一种拟人型炒茶机器人及利用该炒茶机器人炒茶的方法与流程

本发明涉及茶叶生产技术领域，具体地，涉及一种拟人型炒茶机器人及利用该炒茶机器人炒茶的方法。

背景技术：

炒茶杀青，是通过高温破坏和钝化鲜茶叶中的氧化酶活性，抑制鲜叶中的茶多酚等的酶促氧化，蒸发鲜叶部分水分，使茶叶变软，便于揉捻成形，同时散发青臭味，促进良好香气的形成的一种制茶步骤，是绿茶、黄茶、黑茶、乌龙茶、普龙茶、部分红茶等的初制工序之一。

目前我国茶叶的主要杀青方式有滚筒杀青、锅炒杀青、热风杀青、蒸汽杀青、微波杀青、蒸汽-热风混合式杀青等。其中，最常用的是采用滚筒类机械进行杀青，速度快、效率高，成本低等优点，适合于工业生产。然而这种滚筒类机械在杀青过程中，滚筒不断旋转极容易导致茶叶破损，影响茶叶的外观质量；另外这种滚筒式杀青机械不能均匀对茶叶进行翻炒，造成炒茶品品质高低不齐，导致青叶的湿度不一，从而使茶叶颜色不一；再者，在滚筒的往复运动中容易出现茶叶向一边集中，导致受热不均，影响到茶叶的理条效果。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种拟人型炒茶机器人及利用该炒茶机器人炒茶的方法，拟人型炒茶机器人在炒茶杀青过程中仿造人杀青过程，可让茶叶均匀受热，并且避免了茶叶在杀青过程中的机械破损，提高茶叶质量。

本发明的技术方案是这样实现的：一种拟人型炒茶机器人，包括控制柜、炒茶主体装置、设于所述炒茶主体装置下方的炒锅和用于固定所述炒茶主体装置的固定架，所述炒茶主体装置包括肩部部件和分别设于肩部部件两端的机械臂，所述机械臂末端设有一用于炒茶的抓手，所述抓手设于所述炒锅内，所述肩部部件上设有一用于采集炒锅图像的图像采集装置；所述肩部部件与所述固定架的连接处设有用于控制所述肩部部件旋转的第一驱动装置，所述第一驱动装置通过所述控制柜控制。

可选的，所述机械臂包括大臂部件和小臂部件，所述肩部部件与所述大臂部件的连接处设有用于控制大臂部件在竖直方向上移动的第二驱动装置，所述大臂部件与所述小臂部件之间设有用于控制小臂部件在竖直方向上移动的第三驱动装置，所述第二驱动装置和所述第三驱动装置通过所述控制柜控制。

可选的，所述手抓与所述机械臂之间通过腕关节支座连接，所述腕关节支座内设有电磁抱闸器，所述电磁抱闸器通过旋转轴固定在所述腕关节支座内，所述手抓固定在所述旋转轴上；所述旋转轴上设有用于使手抓保持在张力状态的弹簧。

一种利用所述拟人型炒茶机器人炒茶的方法，包括以下步骤：

通过图像采集装置采集炒锅图像，根据炒锅图像判断炒茶主体装置的中心与炒锅的锅底中心是否对齐；

若对齐，则根据炒锅图像获取茶叶与炒锅内壁的接触边界，通过控制柜控制所述炒茶主体装置使手抓移动到所述接触边界；

通过控制柜控制机械臂让手抓对茶叶进行翻炒；

翻炒过程中，控制柜根据茶叶在炒锅中的覆盖形状自动调整下一周期机械臂的位置。

可选的，所述拟人型炒茶机器的炒锅边缘设有一棋盘格标识，以炒茶主体装置的中心为原点建立笛卡尔坐标系，获取棋盘格标识的中心坐标(x,y,z)、图像采集装置的坐标为(x0,y0,z0)和炒锅的锅底中心坐标(x,y,z)；

若x＝x+x0且y＝y+y0，则表示炒茶主体装置的中心与炒锅的锅底中心对齐。

可选的，设接触边界的半径为r，炒锅的端面半径为a，炒锅的锅底中心与炒锅端面的距离为z，炒茶主体装置的中心与炒锅端面的距离为c；以炒茶主体装置的中心为原点建立笛卡尔坐标系，则炒锅的其中两点坐标为a(-a,-c)、c(a,-c)，炒锅的锅底中心坐标为b(0,-c-z)；通过控制柜控制所述炒茶主体装置使手抓移动到所述接触边界的步骤包括：

根据炒锅内壁曲线方程f(x)＝p1+p2×x+p3×x²，可知所述接触边界的其中一点坐标e为(r,f(r))；

通过控制柜控制所述炒茶主体装置使手抓移动到e点。

可选的，控制柜根据接触边界的形状自动调整下一周期机械臂的位置的步骤包括：

若接触边界的形状不是圆形时，则通过控制柜控制炒茶主体装置使机械臂旋转到茶叶覆盖形状的长轴方向上；

若接触边界的形状为圆形时，设翻炒前接触边界的半径为r1，经若干次翻炒后接触边界的半径为r2；若r1-r2≥2cm，则通过控制柜控制机械臂使手抓下沉至半径为r2的接触边界；若r1-r2<2cm，则手抓停留在原来位置继续翻炒。

可选的，所述拟人型炒茶机器人的机械臂包括大臂部件和小臂部件，设大臂部件的长度为l1，小臂部件的长度为l2，翻炒过程中，手抓与机械臂的连接点d沿着炒锅内壁曲线运动，因此运动过程中d点坐标满足炒锅内壁曲线方程f(x)＝p1+p2×x+p3×x²；

根据几何关系式：可知大臂部件与水平方向的夹角θ1、小臂部件与水平方向的夹角θ2；

根据变换矩可知大臂部件的角速度w1、小臂部件的角速度w2；

通过控制机械臂让手抓对茶叶进行翻炒时：

所述大臂部件转动过程中，大臂部件的旋转角度满足五次样条函数角速度满足所述w1，角加速度满足α＝2a22+6a32t+12a42t²+20a52t³；

所述小臂部件转动过程中，小臂部件的旋转角度满足五次样条函数角速度满足所述w2，角加速度满足α2＝2a22+6a32t+12a42t²+20a52t³。

可选的，所述a01、a11、a21、a31、a41、a51的解为：

a01＝θ01

其中θ01为手抓在起点时大臂部件与水平方向的夹角，θ1f为手抓在终点时大臂部件与水平方向的夹角，t1f为手抓从起点运动到终点时预设时间值。

可选的，所述a02、a12、a22、a32、a42、a52的解为：

a02＝θ02

其中θ02为手抓在起点时小臂部件与水平方向的夹角，θ2f为手抓在终点时小臂部件与水平方向的夹角，t2f为手抓从起点运动到终点时预设时间值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的拟人型炒茶机器人，在炒菜过程中，根据图像采集装置采集到的图像动态调整手抓的位置，可让茶叶均匀受热；另外，通过规划翻炒过程中大臂和小臂部件的角速度、角加速度和旋转角度的变化，使手抓在翻炒过程中动作平缓，完全仿造了人工茶叶杀青过程，避免了茶叶在杀青过程中的机械破损，提高了茶叶外观质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明拟人型炒茶机器人一实施例的结构示意图；

图2为本发明拟人型炒茶机器人一实施例中炒茶主体装置的结构示意图；

图3为本发明拟人型炒茶机器人一实施例中手抓的结构示意图；

图4为本发明利用所述拟人型炒茶机器人炒茶的方法一实施例的流程图；

图5为本发明拟人型炒茶机器人中炒锅的结构示意图；

图6为本发明机械臂翻炒过程的侧视图；

图7为本发明一实施例中图像采集装置采集到的炒锅图像；

图8为本发明另一实施例中图像采集装置采集到的炒锅图像。

附图标识：1控制柜；2炒茶主体装置；21肩部部件；22大臂部件；23小臂部件；24腕关节支座；2401上固定座；2402下固定座；2403电磁抱闸器；2404弹簧；2405旋转轴；25手抓；2501手掌部件；2502手指部件；26第一连接件；27第二连接件；28第二驱动装置；29第三驱动装置；3固定架；4炒锅；5棋盘格标识；6图像采集装置；7安装架；8第一驱动装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1～图3，本发明公开的拟人型炒茶机器人，主要包括控制柜1、炒茶主体装置2、设于所述炒茶主体装置2下方的炒锅4和用于固定所述炒茶主体装置2的固定架3，所述炒茶主体装置2包括肩部部件21和分别设于肩部部件21两端的机械臂，所述机械臂末端设有一用于炒茶的抓手，所述抓手设于所述炒锅4内，所述肩部部件21上设有一用于采集炒锅4图像的图像采集装置6；所述肩部部件21与所述固定架3的连接处设有用于控制所述肩部部件21旋转的第一驱动装置8，所述第一驱动装置8通过所述控制柜1控制。其中，固定架3可通过法兰盘与肩部部件21连接，第一驱动装置8通过驱动法兰盘的转动使肩部部件21在水平方向实现旋转；当炒锅4内的茶叶分别不均匀时，方便将机械臂移动到相应位置，如当炒锅4内的茶叶分布“8”字形状时，可将机械臂移动到“8”字的长轴位置。法兰盘可包括上法兰和下法兰，其中上法兰可通过安装架7固定在固定架3上，下法兰固定在肩部部件21，第一驱动装置8驱动上法兰的转动，从而使下法兰带动机械臂旋转。

其中，炒茶主体装置2和所述炒锅4均设于所述固定架3内，所述控制柜1固定在所述固定架3的上方，节约空间。

本发明拟人型炒茶机器人还包括一计算机，用于对图像采集装置6采集到的图像进行计算，并根据计算结果发送命令到控制柜1中对机械臂进行控制。其中，图像采集装置6可为相机。

进一步的，所述机械臂包括大臂部件22和小臂部件23，所述肩部部件21与所述大臂部件22的连接处设有用于控制大臂部件22在竖直方向上移动的第二驱动装置28，所述大臂部件22与所述小臂部件23之间设有用于控制小臂部件23在竖直方向上移动的第三驱动装置29，所述第二驱动装置28和所述第三驱动装置29通过所述控制柜1控制。其中，肩部部件21的两端分别设有第一固定孔，所述第二驱动装置28穿过所述第一固定孔通过第一连接件26与大臂部件22连接；大臂部件22末端也设有第二固定孔，所述第三驱动装置29穿过所述第二固定孔通过第二连接件27与小臂部件23连接。翻炒过程中，本发明通过控制大臂部件22和小臂部件23的运动，使手抓25沿着炒锅内壁曲线运动，使炒锅4底部茶叶可以及时翻炒，防止炒锅4锅底的茶叶与加热锅过长时间接触。其中，第一驱动装置8、第二驱动装置28和第三驱动装置29可为电机。

进一步的，所述手抓25与所述机械臂之间通过腕关节支座24连接，所述腕关节支座24内设有电磁抱闸器2403，所述电磁抱闸器2403通过旋转轴2405固定在所述腕关节支座24内，所述手抓25固定在所述旋转轴2405上；所述旋转轴2405上设有用于使手抓25保持在张力状态的弹簧2404。所述腕关节包括上固定座2401和下固定座2402，所述下固定座2402上设有一用于固定所述旋转轴2405的固定槽。上固定座2401和下固定座2402之间可通过卡扣固定或者螺栓固定。

翻炒过程中，当手抓25未与炒锅内壁接触时，由于受到旋转轴2405上弹簧2404的张力作用，手抓25保持外张状态；当手抓25沿着炒锅内壁曲线从接触边界运动到炒锅4锅底的过程中，在大臂部件22和小臂部件23的共同作用下，炒锅内壁对手抓25的压力大于弹簧2404的张力，使旋转轴2405发生旋转；当手抓25运动到炒锅4的最底部时，通过控制柜1的控制使电磁抱闸器2403断电，锁定旋转轴2405，进而使手抓25保持在锁死状态；在控制柜1的控制下，手抓25保持锁死状态上升到一定高度后完成抖动动作，完成一次翻炒；然后通过控制柜1使电磁抱闸器2403通电，使手抓25保持外张状态，继续进行下一次的翻炒。

其中，手抓25包括手掌部件2501和若干手指部件2502，便于翻炒之后抖动茶叶，使茶叶均匀分布。

上述实施例中，所述炒锅4的边缘设有一棋盘格标识5。图像采集装置6采集图像时，棋盘格标识5的位置作为参考位置，便于计算机判断炒锅4的锅底中心与炒茶主体装置2的中心是否对齐。若炒锅4的锅底中心与炒茶主体装置2的中心不对齐，机械臂在翻炒的过程中，由于左机械臂、右机械臂在锅中的位置不对称，可能会造成砸锅现场。

图4为本发明利用上述拟人型炒茶机器人炒茶的方法的流程图，包括以下步骤：

101，通过图像采集装置6采集炒锅图像，根据炒锅图像判断炒茶主体装置2的中心与炒锅4的锅底中心是否对齐；

本发明实施例中，设炒锅4相对于图像采集装置6的旋转平移矩阵r，则可定义：

其中棋盘格标识5中心在图像上的坐标为(w，r)，u是棋盘格标识5距离图像采集装置6的高度。以炒茶主体装置2的中心为原点建立笛卡尔坐标系，获取棋盘格标识5的中心坐标(x,y,z)，假设像素空间映射到笛卡尔坐标系中的转换因子为μ，对于x,y，则有x＝μ×r，y＝μ×w。

另外，设图像采集装置6在笛卡尔坐标系中的坐标为(x0,y0,z0)，则图像采集装置6的中心点与原点之间可以计算出一个固定的旋转平移矩阵r0，

设炒锅4的锅底中心在笛卡尔坐标系中的坐标为(x,y,z)，则炒锅4的锅底中心相对于原点的位置满足：

因此，当x＝x+x0且y＝y+y0时，则表示炒茶主体装置2的中心与炒锅4的锅底中心对齐。

若不对齐，则可手动调整炒锅4位置，直至x＝x+x0且y＝y+y0。

102，若对齐，则根据炒锅图像获取茶叶与炒锅内壁的接触边界，通过控制柜1控制所述炒茶主体装置2使手抓25移动到所述接触边界；

本发明实施例中，参阅图5，设接触边界的半径为r，炒锅4的端面半径为a，炒锅4的锅底中心与炒锅端面的距离为z，炒茶主体装置2的中心与炒锅端面的距离为c；以炒茶主体装置2的中心为原点建立笛卡尔坐标系，则炒锅4的其中两点坐标为a(-a,-c)、c(a,-c)，炒锅4的锅底中心坐标为b(0,-c-z)；由于本发明采用的炒锅4为半椭球型，因此其侧视图的炒锅内壁曲线满足方程f(x)＝p1+p2×x+p3×x²，根据a(-a,-c)、c(a,-c)和b(0,-c-z)这三点可确定该曲线方程。

已知接触边界的半径r，则根据曲线方程f(x)＝p1+p2×x+p3×x²可确定接触边界的其中一点坐标e为(r,f(r))；

通过控制柜1控制所述炒茶主体装置2使其中一手抓25移动到e点，此时抓手则位于所述接触边界。

103，通过控制柜1控制机械臂让手抓25对茶叶进行翻炒；

本发明实施例，手抓25在从接触边界运动到炒锅4最底部的过程中，手抓25始终沿着炒锅内壁曲线，手抓25与大臂部件22的连接点d也沿着炒锅内壁曲线运动，因此运动过程中d点坐标满足炒锅内壁的曲线方程f(x)＝p1+p2×x+p3×x²。参阅图6，设大臂部件22的长度为l1，小臂部件23的长度为l2，大臂部件22与水平方向的夹角为θ1、小臂部件23与水平方向的夹角为θ2，根据几何关系，可得运动学方程：

x＝l1cosθ1+l2cos(π-θ2)

y＝l1sinθ1+l2sin(π-θ2)

根据该运动方程可分别求出θ1、θ2表达式。

将笛卡尔坐标系向关节空间映射，可得变换矩为：

根据可知大臂部件22的角速度w1、小臂部件23的角速度w2。

为了使大臂部件22和小臂部件23在运动过程中动作较为平缓，而不至于动作生硬，因此，本实施例通过控制机械臂让手抓25对茶叶进行翻炒时，抓手从接触边界运动到炒锅4的锅底中心的过程中：大臂部件22的旋转角度满足五次样条函数；小臂部件23的旋转角度均满足五次样条函数

对于根据其约束条件：

θ01＝a01

其中θ01为手抓25在起点时大臂部件22与水平方向的夹角，θ1f为手抓25在终点时大臂部件22与水平方向的夹角，t1f为手抓25从起点运动到终点所需的时间。

可以求出a01、a11、a21、a31、a41、a51的解分别为：

a01＝θ01

由此，可进一步求出大臂部件22转动时的角加速度为α1为：

同理，对于根据其约束条件：

θ02＝a02

其中θ02为手抓25在起点时小臂部件23与水平方向的夹角，θ2f为手抓25在终点时小臂部件23与水平方向的夹角，t2f为手抓25从起点运动到终点所需的时间。

同样可以求出a02、a12、a22、a32、a42、a52的解分别为：

a02＝θ02

同理可进一步求出大臂部件22转动时的角加速度为α2为：

因此，通过控制机械臂让手抓25对茶叶进行翻炒时：

所述大臂部件22转动过程中，角速度为所述w1、角加速度为所述α1，大臂部件22的旋转角度满足五次样条函数

所述小臂部件23转动过程中，角速度为所述w2、角加速度为所述α2，小臂部件23的旋转角度满足五次样条函数

本发明通过在某段运动路径(手抓25从接触边界到炒锅4的锅底中心)的起始点(接触边界点)和终止点(炒锅4的锅底中心)，规定了关节位置、角速度和角加速度，使手抓25在炒菜过程中动作平缓过渡，使手抓25始终贴着炒锅内壁曲线进行翻炒。

手抓25在每一次翻炒过程中，接触边界发生变化，则大臂部件22及小臂部件23的五次样条函数均发生变化，保证手抓25的每一次翻炒均能沿着炒锅内壁曲线进行翻炒，且可平缓过渡，防止了茶叶的机械损伤。

104，翻炒过程中，控制柜1根据茶叶在炒锅4中的覆盖形状自动调整下一周期机械臂的位置。

本发明实施例中，关于具体调节过程可分为两种情况：

若接触边界的形状不是圆形时，则通过控制柜1控制炒茶主体装置2使机械臂旋转到茶叶覆盖形状的长轴方向上；

若接触边界的形状为圆形时，设翻炒前接触边界的半径为r1，经若干次翻炒后接触边界的半径为r2；若r1-r2≥2cm，则通过控制柜1控制机械臂使手抓25下沉至半径为r2的接触边界；若r1-r2<2cm，则手抓25停留在原来位置继续翻炒。

当茶叶在锅中均匀分布时，从炒锅图像中获取的茶叶曲线为近似圆的拟合曲线，如图7；随着炒茶作业的持续，茶叶在锅中的分布发生变化，从图像中获取的曲线也将发生变化，如图8，当获取的曲线变为椭圆时，第一驱动装置8驱动肩部部件21进行旋转，使机械臂由原来的mn位置移动到pq位置(即茶叶覆盖形状的长轴方向)继续翻炒，使茶叶重新在锅中均匀分布，均衡茶叶的受热程度。

翻炒过程中，茶叶会随着水分的蒸发其体积逐步减小，计算机从炒锅图像中获取的茶叶的近似圆的拟合曲线半径也变小，此时系统感知茶叶体积减小，下调轨迹起始点高度。本发明实施例中，根据茶叶在炒锅4中的覆盖形状自动调整下一次翻炒茶叶时机械臂的位置，提高拟人型炒菜机器人的炒菜效率，提高炒出的茶叶的质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。