专利名称：茶叶摘采机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种茶叶摘采机器人，尤其是一种能够对茶树嫩芽进行有选择性地采摘的机器人，属于农林机械技术领域。
背景技术：
据申请人了解，为了提高采茶效率，有些茶场逐步实现了部分机械化采摘。但是， 现有采茶机主要基于剪切方式工作，先剪切茶树枝条，然后利用风机气流将茶叶收集到容器中。这种采茶机械只能将茶树冠层整体地剪切一遍，不仅对嫩叶和老叶没有选择性，而且还会造成茶叶叶片严重破损，因此只适用于大宗茶(例如，袋泡茶等)的摘采，不能用于要求摘采嫩叶(例如单芽、一芽一叶、一芽二叶等)的名优茶，尤其是需要保证叶片完整性的高档次名优茶。随着劳动力成本提高和现有采茶机不适用于名优茶采摘，茶场急切希望有一种工作效率高、能适用于采摘名优茶的机械。
检索发现，中国专利申请CN1620848A (申请号2004100814824)公开了一种“自动采茶机”，该机设有单个图像采集头，虽然具有初步的识别功能，但由于不能获取嫩芽与采摘刀爪的距离信息，且在屏蔽空间中只有一个固定位置的照明灯，难以照亮茶树所有部位的嫩芽，加之执行机构的结构存在诸多问题，因此严重影响了其可操作性。此外，申请号为 2008100634M7的中国专利申请公开了一种“茶叶自动采摘方法及实现该方法的茶叶采摘机”，该机利用旋转气流拧断茶叶，避免了剪切方式采茶所造成的对茶叶和茶株的损伤，但是该方案没有解决嫩芽识别问题，不能适用于名优茶采摘中只采摘一芽一叶或者一芽二叶等要求。发明内容
本发明的目的在于针对以上现有技术存在的缺点或问题，提出一种可以实现茶树嫩芽自动准确采摘的茶叶摘采机器人，从而满足名优茶采摘的需要。
为了达到上述目的，本发明的茶叶摘采机器人包括用于摄取茶树图像的视觉系统、用于进行图像处理并根据处理结果输出控制信号的处理控制电路、用于根据输出信号采摘茶叶的执行机构，以及将采摘茶叶输送至容器的收集装置，其中执行机构具有固连于机架的基座，所述基座的下部至少沿圆周间隔连接三根上臂，所述各上臂的上端分别与受控于处理控制电路的对应伺服电机传动连接，所述各上臂的下端分别通过球铰链与对应的前臂上端铰接，所述前臂的下端分别通过沿圆周间隔分布的球铰链与活动平台铰接，所述活动平台底面朝下延伸出刀刃支架，所述刀刃支架支撑有平行的光轴和具有双向螺纹的丝杆，所述丝杆的双向螺纹分别与相对安置的左侧刀刃和右侧刀刃对应的螺纹孔旋合，所述左侧刀刃和右侧刀刃还分别具有与光轴构成移动副的通孔，所述丝杆与受控于处理控制电路的直流电机传动连接。
为了便于组装，前臂可以由上部前臂和下部前臂通过连接套连接构成。
采用本发明的以上技术方案后，借助机器视觉摄取茶树冠层茶叶图像后，可以通过处理，确定其空间坐标位置，从而控制伺服电机，驱使空间机械臂机构带动活动台准确到达待采摘茶叶嫩芽处，就位后直流电机启动，通过双向丝杆驱使左、右侧刀刃将茶叶嫩芽剪切下来，在收集装置的作用下收集积聚起来。
上述空间机械臂机构可以实现准确就位，左、右侧刀刃可以保证叶片的完整性，整个采摘过程完全自动化，因此适于名优茶的采摘。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为图1实施例的空间机械臂结构示意图。
图3为图1实施例的采摘机构结构示意图。
具体实施方式
实施例一本实施例的茶叶摘采机器人如图1所示，包括单目摄像机1、双目摄像机2、投影机3、 空间机械臂4、采摘机构5以及用于进行图像处理并根据处理结果输出控制信号的处理控制电路(图中未示)。8是茶树。单目摄像机1、双目摄像机2、投影机3构成机器视觉系统， 用于识别嫩芽并定位嫩芽中心的空间三维坐标；换言之，视觉系统包括用于摄取茶树冠层图像的单目摄像机1、用于向茶树冠层投射光栅条纹的投影机3、以及摄取覆盖着光栅的茶树冠层图像的双目摄像机2。空间机械臂4和采摘机构5构成用于根据输出信号采摘茶叶的执行机构。将采摘茶叶输送至容器的收集装置由抽风管道6以及容器7构成，抽风管道 6的抽风口位于执行机构处，出风口位于容器内。
如图2所示，执行机构具有固连于机架的圆盘形基座4-1，该基座的下部沿圆周间隔铰接四根上臂4-3，各上臂的上端分别与安置在基座上且受控于处理控制电路的对应伺服电机4-2传动连接。各上臂4-3的下端分别通过球铰链4-4与对应的上部前臂4-5的上端铰接，各上部前臂的下端分别由销4-6装有连接套4-7，并通过连接套4-7与对应的下部前臂上端4-8插接固连。各下部前臂4-8的下端分别通过沿圆周间隔分布的四个球铰链 4-9与活动平台4-10铰接，从而构成可以三维动作的空间机械臂。
如图3所示，活动平台4-10底面朝下延伸出两刀刃支架5-2，两刀刃支架之间支撑有平行的光轴5-3和具有双向螺纹的丝杆5-4。丝杆5-4的双向螺纹分别与相对安置的左侧刀刃5-7和右侧刀刃5-6对应的螺纹孔旋合。丝杆5-4的双向螺纹之间装有用于防止两刀刃碰撞的限位套5-5。
左侧刀刃5-7和右侧刀刃5-6上部分别具有与光轴5-3构成移动副的通孔，下部呈相对的弯爪状，弯爪的底端为相对的刃口。丝杆5-4的一端与受控于处理控制电路的直流电机5-1传动连接，从而构成采摘机构。
工作时，采用单目摄像机1拍摄茶树冠层图像，通过数字图像处理，利用颜色特征从背景中识别出嫩芽，进而确定嫩芽中心在茶树冠层平面内的x、y坐标。(参见毛文华，王辉，赵博等《基于株心颜色的玉米田间杂草识别方法》农业工程学报，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)。
投影机3往茶树冠层投射光栅条纹，双目摄像机2拍摄覆盖着光栅的茶树冠层图像，利用基于光栅投影进行三维测量的方法，通过立体匹配等图像处理方法，获取茶树冠层各点的高度信息，即各点的ζ坐标。(参见王露阳，达飞鹏.《基于彩色光栅投影的快速三维测量方法[J]》应用光学，2011,32 ): 276481以及赵慧洁，吉相.《基于相位匹配的大视场视觉检测系统[J]》北京航空航天大学学报，2006, 32 (6) 700-703)；之后，处理控制电路的CPU根据茶叶嫩芽中心的三维坐标x、y、z值输出控制信号，通过伺服电机驱使空间机械臂带动活动平台准确运动到茶叶嫩芽处，再启动直流电机使两侧刀刃相对运动，将茶叶嫩芽切下，最终由负压气流吸取至容器中，从而实现对嫩芽的选择性自动采摘。
本实施例的茶叶摘采机器人能够自动识别茶树嫩芽、定位其空间三维坐标，进而进行有选择性地采摘，具有高效、智能化的优点，可满足名优茶选择性采摘嫩芽的要求。
权利要求
1.一种茶叶摘采机器人，包括用于摄取茶树图像的视觉系统、用于图像处理并根据处理结果输出控制信号的处理控制电路、用于根据输出信号采摘茶叶的执行机构，以及将采摘茶叶输送至容器的收集装置，其特征在于所述执行机构具有固连于机架的基座，所述基座的下部至少沿圆周间隔铰接三根上臂，所述各上臂的上端分别与受控于处理控制电路的对应伺服电机传动连接，所述各上臂的下端分别通过球铰链与对应的前臂上端铰接，所述前臂的下端分别通过沿圆周间隔分布的球铰链与活动平台铰接，所述活动平台底面朝下延伸出刀刃支架，所述刀刃支架支撑有平行的光轴和具有双向螺纹的丝杆，所述丝杆的双向螺纹分别与相对安置的左侧刀刃和右侧刀刃对应的螺纹孔旋合，所述左侧刀刃和右侧刀刃还分别具有与光轴构成移动副的通孔，所述丝杆与受控于处理控制电路的直流电机传动连接。
2.根据权利要求1所述的茶叶摘采机器人，其特征在于所述前臂由上部前臂和下部前臂通过连接套连接构成。
3.根据权利要求1或2所述的茶叶摘采机器人，其特征在于所述视觉系统包括用于摄取茶树冠层图像的单目摄像机、用于向茶树冠层投射光栅条纹的投影机、以及摄取覆盖着光栅的茶树冠层图像的双目摄像机。
4.根据权利要求3所述的茶叶摘采机器人，其特征在于所述收集装置由抽风管道以及容器构成，所述抽风管道的抽风口位于执行机构处，出风口位于容器内。
5.根据权利要求4所述的茶叶摘采机器人，其特征在于所述左、右侧刀刃下部呈相对的弯爪状，所述弯爪的底端为相对的刃口。
全文摘要
本发明涉及一种茶叶摘采机器人，属于农林机械技术领域。该机器人包括视觉系统、处理控制电路、执行机构，以及收集装置，其中执行机构的基座下部铰接上臂，上臂上端与安置在基座上的伺服电机传动连接，上臂的下端与前臂的上端铰接，前臂的下端与活动平台铰接，活动平台下支撑有光轴和旋合左右侧刀刃的丝杆，丝杆与直流电机传动连接。采用本发明后，空间机械臂机构可以实现准确就位，左、右侧刀刃可以保证叶片的完整性，整个采摘过程完全自动化，因此适于名优茶的采摘。
文档编号A01D46/30GK102487667SQ20111038039
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者陈勇, 陈君 申请人:南京林业大学