茶葉摘採機器人的製作方法

2023-08-10 14:30:26 3

專利名稱：茶葉摘採機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種茶葉摘採機器人，尤其是一種能夠對茶樹嫩芽進行有選擇性地採摘的機器人，屬於農林機械技術領域。
背景技術：
據申請人了解，為了提高採茶效率，有些茶場逐步實現了部分機械化採摘。但是， 現有採茶機主要基於剪切方式工作，先剪切茶樹枝條，然後利用風機氣流將茶葉收集到容器中。這種採茶機械只能將茶樹冠層整體地剪切一遍，不僅對嫩葉和老葉沒有選擇性，而且還會造成茶葉葉片嚴重破損，因此只適用於大宗茶(例如，袋泡茶等)的摘採，不能用於要求摘採嫩葉(例如單芽、一芽一葉、一芽二葉等)的名優茶，尤其是需要保證葉片完整性的高檔次名優茶。隨著勞動力成本提高和現有採茶機不適用於名優茶採摘，茶場急切希望有一種工作效率高、能適用於採摘名優茶的機械。
檢索發現，中國專利申請CN1620848A (申請號2004100814824)公開了一種「自動採茶機」，該機設有單個圖像採集頭，雖然具有初步的識別功能，但由於不能獲取嫩芽與採摘刀爪的距離信息，且在屏蔽空間中只有一個固定位置的照明燈，難以照亮茶樹所有部位的嫩芽，加之執行機構的結構存在諸多問題，因此嚴重影響了其可操作性。此外，申請號為 2008100634M7的中國專利申請公開了一種「茶葉自動採摘方法及實現該方法的茶葉採摘機」，該機利用旋轉氣流擰斷茶葉，避免了剪切方式採茶所造成的對茶葉和茶株的損傷，但是該方案沒有解決嫩芽識別問題，不能適用於名優茶採摘中只採摘一芽一葉或者一芽二葉等要求。發明內容
本發明的目的在於針對以上現有技術存在的缺點或問題，提出一種可以實現茶樹嫩芽自動準確採摘的茶葉摘採機器人，從而滿足名優茶採摘的需要。
為了達到上述目的，本發明的茶葉摘採機器人包括用於攝取茶樹圖像的視覺系統、用於進行圖像處理並根據處理結果輸出控制信號的處理控制電路、用於根據輸出信號採摘茶葉的執行機構，以及將採摘茶葉輸送至容器的收集裝置，其中執行機構具有固連於機架的基座，所述基座的下部至少沿圓周間隔連接三根上臂，所述各上臂的上端分別與受控於處理控制電路的對應伺服電機傳動連接，所述各上臂的下端分別通過球鉸鏈與對應的前臂上端鉸接，所述前臂的下端分別通過沿圓周間隔分布的球鉸鏈與活動平臺鉸接，所述活動平臺底面朝下延伸出刀刃支架，所述刀刃支架支撐有平行的光軸和具有雙向螺紋的絲杆，所述絲杆的雙向螺紋分別與相對安置的左側刀刃和右側刀刃對應的螺紋孔旋合，所述左側刀刃和右側刀刃還分別具有與光軸構成移動副的通孔，所述絲杆與受控於處理控制電路的直流電機傳動連接。
為了便於組裝，前臂可以由上部前臂和下部前臂通過連接套連接構成。
採用本發明的以上技術方案後，藉助機器視覺攝取茶樹冠層茶葉圖像後，可以通過處理，確定其空間坐標位置，從而控制伺服電機，驅使空間機械臂機構帶動活動臺準確到達待採摘茶葉嫩芽處，就位後直流電機啟動，通過雙向絲杆驅使左、右側刀刃將茶葉嫩芽剪切下來，在收集裝置的作用下收集積聚起來。
上述空間機械臂機構可以實現準確就位，左、右側刀刃可以保證葉片的完整性，整個採摘過程完全自動化，因此適於名優茶的採摘。


下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明實施例一的結構示意圖。
圖2為圖1實施例的空間機械臂結構示意圖。
圖3為圖1實施例的採摘機構結構示意圖。
具體實施方式
實施例一本實施例的茶葉摘採機器人如圖1所示，包括單目攝像機1、雙目攝像機2、投影機3、 空間機械臂4、採摘機構5以及用於進行圖像處理並根據處理結果輸出控制信號的處理控制電路(圖中未示)。8是茶樹。單目攝像機1、雙目攝像機2、投影機3構成機器視覺系統， 用於識別嫩芽並定位嫩芽中心的空間三維坐標；換言之，視覺系統包括用於攝取茶樹冠層圖像的單目攝像機1、用於向茶樹冠層投射光柵條紋的投影機3、以及攝取覆蓋著光柵的茶樹冠層圖像的雙目攝像機2。空間機械臂4和採摘機構5構成用於根據輸出信號採摘茶葉的執行機構。將採摘茶葉輸送至容器的收集裝置由抽風管道6以及容器7構成，抽風管道 6的抽風口位於執行機構處，出風口位於容器內。
如圖2所示，執行機構具有固連於機架的圓盤形基座4-1，該基座的下部沿圓周間隔鉸接四根上臂4-3，各上臂的上端分別與安置在基座上且受控於處理控制電路的對應伺服電機4-2傳動連接。各上臂4-3的下端分別通過球鉸鏈4-4與對應的上部前臂4-5的上端鉸接，各上部前臂的下端分別由銷4-6裝有連接套4-7，並通過連接套4-7與對應的下部前臂上端4-8插接固連。各下部前臂4-8的下端分別通過沿圓周間隔分布的四個球鉸鏈 4-9與活動平臺4-10鉸接，從而構成可以三維動作的空間機械臂。
如圖3所示，活動平臺4-10底面朝下延伸出兩刀刃支架5-2，兩刀刃支架之間支撐有平行的光軸5-3和具有雙向螺紋的絲杆5-4。絲杆5-4的雙向螺紋分別與相對安置的左側刀刃5-7和右側刀刃5-6對應的螺紋孔旋合。絲杆5-4的雙向螺紋之間裝有用於防止兩刀刃碰撞的限位套5-5。
左側刀刃5-7和右側刀刃5-6上部分別具有與光軸5-3構成移動副的通孔，下部呈相對的彎爪狀，彎爪的底端為相對的刃口。絲杆5-4的一端與受控於處理控制電路的直流電機5-1傳動連接，從而構成採摘機構。
工作時，採用單目攝像機1拍攝茶樹冠層圖像，通過數字圖像處理，利用顏色特徵從背景中識別出嫩芽，進而確定嫩芽中心在茶樹冠層平面內的x、y坐標。(參見毛文華，王輝，趙博等《基於株心顏色的玉米田間雜草識別方法》農業工程學報，25 (增刊幻161-164 以及 lie Tang, Lei Tian.《Machine Vision for Automated Corn Plant Spacing, GrowthStage and Population Measurements-Part II:Plant Identification》· 2002 ASAE Annual Meeting)。
投影機3往茶樹冠層投射光柵條紋，雙目攝像機2拍攝覆蓋著光柵的茶樹冠層圖像，利用基於光柵投影進行三維測量的方法，通過立體匹配等圖像處理方法，獲取茶樹冠層各點的高度信息，即各點的ζ坐標。(參見王露陽，達飛鵬.《基於彩色光柵投影的快速三維測量方法[J]》應用光學，2011,32 ): 276481以及趙慧潔，吉相.《基於相位匹配的大視場視覺檢測系統[J]》北京航空航天大學學報，2006, 32 (6) 700-703)；之後，處理控制電路的CPU根據茶葉嫩芽中心的三維坐標x、y、z值輸出控制信號，通過伺服電機驅使空間機械臂帶動活動平臺準確運動到茶葉嫩芽處，再啟動直流電機使兩側刀刃相對運動，將茶葉嫩芽切下，最終由負壓氣流吸取至容器中，從而實現對嫩芽的選擇性自動採摘。
本實施例的茶葉摘採機器人能夠自動識別茶樹嫩芽、定位其空間三維坐標，進而進行有選擇性地採摘，具有高效、智能化的優點，可滿足名優茶選擇性採摘嫩芽的要求。
權利要求
1.一種茶葉摘採機器人，包括用於攝取茶樹圖像的視覺系統、用於圖像處理並根據處理結果輸出控制信號的處理控制電路、用於根據輸出信號採摘茶葉的執行機構，以及將採摘茶葉輸送至容器的收集裝置，其特徵在於所述執行機構具有固連於機架的基座，所述基座的下部至少沿圓周間隔鉸接三根上臂，所述各上臂的上端分別與受控於處理控制電路的對應伺服電機傳動連接，所述各上臂的下端分別通過球鉸鏈與對應的前臂上端鉸接，所述前臂的下端分別通過沿圓周間隔分布的球鉸鏈與活動平臺鉸接，所述活動平臺底面朝下延伸出刀刃支架，所述刀刃支架支撐有平行的光軸和具有雙向螺紋的絲杆，所述絲杆的雙向螺紋分別與相對安置的左側刀刃和右側刀刃對應的螺紋孔旋合，所述左側刀刃和右側刀刃還分別具有與光軸構成移動副的通孔，所述絲杆與受控於處理控制電路的直流電機傳動連接。
2.根據權利要求1所述的茶葉摘採機器人，其特徵在於所述前臂由上部前臂和下部前臂通過連接套連接構成。
3.根據權利要求1或2所述的茶葉摘採機器人，其特徵在於所述視覺系統包括用於攝取茶樹冠層圖像的單目攝像機、用於向茶樹冠層投射光柵條紋的投影機、以及攝取覆蓋著光柵的茶樹冠層圖像的雙目攝像機。
4.根據權利要求3所述的茶葉摘採機器人，其特徵在於所述收集裝置由抽風管道以及容器構成，所述抽風管道的抽風口位於執行機構處，出風口位於容器內。
5.根據權利要求4所述的茶葉摘採機器人，其特徵在於所述左、右側刀刃下部呈相對的彎爪狀，所述彎爪的底端為相對的刃口。
全文摘要
本發明涉及一種茶葉摘採機器人，屬於農林機械技術領域。該機器人包括視覺系統、處理控制電路、執行機構，以及收集裝置，其中執行機構的基座下部鉸接上臂，上臂上端與安置在基座上的伺服電機傳動連接，上臂的下端與前臂的上端鉸接，前臂的下端與活動平臺鉸接，活動平臺下支撐有光軸和旋合左右側刀刃的絲杆，絲杆與直流電機傳動連接。採用本發明後，空間機械臂機構可以實現準確就位，左、右側刀刃可以保證葉片的完整性，整個採摘過程完全自動化，因此適於名優茶的採摘。
文檔編號A01D46/30GK102487667SQ20111038039
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者陳勇, 陳君 申請人:南京林業大學