一种基于绳驱动软体机械手的名优茶采摘装置

技术领域

本发明涉及一种农业机械，具体是基于绳驱动软体机械手的名优茶采摘装置。

背景技术

目前，大宗茶的采摘已基本实现机械化，而名优茶由于采摘要求苛刻，仍然主要依靠人工采摘；由于劳动力成本的上升，使得名优茶的生产成本不断上升。目前名优茶采摘机器人所采用的为刀片剪切式采摘方式，如CN202011023271.0所述的一种茶叶采摘机器人，其包括移动系统、吸力系统、修剪系统，其中修剪系统是底座，也是移动系统、吸力系统的安装平台，修剪系统的前端设置有多个剪刀类的锯口，可对茶叶进行修剪采摘。此种方式采摘名优茶时，刀片会挤压茶梗形成椭圆形切口，该切口不平整，存在大量毛刺，茶梗茎组织在折断点被撕裂，折断处内部也因挤压作用而受损，进而产生过量的组织液。采摘完毕后茶梗切口接触空气，断裂部分和内部受损组织被广泛氧化。相比之下，手工采摘是通过手指挤压茶梗进行采摘，茶梗的断裂部分是平坦且无毛刺的。经过相同的氧化时间后，手工采摘产生的断口氧化面积明显小于剪切式采摘切口中的氧化面积，对茶树的影响显著减小。此外，剪切方式的名优茶采摘机器人末端刀片尺寸较大，在采摘名优茶时容易剪切到目标嫩芽附近的老叶或者茶梗，对后续嫩芽的处理造成影响。因此，设计一种基于软体机械手的名优茶采摘装置，以便对名优茶进行快速采摘具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于绳驱动软体机械手的名优茶采摘装置，该装置能通过模仿人工采摘方式，实现对名优茶的快速精确采摘，以提高名优茶机械化采摘质量、减小对茶树生长的影响。

本发明提供的技术方案是：

一种基于绳驱动软体机械手的名优茶采摘装置，其特征在于：该装置包括连接采摘装置机械臂且装有安装板的连接架、固定在安装板上且电机轴上装有主动齿轮的驱动电机、定位在安装板上且与主动齿轮啮合的从动齿轮、固定在从动齿轮上的两个软体机械手指、固定在电机轴上且通过绳索驱动软体机械手的绳索固定件、固定在安装板上以采集茶叶的风机负压装置以及设置在风机负压装置吸风口的释放结构。

所述主动齿轮为不完全齿轮；所述从动齿轮通过安装轴可转动地定位在安装板上。

所述两个软体机械手指结构相同，每个软体机械手指包括通过片状的柔性件依次连接并且分别开设有两个绳孔的手指安装块、近指节、中指节、远指节；两根绳索的一端均固定于远指节，另一端相互平行地依次穿越过中指节、近指节以及手指安装块上的绳孔后再延伸至电机轴上的绳索固定件上进行固定，以在工作时实现两个软体机械手指的相向运动。

所述软体机械手指通过手指安装块相向而对地固定在从动齿轮上；近指节与中指节之间、中指节与远指节之间均通过柔性件连接，近指节背向中指节的一端固定在手指安装块上。

所述近指节、中指节、远指节中，两两部件之间相向而对的端面均制作成倾斜面从而形成的上大下小的台阶形空间，并且两两部件之间的空间依次减小，以在工作时实现不同指节的有序弯曲。

在非工作状态，所述手指安装块、近指节、中指节、远指节中两个绳孔的中心线形成的平面，与柔性件的平面具有间距，以在绳索拉动时作为指节弯曲的力臂。

所述软体机械手指的材料为橡胶，且表面粘结有类似于皮肤的橡胶套。

所述风机负压装置包括风机和风机连接板，风机为无刷电机驱动的大功率风机；所述释放结构包括位于风机进风口边缘的弧形突出，该弧形突出位于所述软体机械手指的转动轨迹上以使所述软体机械手指运动受阻变形后减小对茶叶嫩芽的夹持力。

所述绳索为微弹性绳索。

所述电机为伺服电机、步进电机或舵机。

本发明的有益效果是：

本发明提供的装置所采用的软体机械手具有模仿人手的采摘方式，能够最大程度地减少茶叶单芽的损伤和对茶树生长的影响，并且只采用一个电机和一个风机实现了茶叶单芽的采摘和采集，减轻了茶叶采摘装置的重量。所述软体机械手由绳索驱动，可以被动变刚度，增大了负载能力。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图。

图2是本发明实施例的立体结构示意图。

图3是本发明实施例中软体机械手指主视结构示意图。

图4是本发明实施例中软体机械手指的立体结构示意图。

图5是本发明实施例中绳索固定件的立体结构示意图。

图6是本发明实施例中风机进风口部位的放大结构示意图。

图7是本发明实施例中软体机械手指夹紧茶叶单芽时的工作状态示意图。

图8是本发明实施例中软体机械手指和被夹持的茶叶单芽运动到风机进风口的主视结构示意图。

图9是图8的左视方向示意图。

图10是本发明实施例中软体机械手指和被夹持的茶叶单芽运动到风机进风口时的立体结构示意图。

图中标号：连接架1、安装板2、从动齿轮3、主动齿轮4、软体机械手指5、近指节5-1、中指节5-2、远指节5-3、手指安装块5-6、第一柔性件5-4、第二柔性件5-5、绳索6、风机连接板7、风机负压装置8、驱动电机9、绳索固定件10、安装轴11、弧形突出12、茶叶单芽13。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

如图1和图2所示的基于绳驱动软体机械手的名优茶采摘装置，包括连接采摘装置机械臂且装有安装板的连接架1、固定在安装板2上且电机轴上装有主动齿轮4的驱动电机9、定位在安装板上且与主动齿轮啮合的从动齿轮3、固定在从动齿轮上的两个软体机械手指5、固定在电机轴上且通过绳索6驱动软体机械手的绳索固定件10、固定在安装板上以采集茶叶的风机负压装置8以及设置在风机负压装置吸风口用于释放被摘茶叶嫩芽的的释放结构。

所述连接架1通过T型滑块螺母连接在安装板2上；所述软体机械手5通过螺栓连接在从动齿轮3上；所述风机连接板7和驱动电机9均通过相应螺栓连接在安装板2上；所述主动齿轮4为不完全凸台直齿轮，通过顶紧螺丝固定在驱动电机9的电机轴上；所述从动齿轮3(由图可知是内齿轮)通过配套的轴承连接在安装轴11上并且与主动齿轮啮合，安装轴则固定于安装板上且垂直于安装板布置。主动齿轮与从动齿轮未啮合时，从动齿轮不跟随主动齿轮一起转动；主动齿轮与从动齿轮啮合时，从动齿轮跟随主动齿轮一起顺时针转动。

如图3和图4所示的两个软体机械手指5结构相同，均包括近指节5-1、中指节5-2、远指节5-3、手指安装块5-6、柔性件5-4和5-5以及驱动绳索6，并且通过手指安装块相向而对地固定在从动齿轮上。近指节5-1、中指节5-2之间通过片状的第一柔性件(例如弹簧钢片)连接，中指节5-2、远指节5-3之间通过片状的第二柔性件(例如弹簧钢片)连接；其中第一柔性件5-4较短，第二柔性件5-5较长。每个指节都进行合适的倒角和圆角处理，大小和形状和人手相似；并且每个指节分别开设有两个绳孔，以便绳索6(所述绳索优选微弹性绳索)穿过进行驱动。两根绳索相互平行布置，并且一端均固定于远指节，另一端依次穿越过中指节、近指节以及手指安装块5-6上的绳孔后再延伸至电机轴上的绳索固定件10上进行固定(绳索固定件内开有相应的通孔，绳索穿过通孔后，再通过顶紧螺丝对绳索进行固定)，以在工作时实现两个软体机械手指的相向运动。近指节背向中指节的一端固定在手指安装块上，手指安装块上还开有螺栓孔，以便和从动齿轮进行螺栓连接。

由图3可知：所述近指节5-1、中指节5-2、远指节5-3中，两两部件之间相向而对的端面均制作成倾斜面从而形成的上大下小的台阶形空间，并且两两部件之间的空间依次减小，以在工作时实现不同指节的有序弯曲。

在非工作状态，所述手指安装块5-6、近指节5-1、中指节5-2、远指节5-3中两个绳孔的中心线形成的平面，与柔性件的平面具有间距，该间距就是绳索拉动时使得指节弯曲的力臂；而第一柔性件5-4和第二柔性件5-5因为具有柔性能够进行弯曲，从而带动相应的指节一起发生运动。因为第一柔性件较短，在绳索6的拉动过程中，近指节5-1和中指节5-2会首先发生接触，即软体手指的有效弯曲长度变短，弯曲刚度变大，继续拉动绳索，中指节和远指节5-3会发生接触，软体手指驱动完成，达到可以夹紧茶叶单芽的程度。在软体手指的弯曲过程中，近指节和中指节首先发生接触，中指节和远指节后发生接触，逐渐实现变刚度，所以该软体手指可以承受较大负载，满足了茶叶采摘的运动和力学要求。

由图6可知：所述风机负压装置包括风机连接板7和通过风机连接板固定在安装板上的风机，风机为无刷电机驱动的大功率风机(为强力真空马达吸尘器配套用的风机)；所述释放结构包括位于风机进风口边缘的弧形突出12，该弧形突出的左侧垂直于轴线，右侧是斜边，布设于所述软体机械手指的转动轨迹(作为优选，风机进风口轴线垂直于转动轨迹)上；当从动齿轮顺时针转动后带动两个软体机械手指顺时针摆动；其中左侧的软体机械手指受到弧形突出的斜边阻挡被迫变形(在风机进风口的轴线方向变形)，使得两个软体机械手指的夹持部位在风机进风口的轴线方向错开一定距离，进而减小了对所携带的茶叶嫩芽的夹持力，该茶叶嫩芽就在负压作用下脱离软体机械手指吸入进风口。

本发明的工作原理是：

(1)如图1所示，软体机械手指处于张开状态；

(2)整个茶叶采摘装置通过机械臂定位到要采摘的茶叶单芽13上方，然后驱动电机9开始工作，带动绳索6进行顺时针旋转，从而驱动两个软体机械手指5相向弯曲并夹紧茶叶单芽，以模仿人手挤压茶梗，如图6所示。由于主动齿轮4为不完全齿轮，所以该过程主动齿轮4并未和从动齿轮3啮合。

(3)当软体机械手指夹紧茶叶单芽后，主动齿轮开始和从动齿轮啮合，从而带动两个软体机械手指快速顺时针旋转，茶叶单芽由于持续受力会被拉断，而软体机械手指带着茶叶单芽继续旋转，快速运动到风机安装装置8的进风口，其中左侧的软体机械手指受到弧形突出12的顶压而往进风口的轴向方向变形，如图8和图9所示。

(4)由于左侧的软体机械手指5被挤压变形，对茶叶单芽的夹紧力变小，此时风机负压装置8的风机启动使得进风口呈现负压状态，茶叶单芽13被负压吸收进入进风口，完成茶叶单芽的采摘；随后驱动电机反转，主动齿轮也带动从动齿轮反向转动，使得从动齿轮与弧形突出脱离并且返回初始状态；一个茶叶单芽采摘动作结束。反复以上采摘动作，茶叶单芽采摘连续进行。

综上，本发明的优点在于：

(1)结构简单，只需要一个电机和一个风机就能实现茶叶单芽的精准无伤采摘；

(2)软体机械手指由橡胶材料制作，可以很好地与抓取目标茶叶单芽贴合，最大程度做到无损伤采摘；

(3)软体机械手指在驱动过程中可以被动变刚度，提升了其负载能力，达到了采摘茶叶所需的负载要求。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施方式，但是本发明不限于以上实施方式，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。