用于控制接收、上传视频信号，所述高清嵌入式主机(8)内设置有NVR视频存储装置、GPS模块、云台控制模块、3G模块和WIFI模块，NVR视频存储装置、3G模块、WIFI模块均通过视频接口与HI352X芯片相连，GPS模块、云台控制模块通过UART接口与HI352X芯片相连。
5.如权利要求2所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，所述茶叶收集***设置在所述连接杆(18)上，包括茶叶收集箱(14)、设置在所述茶叶收集箱(14)顶端的茶叶入口(19)、设置在所述茶叶收集箱(14)一侧的送风***(15)及设置在所述连接杆(18)上的输送带(13)。
6.如权利要求5所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，所述输送带(13)上设有通风孔，所述送风***(15)设置在所述输送带(13)的底部，所述茶叶收集箱(14)内设置有重力传感器，用于检测所述茶叶收集箱(14)内的茶叶质量。
7.如权利要求5所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，所述采摘手臂***设置在位于顶部的所述PVC遮光板(5)上，包括两套与所述输送带(13)配合工作的协作机械臂(10)，所述协作机械臂(10)为具有6个自由度的机械臂。
8.如权利要求7所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，每个所述协作机械臂(10)的一端均设有用于采摘茶叶的两指夹手(11)，每个所述两指夹手(11)上均设有高清相机(12)，每个所述两指夹手(11)的夹手内侧均设有具有波纹的硅胶垫。
9.如权利要求2所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，所述行走***包括多个传动轴(2)、及设置在所述传动轴(2)下端的移动轮(3)、用于驱动所述传动轴(2)旋转的转向驱动电机(9)和辅助转向驱动电机(20)，每个所述传动轴(2)均通过转向连接件(17)安装在所述连接杆(18)上，所述转向连接件(17)在所述连接杆(18)上旋转。
10.如权利要求9所述的一种名优茶采摘机器人，其特征在于，每个所述移动轮(3)上均设有齿条(21)，所述移动轮(3)的结构为钢骨架，其外层包覆橡胶材质，所述移动轮(3)与所述传动轴(2)之间设有行走驱动电机(4)和连接轴(16)，所述传动轴(2)与所述行走驱动电机(4)之间通过所述连接轴(16)连接，所述连接轴(16)上安装有蜗杆轴，该蜗杆轴与涡轮啮合，涡轮安装在所述行走驱动电机(4)上。
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