CN211671435U - 一种采茶机器人的末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采茶机器人的末端执行器，包括圆柱支架，圆柱支架内部顶端安装有电磁铁，圆柱支架内部安装有驱动机构，驱动机构末端通过连接柱连接有内指连接板，连接柱中间套装有中心杆，圆柱支架下表面连接有可活动的外指卡爪，每个外指卡爪上均安装有控制外指卡爪的步进电机；内指连接板下表面连接有可活动的内指卡爪，内指卡爪通过内指连杆与中心杆销连接，内指卡爪可围绕销转动，通过驱动机构推动中心杆控制内指连杆带动内指卡爪卡夹或张开。本结构采用气动、电机驱动、电磁铁相结合的方式完成采摘，通过外指卡爪和内指卡爪相配合，既可避免碰伤新梢又提高了对中性；同时采用气动驱动的方式保证采摘的速度和效率。

Description

一种采茶机器人的末端执行器

技术领域

本实用新型涉及农业机器人技术领域，具体涉及一种采茶机器人的末端执行器。

背景技术

中国是茶叶的故乡，也是目前世界上最大的茶叶生产国与消费国。名优绿茶(尤其是特级、一级高档次名优绿茶)对芽叶形态要求较高，其鲜叶标准一般为一芽一叶、一芽二叶，而且需要保证叶片完整。这样的新梢嫩叶，目前国内外无一例外地只能依靠手工采摘。但是，手工采茶非常辛苦与耗时。

当前常用的采茶机有手持式和乘用式两种形式，它们都是基于切割式工作原理。这种采茶方法虽然具备较高的采摘效率，但是对嫩叶和老叶没有选择性，只是将茶树蓬面整体地剪切一遍，茶叶叶片破损严重，不能用于制作高档次名优绿茶。

末端执行器是采茶机器人的重要组成部分，相对于工业机器人的末端执行器，由于茶叶的外表较为脆弱，而且形状及生长状况复杂，因此末端执行器的设计通常被认为是农业机器人的核心技术之一。手工采摘一芽一叶或者一芽二叶时，一般采用“提手采”方法。新梢并不是被指甲掐断，而是被拇指和食指指肚轻巧地折断下来的。掐断的新梢断口(“芽柄”)会被污染，并在泡茶时呈现深色斑点，大大影响美观。为了符合制作高档次名优绿茶对鲜叶标准的要求，必须尽量模仿手工折断新梢的动作。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种采茶机器人的末端执行器。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种采茶机器人的末端执行器，其中：包括中空结构的圆柱支架，所述圆柱支架内部顶端安装有电磁铁，所述圆柱支架内部安装有驱动机构，该驱动机构可通过电磁铁的吸附向上运动，所述驱动机构末端通过中空连接柱连接有内指连接板，所述连接柱中间套装有中心杆，所述圆柱支架下表面连接有呈周向等距分布的三个可活动的外指卡爪，每个外指卡爪上均安装有控制外指卡爪卡夹或张开的步进电机；所述内指连接板下表面连接有呈周向等距向分布的三个可活动的内指卡爪，所述内指卡爪通过内指连杆与中心杆销连接，所述内指卡爪可围绕销转动，通过驱动机构推动中心杆控制内指连杆带动内指卡爪卡夹或张开，所述内指卡爪包裹在外指卡爪内部。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的气缸支架、气缸、进气嘴，所述气缸固定安装在气缸支架内，所述气缸支架放置在圆柱支架内部，所述气缸和中心杆通过进气嘴螺纹连接，当气缸通过进气嘴进气带动中心杆靠近气缸运动，使内指卡爪闭合；当气缸通过进气嘴排气带动中心杆远离气缸运动，使内指卡爪张开。

上述的气缸支架下表面安装有多个导向杆，所述导向杆穿过圆柱支架下表面与内指连接板连接固定。

上述的圆柱支架下表面开设有连接孔和多个导向孔，所述连接孔内穿插连接柱，所述导向孔与导向杆一一对应。

上述的圆柱支架下表面安装有三个呈周向等距分布的外指座，每个外指座末端均通过第一圆柱销连接外指卡爪，所述外指卡爪可围绕第一圆柱销周向旋转，所述外指座侧壁螺栓固定电机支架，所述步进电机螺栓固定在电机支架上。

上述的内指连接板上安装有三个呈周向等距分布的内指座，所述内指座通过第二圆柱销连接内指卡爪，所述内指卡爪可围绕第二圆柱销周向旋转，所述内指卡爪靠近内指座一侧开设有通槽，所述内指连杆一端通过第三圆柱销连接固定在通槽内，所述内指连杆另一端通过第四圆柱销与中心杆连接固定。

上述的内指卡爪与外指卡爪均交错分布。

本实用新型的有益效果：

本方案的一种采茶机器人的末端执行器包括采摘装置和驱动装置，通过驱动装置控制采摘移动，采摘装置主要由外指卡爪和内指卡爪的配合，外指卡爪通过外指座连接在外指连接板上，内指连接在内指连接板上，并通过内指连杆与中心杆连接。外指的张开和闭合依靠外指与外指座连接关节处的步进电机驱动，内指卡爪的张开和闭合依靠气缸的进出气带动中心杆来控制。装置工作时，首先通过步进电机驱动外指夹持住需要采摘部分的下端，然后再通过气缸驱动内指进行所需部位的采摘，采用气动、电机驱动、电磁铁相结合的方式完成采摘。此方案设计的采茶机器人的末端执行器从上向下作业，既可避免碰伤新梢又提高了对中性；同时采用气动驱动的方式保证采摘的速度和效率。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的外指结构示意图；

图3是本实用新型的步进电机与外指连接示意图；

图4是本实用新型的内指结构示意图；

图5是本实用新型的气缸中心杆连接图；

图6是本实用新型的气缸支架结构图；

图7是外指连接板俯视图。

附图标记为：圆柱支架1、电磁铁2、驱动机构3、气缸支架3-1、气缸3-2、进气嘴3-3、连接柱4、内指连接板5、中心杆6、外指卡爪7、步进电机8、内指卡爪9、内指连杆10、导向杆11、连接孔12、导向孔13、外指座14、第一圆柱销15、电机支架16、内指座17、第二圆柱销18、第三圆柱销19、第四圆柱销20。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型为一种采茶机器人的末端执行器，其中包括中空结构的圆柱支架1，所述圆柱支架1内部顶端安装有电磁铁2，所述圆柱支架1内部安装有驱动机构3，该驱动机构3可通过电磁铁2的吸附向上运动，所述驱动机构3末端通过中空连接柱4连接有内指连接板5，所述连接柱4中间套装有中心杆6，所述圆柱支架1下表面连接有呈周向等距分布的三个可活动的外指卡爪7，每个外指卡爪7上均安装有控制外指卡爪7卡夹或张开的步进电机8；所述内指连接板5下表面连接有呈周向等距向分布的三个可活动的内指卡爪9，所述内指卡爪9通过内指连杆10与中心杆6销连接，所述内指卡爪9可围绕销转动，通过驱动机构3推动中心杆6控制内指连杆10带动内指卡爪9卡夹或张开，所述内指卡爪9包裹在外指卡爪7内部。

本结构采摘装置和驱动装置两部分，驱动部分采用气动、电机驱动、电磁铁相结合的方式完成采摘；采摘部分采用外指卡爪7定位和内指卡爪9采摘相结合的方式。

如图2和3所示，其中外指卡爪7部分结构：每个外指卡爪7通过步进电机8的轴与外指座14铰接在一起，为保证外指卡爪7随步进电机8的转动正常地张开和闭合，步进电机8轴与外指卡爪7的连接采用过盈配合，步进电机8轴与外指座14的连接采用间隙配合，为保证外指卡爪7与步进电机8轴连接的可靠性，外指卡爪7和步进电机8轴间***一个第一圆柱销15，每个步进电机8分别用两个螺栓和螺母通过电机支架16连接在外指座14上，每个外指座14上均有一个步进电机8，故步进电机8共有三个，装置工作时同时驱动三个步进电机8以确保外指卡爪7同步张开和闭合。

如图4所示，其中内指卡爪9部分结构：内指卡爪9也是由三个手指组成，三个内指卡爪9沿内指连接板5圆周方向呈120度排列，为便于采摘，内指卡爪9与外指卡爪7在圆周位置上错开分布。内指卡爪9通过第二圆柱销18连接在内指连接板5上的内指座17中，为保证连接的可靠性以及内指卡爪的正常活动，第二圆柱销18与内指连接板5上内指座17的连接采用过盈配合，第二圆柱销18与内指卡爪9的连接采用间隙配合。

内指卡爪9中间部位开一个通槽，通槽的一端设置有第三圆柱销19，内指连杆10与内指卡爪9通过第三圆柱销19连接，为保证连接的可靠性以及内指卡爪9的正常活动，第三圆柱销19与内指卡爪9的连接采用过盈配合，第三圆柱销19与内指连杆10的连接采用间隙配合。

内指连杆10的另一端与中心杆6通过第四圆柱销20连接，为保证连接的可靠性以及内指连杆10的正常活动，第四圆柱销20与内指连杆10的连接采用过盈配合，第四圆柱销20与中心杆6的连接采用间隙配合。

内指卡爪9工作时通过气缸3-2的进出气推动中心杆6运动，从而带动内指连杆10的移动，内指连杆9通过第三圆柱销19带动内指卡爪9的张开和闭合；当气缸3-2上端进气孔进气时，拉动中心杆6向上运动，通过内指连杆10拉动内指卡爪9绕第二圆柱销18旋转，内指卡爪9闭合从而实现对新梢夹紧的动作。当摘取嫩芽新梢后，气缸3-2下端进气孔进气时，推动中心杆6向下运动，通过内指连杆10推动内指卡爪9绕第二圆柱销18旋转，内指卡爪9张开从而实现对嫩芽新梢松开的动作。

如图5所示，其中驱动部分结构为：驱动机构3包括气缸支架3-1、气缸3-2、进气嘴3-3，所述气缸3-2固定安装在气缸支架3-1内，所述气缸支架3-1放置在圆柱支架1内部，所述气缸3-2和中心杆6通过进气嘴3-3螺纹连接；当气缸3-2通过进气嘴3-3进气带动中心杆6靠近气缸运动，使内指卡爪9闭合；当进气嘴处进气时，拉动中心杆6向靠近气缸3-2处运动，通过第三圆柱销19的作用，内指卡爪9即可闭合。当排气时，进气嘴3-3被推至贴合气缸3-2，因此中心杆6向远离气缸3-2处运动，通过第三圆柱销19的作用，内指卡爪9即可张开。

如图6所示，气缸3-2固定在气缸支架1上，气缸支架1与内指连接板5通过连接柱4和三根导向杆11连接，其中连接柱4空心，其中插有中心杆6，圆柱支架1内部放置有气缸支架3-1，气缸支架3-1内固定安装有气缸3-2，所述气缸支架3-1和内指连接板5之间，通过三根导向杆11和连接柱4可确保圆柱支架3与内指连接板5之间运动时不发生相对转动，从而保证了外指卡爪7和内指卡爪9之间不发生相对转动。

如图7所示为圆柱支架1的俯视图，可见圆柱支架1下表面开设有一个连接孔12和三个导向孔13，中心的连接孔12用于连接柱4***，其周围分布的三个导向孔分别用于三根导向杆11***，以确保圆柱支架1不发生相对转动。故当通电时，电磁铁2吸力使气缸支架1以及内指卡爪7整体向上移动，通过连接柱4与三根导向杆11，确保了其整体沿导向杆11的轴向上移动，防止装置晃动，直至圆柱支架1下表面与内指连接板5接触。当断电时，同样只沿导向杆11的轴向上移动，直至圆柱支架1下表面与气缸支架3-1的下端接触。

综上所述，本采茶机器人的末端执行器在进行茶叶采摘时自上而下地进行。采摘时首先进行嫩芽新梢识别定位，后将末端执行器定位到需要采摘茶叶的正上方，通过步进电机8驱动外指卡爪7夹持住需要采摘的茶叶新梢下端，然后气缸3-2工作，将中心杆6向靠近气缸3-2处运动，即中心杆6向上运动，通过内指连杆10拉动内指卡爪9闭合运动，夹持住需要采摘的茶叶新梢。此时固定在圆柱支架1末端的电磁铁2通电，将气缸支架3-1整体向上移动，即内指卡9夹持住茶叶新梢向上移动，完成采摘。将末端执行器移动到茶叶新梢收集框后电磁铁2即可断电，内指卡爪9整体受重力作用向下运动到初始位置，同时气缸3-2工作，将中心杆6向远离气缸3-2处运动，即中心杆6向下运动，通过内指连杆10拉动内指卡爪9张开运动，由此可完成一次采摘任务。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种采茶机器人的末端执行器，其特征在于：包括中空结构的圆柱支架(1)，所述圆柱支架(1)内部顶端安装有电磁铁(2)，所述圆柱支架(1)内部安装有驱动机构(3)，该驱动机构(3)可通过电磁铁(2)的吸附向上运动，所述驱动机构(3)末端通过中空连接柱(4)连接有内指连接板(5)，所述连接柱(4)中间套装有中心杆(6)，所述圆柱支架(1)下表面连接有呈周向等距分布的三个可活动的外指卡爪(7)，每个外指卡爪(7)上均安装有控制外指卡爪(7)卡夹或张开的步进电机(8)；所述内指连接板(5)下表面连接有呈周向等距向分布的三个可活动的内指卡爪(9)，所述内指卡爪(9)通过内指连杆(10)与中心杆(6)销连接，所述内指卡爪(9)可围绕销转动，通过驱动机构(3)推动中心杆(6)控制内指连杆(10)带动内指卡爪(9)卡夹或张开，所述内指卡爪(9)包裹在外指卡爪(7)内部。

2.根据权利要求1所述的一种采茶机器人的末端执行器，其特征在于：所述驱动机构(3)包括气缸支架(3-1)、气缸(3-2)、进气嘴(3-3)，所述气缸(3-2)固定安装在气缸支架(3-1)内，所述气缸支架(3-1)放置在圆柱支架(1)内部，所述气缸(3-2)和中心杆(6)通过进气嘴(3-3)螺纹连接，当气缸(3-2)通过进气嘴(3-3)进气带动中心杆(6)靠近气缸运动，使内指卡爪闭合；当气缸(3-2)通过进气嘴(3-3)排气带动中心杆(6)远离气缸(3-2)运动，使内指卡爪张开。

3.根据权利要求2所述的一种采茶机器人的末端执行器，其特征在于：所述气缸支架(3-1)下表面安装有多个导向杆(11)，所述导向杆(11)穿过圆柱支架(1)下表面与内指连接板(5)连接固定。

4.根据权利要求3所述的一种采茶机器人的末端执行器，其特征在于：所述圆柱支架(1)下表面开设有连接孔(12)和多个导向孔(13)，所述连接孔(12)内穿插有连接柱(4)，所述导向孔(13)与导向杆(11)一一对应。

5.根据权利要求1所述的一种采茶机器人的末端执行器，其特征在于：所述圆柱支架(1)下表面安装有三个呈周向等距分布的外指座(14)，每个外指座(14)末端均通过第一圆柱销(15)连接外指卡爪(7)，所述外指卡爪(7)可围绕第一圆柱销(15)周向旋转，所述外指座(14)侧壁螺栓固定电机支架(16)，所述步进电机(8)螺栓固定在电机支架(16)上。

6.根据权利要求1所述的一种采茶机器人的末端执行器，其特征在于：所述内指连接板(5)上安装有三个呈周向等距分布的内指座(17)，所述内指座(17)通过第二圆柱销(18)连接内指卡爪(9)，所述内指卡爪(9)可围绕第二圆柱销(18)周向旋转，所述内指卡爪(9)靠近内指座(17)一侧开设有通槽，所述内指连杆(10)一端通过第三圆柱销(19)连接固定在通槽内，所述内指连杆(10)另一端通过第四圆柱销(20)与中心杆(6)连接固定。

7.根据权利要求1所述的一种采茶机器人的末端执行器，其特征在于：所述内指卡爪(9)与外指卡爪(7)均交错分布。

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