两自由度复合驱动仿人手智能采茶装置

本发明涉及一种名优茶采摘的采茶装置，具体是一种由两自由度复合驱动的采茶装置。

背景技术：

目前国内采茶主要包括人工采茶和机械采茶两种方式，由于名优茶对于芽叶的完好性和一致性有着非常高的标准，且现在大多采茶机械仍无法有效将老叶和嫩芽进行区分，易导致芽叶破碎、完整性不足、且混杂老梗和老叶，难以达到名优茶高精度的采摘标准。因此，现阶段仍以人工采摘为主。人工采摘尽管具有选择性，能够保证茶叶的完好性和品质，但是采摘劳动强度大、效率低。由于近些年人工采摘成本逐年飙升，劳动力还严重不足，导致名优茶占茶叶总量的比重逐年下降。为了有效降低人工成本，提升采茶效率，迫切需要仿人手式的机械采茶装置。

但目前的机械采茶装置大多为一刀切的采摘方式，采摘速度不可调，且不能实现仿人手的采摘作业，降低了原叶的品质。无论是一刀切还是模拟掐断的采摘方式，都会使得名优茶叶的采摘后断口处出现“黑头”，严重影响了茶叶的品相，而且断口硬化影响口感；人工采摘是借助手腕的反转在向上提拉时同时向侧向翻腕，完成采摘，这样的方式不会出现黑头现象。机械采摘的鲜叶质量远远低于人工采摘，导致机械采摘的鲜叶只能加工成中低档茶叶，无法用于加工名优茶。为提高人工采摘效率，需要设计仿人手式的机械采茶装置，在辅助工作人员提高采茶效率的同时，实现可调节的采摘弧度和具有可控的采摘速度，保证所采茶叶的质量。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种两自由度复合驱动仿人手智能采茶装置，该装置通过两个可调控的直线电机和旋转电机复合驱动输出，基于机器人运动学分析，实现运动轨迹合成，实现仿人手智能茶叶嫩芽采摘作业，并具有采摘速度快、采摘质量好的特点。

本发明的技术方案是：

两自由度复合驱动仿人手智能采茶装置，其特征在于：该装置包括机壳以及分别设置在机壳内用于采摘茶叶的夹爪机构、用于升降夹爪机构的曲柄摇杆-凸轮驱动机构、用于摆动夹爪机构的抛洒机构、用于收集茶叶的收集盒、控制器；

所述夹爪机构包括第一安装座、固定在第一安装座上的气缸、通过夹爪连接块可转动地铰接在气缸活塞杆上的两条爪臂、分别可转动地铰接在第一安装座与各爪臂之间的爪臂连杆、设置在爪臂上的传感器；

所述摆动机构包括第二安装座、固定在第二安装座上的直线电机、可滑动地定位在第二安装座上并由直线电机驱动的齿条、可转动地定位在第二安装座上并与齿条啮合的齿轮；

所述曲柄摇杆-凸轮驱动机构包括可竖直滑动地定位在机壳中的顶板、旋转电机、由旋转电机驱动的曲柄、可转动地定位在机壳中的摇杆、两端可转动地铰接在曲柄与摇杆上的连杆、设置在摇杆上用于顶推顶板的凸轮；

所述第一安装座通过连接轴与齿轮固定；所述第二连接座通过连接架与顶板固定；所述机壳底部敞开，收集盒可拆装地安装在机壳底部。

所述机壳中设有导向块，连接架上设有与导向块配合的滑槽，滑槽的顶部与底部设有限位开关。

所述机壳底部设有用于安装收集盒的滑轨。

所述控制器分别电连接气缸、直线电机、旋转电机、传感器、限位开关。

所述机壳上设有提手；所述收集盒上设有凹槽拉手。

本发明的有益效果是：

本发明能对茶叶进行采摘、输送、收集，实现了茶叶采摘的自动作业，其中的机壳采用薄金属板，体积较小且重量轻，曲柄摇杆-凸轮驱动机构通过曲柄、摇杆与凸轮提升夹爪机构并且凸轮采用了仿真设计的外形，抛洒机构通过直线电机驱动齿轮齿条带动夹爪机构转动，对茶叶进行抛洒动作，可有效提升采茶的速率；本发明通过直线电机和旋转电机双驱动，可有效实现名优茶叶的仿人手采摘，同时模拟人手向上提拉和向侧向拉拽，合成人手翻腕动作；通过机器人运动学分析，实现运动轨迹合成，可以优化设计两自由度之间的电机运动配合规律，针对不同品种、不同地域、不同季节的茶，实现可调节的人手翻腕采摘；并具有可控的采摘速度。本发明具有操作简单、性能可靠、便于携带、采茶效率高、功耗小、采茶适应性强的特点，可以有效降低人工采茶的劳动强度，在保证采茶精度的同时，提升采摘速度和质量，从而有效解决人工采茶高成本、效率低问题。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图之一。

图2是本发明的立体结构示意图之二。

图3是图2的主视结构示意图。

图4是本发明的夹爪机构的立体结构示意图。

图5是本发明的曲柄摇杆-凸轮驱动机构的立体结构示意图。

图6是本发明的抛洒机构的立体结构示意图。

图7是本发明的收集盒的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供了一种两自由度复合驱动仿人手智能采茶装置，包括机壳、夹爪机构、曲柄摇杆-凸轮驱动机构、抛洒机构、收集盒、控制器。

所述机壳6-1为箱体结构，机壳的底部敞开，机壳的四周侧面以及顶面采用薄金属板，机壳的顶部设有把手6-2，夹爪机构、曲柄摇杆-凸轮驱动机构、抛洒机构设置在机壳内部，夹爪机构用于采摘茶叶，抛洒机构用于带动夹爪机构摆动，曲柄摇杆-凸轮驱动机构用于带动夹爪机构升降，收集盒5-1可拆卸安装在机壳底部用于收集茶叶。

所述夹爪机构中，气缸2-3固定在第一安装座上，气缸的活塞杆竖直向下布置，夹爪连接块2-4与气缸的活塞杆固定，两条爪臂2-6分别可转动地铰接在夹爪连接块上，爪臂连杆2-5的一端可转动地铰接在第一安装座上并且另一端可转动地铰接在爪臂中部，爪臂上还设有传感器2-7。

所述第一安装座包括上支架板2-1、下支架板2-10以及垂直固定在上支架板与下支架板之间的若干固定杆2-2，气缸2-3固定在下支架板上。所述传感器包括分别固定在两个爪臂底端的夹持面上红外发射传感器与红外接收传感器，用于对茶叶嫩芽进行识别。当传感器识别到茶叶嫩芽时，气缸的活塞杆运动，带动爪臂转动使得夹爪机构张开与闭合，从而完成对茶叶嫩芽的抓取和释放。

所述抛洒机构中，第二安装座3-3上设有滑动槽3-6，齿条3-2可滑动地定位在滑动槽中，直线电机3-5固定在第二安装座上用于推动齿条运动，齿轮3-4可转动地定位在第二安装座上并与齿条啮合，齿轮还与连接轴3-1同轴固定，第一安装座的上支架板通过连接轴与齿轮固定。所述直线电机的活塞杆伸缩时通过齿条带动齿轮转动，使得夹爪机构进行摆动从而配合夹爪机构完成茶叶嫩芽的抛洒动作。

所述曲柄摇杆-凸轮驱动机构中，旋转电机4-9通过旋转电机支架4-6与机壳固定，曲柄4-7与旋转电机的转轴固定，摇杆4-3可转动地定位在机壳中，连杆4-5的一端可转动地铰接在曲柄上并且另一端可转动地铰接在摇杆上，摇杆上还设有凸轮4-4，凸轮固定在摇杆的一端，摇杆与连杆的铰接端设置在摇杆的另一端，导向块7-2与机壳固定，连接架4-1可竖直滑动地定位在导向块上，连接架上设有与导向块配合的滑槽7-1，滑槽的顶壁与底壁设有限位开关(图中省略)，顶板4-2固定在连接柱的顶端，凸轮的弧面顶住顶板的底面，第二安装座固定在连接柱的底端。所述旋转电机通过曲柄、连杆带动摇杆摆动，摇杆再通过凸轮带动顶板、连接架运动，驱动夹爪机构升降，完成茶叶嫩芽的上升运输。

所述机壳的底部固定两条滑轨7-4，收集盒的滑槽5-1与滑轨形成滑动配合，收集盒上设有凹槽拉手5-2，利用凹槽拉手可将收集盒推入滑轨中或者从滑轨中拉出。

所述控制器分别电连接气缸、直线电机、旋转电机、传感器、限位开关。所述控制器为现有技术。

本发明的工作原理如下：

1、通过高速摄像仪或者其他可穿戴传感设备记录名茶采摘大师或工匠的夹持茶芽手指的运动规律曲线，并输出轨迹拟合数据。

2针对上述轨迹拟合数据，基于机器人运动学和逆运动学分析求解两自由度关节处的运动规律，即:旋转电机和直线电机的运动规律，用以模拟人手采摘时的运动规律。此运动规律输入机器人控制器，并标定误差，反复练习，完成人手模拟采茶运动的离线示教。

3、手提采茶装置，将机壳的底部放在茶叶嫩芽上，夹爪机构上的传感器检测到嫩芽时，气缸启动(活塞杆收回)带动两条爪臂闭合夹住茶叶嫩芽；

4按照示教的规律启动旋转电机(图3中曲柄顺时针摆动)通过曲柄、连杆、摇杆、凸轮带动顶板、连接架运动，使得夹爪机构携带茶叶嫩芽上升，连接架的限位开关触碰到导向块时旋转电机停止；

3、同时直线电机配合旋转电机转动，实现夹爪侧向运动，通过两自由度运动合成实现仿人手采摘，将茶叶提升并“翻腕”摘下。

5、采摘完茶芽并提升到指定高度后，旋转电机停止，直线电机继续运动(活塞杆收回)收回齿条带动齿轮旋转(图3中齿轮逆时针转动)，使得夹爪机构往收集盒方向摆动一定角度，然后气缸启动(活塞杆伸出)将爪臂打开，茶叶嫩芽掉落掉到收集盒中；

7、直线电机启动(活塞杆伸出)带动夹爪机构向下摆动，同时旋转电机启动(图3中曲柄逆时针摆动)通过曲柄、连杆、摇杆、凸轮带动顶板、连接架运动，使得夹爪机构下降，连接架的限位开关触碰到导向块时旋转电机停止，准备下一次的采摘动作；

8、采摘工作持续一定时间后，取出收集盒将采摘好的茶叶倒出，再放回收集盒。