一种采茶机及其实现方法与流程

本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种采茶机及其实现方法。

背景技术：

目前，采茶作业一般分为人工采茶和机械采茶。机械采茶的种类很多，但大多都采用对茶树修剪的方式作业，对新叶和嫩芽的损害较为突出，在采摘过程中容易造成机械损伤，使茶叶整叶率下降，整体品质难以保证，因而优质的茶叶采摘大多采用人工方式，但人工采茶效率低，劳动力成本高，并且劳动力成本还在不断上涨。

中国发明专利(授权公告日为：2016.07.06，授权公告号为：cn105723937a)公开了一种便携式采茶机，剪切机构包括可做相对剪切运动的上剪切刀片及下剪切刀片，收集装置包括收集腔及可做旋转运动的扫叶轮；作业过程为：利用一个驱动电机带动做相对运动的剪切叶片和扫叶轮进行工作，利用做相对运动的刀片做剪切的装置，切叶的过程中震动比较大，剪切的效率低下，而且容易损伤叶片，利用扫叶轮在收集的过程中容易把茶叶搅碎，比较难确保采的茶叶的品质。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种采茶品质高、工作效率高的采茶机。

本发明的另一目的在于提供一种采茶机的实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种采茶机，包括机架，以及设置在所述机架上的位置识别装置、机械手装置、剪切装置、收集装置和总控制系统，其中，所述位置识别装置设置在所述机架顶部，所述剪切装置设置在所述机械手装置底部，所述收集装置设置在所述机架底部，所述位置识别装置、机械手装置和剪切装置分别与所述总控制系统相连接；

所述位置识别装置包括立体摄像机和支架，所述立体摄像机设置在所述支架上，所述支架固定在所述机架顶部且位于机架的正前方；

所述机械手装置包括套筒、电机安装板、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，其中，所述套筒固定在所述机架顶部的正中间，所述电机安装板与所述套筒相连接，所述第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机都设置在所述电机安装板上，所述第一机械臂与所述第一伺服电机相连接，所述第二机械臂与所述第二伺服电机相连接，所述第三机械臂与所述第三伺服电机相连接；

所述剪切装置包括连接板、机械爪、拉线机构和第四伺服电机，其中，所述连接板位于所述机械手装置下方且与所述第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂相连接，所述机械爪设置在所述连接板下方，所述机械爪末端设有可将茶叶嫩苗夹断的刀刃，所述第四伺服电机设置在所述电机安装板上，所述机械爪和所述第四伺服电机通过所述拉线机构相连接；

所述收集装置为茶叶收集箱；

所述总控制系统包括图像处理模块和动作控制模块，所述立体摄像机与所述图像处理模块相连接，所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机和第四伺服电机分别与所述动作控制模块相连接。

优选地，所述第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂都包括长金属杆和短金属杆，所述短金属杆一端与伺服电机相连接，短金属杆另一端与所述长金属杆一端活动连接，所述长金属杆另一端与所述连接板相连接。

优选地，所述立体摄像机包括两个摄像头。

优选地，所述机架由正方形截面的中空金属管焊接而成。

优选地，所述茶叶收集箱为长方体结构。

一种由上述采茶机的实现方法，包括下述步骤：

(1)工作时，首先将采茶机安装在可在茶垄中行走的拖拉机上，通过调整机架在拖拉机上的位置，进而调整机械手装置末端的剪切装置和茶垄的高度差，使得机械手装置处于竖直向下状态时，剪切装置位于茶垄的中心线上；

(2)启动拖拉机以合适的速度在茶垄中行驶，并保持剪切装置处于茶垄的中心线上；

(3)启动采茶机的位置识别装置，位置识别装置的立体摄像机找到茶树嫩苗的准确位置并将采集到的位置信息传送给总控制系统，总控制系统的图像处理模块处理传来的位置信息后，将处理后的位置信息传送给总控制系统，总控制系统制定机械臂的运动路线；

(4)总控制系统的动作控制模块通过控制第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机进而驱动机械臂运动到指定的位置，到达指定位置后，剪切装置运行，总控制系统的动作控制模块控制第四伺服电机工作，第四伺服电机驱动拉线机构，进而控制机械爪夹断茶树嫩苗，同时机械爪保持夹紧状态，驱动机械臂运动并到达收集装置上方，此时机械爪张开，茶树嫩苗掉落在收集装置内；

(5)待收集装置中的茶树嫩苗达到一定的容量时，将收集装置卸下并倒出茶树嫩苗，将茶树嫩苗转运到下一个生产环节中，完成采茶工作。

本发明的工作原理：

工作时，首先将采茶机安装在可在茶垄中行走的拖拉机上，通过调整机架在拖拉机上的位置，进而调整机械手装置末端的剪切装置和茶垄的高度差，使得机械手装置处于竖直向下状态时，剪切装置位于茶垄的中心线上；启动拖拉机以合适的速度在茶垄中行驶，并保持剪切装置处于茶垄的中心线上；启动采茶机的位置识别装置，位置识别装置的立体摄像机找到茶树嫩苗的准确位置并将采集到的位置信息传送给总控制系统，总控制系统的图像处理模块处理传来的位置信息后，将处理后的位置信息传送给总控制系统，总控制系统制定机械臂的运动路线；之后总控制系统的动作控制模块通过控制第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机进而驱动机械臂运动到指定的位置，到达指定位置后，剪切装置运行，总控制系统的动作控制模块控制第四伺服电机工作，第四伺服电机驱动拉线机构，进而控制机械爪夹断茶树嫩苗，同时机械爪保持夹紧状态，驱动机械臂运动并到达收集装置上方，此时机械爪张开，茶树嫩苗掉落在收集装置内；待收集装置中的茶树嫩苗达到一定的容量时，将收集装置卸下并倒出茶树嫩苗，将茶树嫩苗转运到下一个生产环节中，完成采茶工作。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明采摘方式模仿人工采摘，与现有采茶机相比，本发明对茶树的机械损伤较少，采摘的茶叶质量可达到人工采茶的水平，而且本发明结构简单，设计合理，所设计的并联机械手的结构使采茶机整体运行速度快，采茶效率高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明机械手装置的结构示意图；

图3为本发明剪切装置的结构示意图。

图中附图标记为：1、机架；2、立体摄像机；3、第一伺服电机；4、总控制系统；5、套筒；6、电机安装板；7、第二机械臂；8、第四伺服电机；9、机械爪；10、拉线机构；11、收集装置；12、第二伺服电机；13、第三伺服电机；14、第三机械臂；15、第一机械臂；16、连接板。

具体实施方式

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1～3所示，一种采茶机，包括机架1，所述机架1由正方形截面的中空金属管焊接而成，以及设置在所述机架1上的位置识别装置、机械手装置、剪切装置、收集装置11和总控制系统4，其中，所述位置识别装置设置在所述机架1顶部，所述剪切装置设置在所述机械手装置底部，所述收集装置11设置在所述机架1底部，所述位置识别装置、机械手装置和剪切装置分别与所述总控制系统4相连接；位置识别装置对茶垄上的茶树嫩苗进行识别，获取茶树嫩苗的相对位置信息，机械手装置在总控制系统4的控制下移动到合适位置，剪切装置对茶树嫩苗进行剪切并放入收集装置11内，实现采摘和收集功能；

所述位置识别装置包括立体摄像机2和支架，所述立体摄像机2设置在所述支架上，所述立体摄像机2包括两个摄像头，所述支架固定在所述机架1顶部且位于机架1的正前方，立体摄像机2同时对剪切装置前方的茶垄进行拍照，通过特定的算法分析图像，识别茶树嫩苗，并计算出嫩苗的相对位置信息；

所述机械手装置包括套筒5、电机安装板6、第一伺服电机3、第二伺服电机12、第三伺服电机13、第一机械臂15、第二机械臂7和第三机械臂14，其中，所述套筒5固定在所述机架1顶部的正中间，所述电机安装板6与所述套筒5相连接，所述第一伺服电机3、第二伺服电机12和第三伺服电机13都设置在所述电机安装板6上，所述第一机械臂15与所述第一伺服电机3相连接，所述第二机械臂7与所述第二伺服电机12相连接，所述第三机械臂14与所述第三伺服电机13相连接；所述第一机械臂15、第二机械臂7和第三机械臂14都包括长金属杆和短金属杆，所述短金属杆一端与伺服电机相连接，短金属杆另一端与所述长金属杆一端活动连接，所述长金属杆另一端与所述连接板16相连接；各机械臂的末端可以在整个茶垄宽度范围和高度范围内进行移动，并配合剪切装置完成抓取、夹断、运送、放置的动作；

所述剪切装置属于往复式切割器，包括连接板16、机械爪9、拉线机构10和第四伺服电机8，其中，所述连接板16位于所述机械手装置下方且与所述第一机械臂15、第二机械臂7和第三机械臂14相连接，所述机械爪9设置在所述连接板16下方，所述机械爪9末端设有可将茶叶嫩苗夹断的刀刃，所述第四伺服电机8设置在所述电机安装板6上，所述机械爪9和所述第四伺服电机8通过所述拉线机构10相连接；机械爪9由第四伺服电机8通过拉线机构10驱动，并在弹簧作用下复位，机械爪9可实现抓取、夹断、转运的动作；

所述收集装置11为茶叶收集箱，所述茶叶收集箱为长方体结构，安装在机架1底部的一侧，茶叶收集箱可以迅速进行拆装，完成茶叶的转运；

所述总控制系统4包括图像处理模块和动作控制模块，所述立体摄像机2与所述图像处理模块相连接，所述第一伺服电机3、第二伺服电机12、第三伺服电机13和第四伺服电机8分别与所述动作控制模块相连接；总控制系统4可以同时完成图像分析和机械臂的运行控制，协调采茶机各个部分的有序工作。

工作时，首先将采茶机安装在可在茶垄中行走的拖拉机上，通过调整机架1在拖拉机上的位置，进而调整机械手装置末端的剪切装置和茶垄的高度差，使得机械手装置处于竖直向下状态时，剪切装置位于茶垄的中心线上；启动拖拉机以合适的速度在茶垄中行驶，并保持剪切装置处于茶垄的中心线上；启动采茶机的位置识别装置，位置识别装置的立体摄像机2找到茶树嫩苗的准确位置并将采集到的位置信息传送给总控制系统4，总控制系统4的图像处理模块处理传来的位置信息后，将处理后的位置信息传送给总控制系统4，总控制系统4制定机械臂的运动路线；之后总控制系统4的动作控制模块通过控制第一伺服电机3、第二伺服电机12和第三伺服电机13进而驱动机械臂运动到指定的位置，到达指定位置后，剪切装置运行，总控制系统4的动作控制模块控制第四伺服电机8工作，第四伺服电机8驱动拉线机构10，进而控制机械爪9夹断茶树嫩苗，同时机械爪9保持夹紧状态，驱动机械臂运动并到达收集装置11上方，此时机械爪9张开，茶树嫩苗掉落在收集装置11内；待收集装置11中的茶树嫩苗达到一定的容量时，将收集装置11卸下并倒出茶树嫩苗，将茶树嫩苗转运到下一个生产环节中，完成采茶工作。

本发明采摘方式模仿人工采摘，以一支嫩芽为单位依次采摘，这种采摘方式的优点是对茶叶的损伤小，采茶品质高，能够满足高级茗茶对茶叶采摘的生产要求；与现有采茶机相比，本发明对茶树的机械损伤较少，采摘的茶叶质量可达到人工采茶的水平，而且本发明结构简单紧凑，设计合理，所设计的并联机械手的结构使采茶机整体运行速度快，采茶效率高，在作业时，机架只需沿着茶垄直线移动，并联机械手即可通过关节的转动，完成整条茶垄的采茶作业。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。