一种带暂存盒的旋转式名优茶采摘机械手及其采茶方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种带暂存盒的旋转式名优茶采摘机械手及其采茶方法。

背景技术

采摘名优茶时既要保证采摘效率，又要保证采摘精确度。现有的名优茶采摘末端根据视觉识别结果对茶叶嫩芽进行采摘来保证采摘精确度。但有些机械爪采摘下嫩芽后先移动到收集箱进行收集，然后再次定位进行采摘，工作效率较低。目前的名优茶采摘末端也有利用负压吸附直接对采摘的茶叶进行收集，但负压装置结构复杂，且能耗高。因此需要对采摘末端进行优化设计，设计一种结构简单、能耗低、工作效率高的采摘末端。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术不足，提出一种带暂存盒的旋转式名优茶采摘机械手及其采茶方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种带暂存盒的旋转式名优茶采摘机械手，包括末端执行器、暂存装置、安装板、凸轮、固定轴、空心轴和动力装置。所述动力装置包括连接板、直流电机一、齿轮一和齿轮二；所述直流电机一的壳体固定在连接板上，直流电机一的输出轴上固定有齿轮二；齿轮一固定在空心轴上，且与齿轮二啮合，构成齿轮副；所述空心轴通过轴承支承在固定轴上，并与安装板固定；固定轴穿过空心轴和安装板开设的中心孔，一端与连接板固定，另一端与暂存装置中的暂存盒固定；凸轮空套在空心轴上，并通过连接杆与连接板固定；安装板的两端设有关于安装板的转动中心对称的两个末端执行器。

所述末端执行器包括滚子、圆柱形连杆、连接件、支承块、滑块、连杆、滑轨、弹簧、刀具安装架、底板、刀片和硅胶半球。所述滚子铰接在圆柱形连杆的一端，并与凸轮构成凸轮副；圆柱形连杆的另一端与支承块固定；滑块固定在支承块上，并与固定在安装板上的滑轨构成滑动副；滑轨上固定有底板，且弹簧的两端与滑块和底板分别固定；所述支承块对称铰接有两根连杆，且两根连杆与两根刀具安装架的中部分别铰接；两根刀具安装架的一端与对称固定在安装板上的两个连接件分别铰接，另一端与两个刀片的刀柄分别固定；两个刀片的刀头内侧均固定有硅胶半球；所述硅胶半球内远离刀片刀刃的一端设有一体成型的半锥形硅胶挡板；末端执行器处于最高位置时，滚子位于凸轮的推程段终点位置，两个刀片位于暂存装置的暂存盒上方，末端执行器处于最低位置时，滚子位于凸轮的回程段终点位置。其中，弹簧始终处于压缩状态；当两个刀片做剪切动作时，两个硅胶半球合并成一个完整的硅胶空心球。

所述暂存装置包括暂存盒、销轴和端盖板；所述暂存盒两端开设有开口；固定在端盖板上的销轴与暂存盒的下端构成转动副，且销轴与固定在暂存盒上的直流电机二的输出轴固定。初始状态下端盖板盖住暂存盒下端的开口。

优选地，所述圆柱形连杆通过螺栓和螺母与支承块固定。

优选地，所述连杆通过销钉一与支承块铰接。

更优选地，所述连杆通过销钉二与刀具安装架铰接。

优选地，所述滑轨上固定有限位块。

优选地，所述销轴上套置有扭簧，扭簧的两端与暂存盒和端盖板分别固定。

优选地，所述固定轴通过法兰与暂存盒固定。

优选地，所述直流电机一的转速设计过程如下：

刀片刀刃上的E点角速度ω

其中，v

由于刀具安装架与连杆的铰接中心C点的角速度与E点的角速度ω

其中：l

建立D点到连杆与支承块的铰接中心B点的向量

以D点为原点，建立直角坐标系xDy，其中，y轴平行于滑块移动方向，x轴垂直于y轴且平行于安装板的旋转平面，得到如下坐标方程：

其中，l

对式(4)求导，得C点的x向速度

其中，

设计滚子在凸轮的回程段时有：b≤θ

根据式(5)，得C点的合速度v

其中，T为滚子与凸轮回程段的作用时间；

由于

则有

求得

两个刀片的刀刃采摘名优茶时应当满足急速闭合的要求，因此设刀片刀刃上E点的线速度v

本发明一种带暂存盒的旋转式名优茶采摘机械手的采茶方法，具体如下：

将连接板与外部移动装置固定；外部移动装置带动连接板使安装板移动至目标茶叶上方的过程中，控制器控制直流电机一工作，直流电机一通过齿轮副和空心轴带动安装板转动，进而带动各末端执行器作圆周运动。当安装板移动至目标茶叶上方时，其中一个末端执行器随安装板转动至下端，另一个末端执行器随安装板转动至上端；下端的末端执行器中，滚子随安装板的转动运动至凸轮的回程段，同时在弹簧的回复力作用下，滑块带动支承块、圆柱形连杆和滚子沿着滑轨向上运动，进而通过两根连杆带动两个刀具安装架相向运动，使两个刀片相向运动做剪切动作，两个刀片合并时将茶叶剪切下来，此时茶叶处于两个硅胶半球组成的硅胶空心球内，完成对茶叶的采摘。当下端的末端执行器携带茶叶随安装板转动至上端时，该末端执行器中的滚子随安装板的转动运动至凸轮的推程段，滚子通过圆柱形连杆带动支承块和滑块沿着滑轨向上运动，进而通过两根连杆带动两个刀具安装架相背运动，使两个刀片相背运动，两个硅胶半球打开，茶叶受自身重力的作用，沿着半锥形硅胶挡板滑落至暂存盒中，完成对茶叶的暂存。当暂存盒中存入足够的茶叶时，外部移动装置带动连接板使暂存盒移动至收集筐上方，接着控制器控制直流电机二转动，进而通过销轴带动端盖板转动，暂存盒下端的开口打开，茶叶在自身重力的作用下落入收集筐中，然后控制器控制直流电机二转动，端盖板转动至初始位置，盖住暂存盒下端的开口，此时完成对茶叶的收集。

其中，携带茶叶的末端执行器随着安装板的转动带动相应的滚子在凸轮的近休止段运动时，该末端执行器上的两个刀片以及两个硅胶半球始终处于合并状态；结束暂存茶叶的末端执行器随着安装板的转动带动相应的滚子在凸轮的远休止段运动时，这个末端执行器中的两个刀片以及两个硅胶半球始终处于分离状态。

本发明的有益效果如下：

本发明中安装板一侧的两端均设有末端执行器，另一侧设有暂存装置，工作过程中直流电机一通过齿轮副带动两个末端执行器随安装板旋转，其中一个末端执行器在下端完成采摘工作时，另一个末端执行器携带采摘的茶叶旋转至上端并将茶叶放入暂存装置中，该过程中茶叶的采摘和存放只需要一个动力，且两个末端执行器采用旋转式交替工作，采摘和存放效率均很高。其中，末端执行器存放茶叶时，滚子运动至凸轮的推程段，然后经圆柱形连杆带动支承块和滑块上移，进而通过两根连杆经两个刀具安装架带动两个刀片相背运动，茶叶在自身重力作用下落入暂存装置中，避免使用结构复杂、能耗高的负压装置；末端执行器采摘茶叶时，滚子运动至凸轮的回程段，在弹簧回复力的作用下，滑块带动支承块、圆柱形连杆和滚子上移，进而通过两根连杆经两个刀具安装架带动两个刀片相向运动进行采摘茶叶；进一步，末端执行器采摘茶叶时，通过设计直流电机一的转速并配合凸轮，使刀片刀刃上点的线速度达到合适数值，避免通过拉扯的方式采摘下茶叶，最大程度上减少采摘时对茶叶的损害。另外，本发明设置的暂存装置对茶叶进行暂时存储，进一步的提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明拆卸动力装置后的结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明中末端执行器的结构示意图；

图4为本发明中固定轴和暂存装置的结构示意图一；

图5为本发明中固定轴和暂存装置的结构示意图二；

图6为本发明的工作示意图一；

图7为本发明的工作示意图二；

图8为本发明中末端执行器采摘茶叶时的示意图；

图9为图8的侧视图；

图10为本发明中末端执行器存放茶叶时的示意图；

图11为图10的侧视图；

图12为本发明中末端执行器的机构运动简图；

图13为本发明中末端执行器的运动解析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1和图2所示，一种带暂存盒的旋转式名优茶采摘机械手包括末端执行器1、暂存装置2、安装板3、凸轮4、固定轴5、空心轴6和动力装置。动力装置包括连接板7-1、直流电机一7-2、齿轮一7-3和齿轮二7_4；直流电机一7-2的壳体固定在连接板7-1上，直流电机一7-2的输出轴上固定有齿轮二7_4；齿轮一7-3固定在空心轴6上，且与齿轮二7_4啮合，构成齿轮副；空心轴6通过轴承支承在固定轴5上，并与安装板3固定；固定轴5穿过空心轴6和安装板3开设的中心孔，一端与连接板7-1固定，另一端与暂存装置2中的暂存盒2-1固定；凸轮4空套在空心轴6上，并通过连接杆7-5与连接板7-1固定；安装板3的两端设有关于安装板3的转动中心对称的两个末端执行器1。

如图3所示，末端执行器1包括滚子1-1、圆柱形连杆1-2、连接件1-3、支承块1-5、滑块1-7、连杆1-8、滑轨1-10、弹簧1-11、刀具安装架1-12、底板1-13、刀片1-14和硅胶半球1-15。滚子1-1铰接在圆柱形连杆1-2的一端，并与凸轮4构成凸轮副；圆柱形连杆1-2的另一端与支承块1-5固定；滑块1-7固定在支承块1-5上，并与固定在安装板3上的滑轨1-10构成滑动副；滑轨1-10上固定有底板1-13，且弹簧1-11的两端与滑块1-7和底板1-13分别固定；支承块1-5对称铰接有两根连杆1-8，且两根连杆1-8与两根刀具安装架1-12的中部分别铰接；两根刀具安装架1-12的一端与对称固定在安装板3上的两个连接件1-3分别铰接，另一端与两个刀片1-14的刀柄分别固定；两个刀片1-14的刀头内侧均固定有硅胶半球1-15；硅胶半球1-14内远离刀片1-14刀刃的一端设有一体成型的半锥形硅胶挡板，如图1所示，保证茶叶能够沿半锥形硅胶挡板更顺利滑落；末端执行器1处于最高位置时，滚子1-1位于凸轮4的推程段终点位置，两个刀片1-14位于暂存装置2的暂存盒2-1上方，末端执行器1处于最低位置时，滚子1-1位于凸轮4的回程段终点位置。其中，弹簧1-11始终处于压缩状态；当两个刀片1-13做剪切动作时，两个硅胶半球1-15合并成一个完整的硅胶空心球。

如图4所示，暂存装置2包括暂存盒2-1、销轴2-3和端盖板2_4；暂存盒2-1两端开设有开口；固定在端盖板2-4上的销轴2-3与暂存盒2-1的下端构成转动副，且销轴2-3与固定在暂存盒2-1上的直流电机二的输出轴固定。初始状态下端盖板2_4盖住暂存盒2-1下端的开口。

其中，直流电机一和直流电机二均由控制器控制。

作为一个优选实施例，圆柱形连杆1-2通过螺栓1_4和螺母与支承块1-5固定。

作为一个优选实施例，连杆1-8通过销钉一1-6与支承块1-5铰接。

作为一个优选实施例，连杆1-8通过销钉二1-9与刀具安装架1-12铰接。

作为一个优选实施例，滑轨1-10上固定有限位块，限位块控制滑块1-7在滑轨1-10上一定范围内上下滑动。

作为一个优选实施例，销轴2-3上套置有扭簧2-2，扭簧2-2的两端与暂存盒2-1和端盖板2_4分别固定。

作为一个优选实施例，如图5所示，固定轴5通过法兰5-1与暂存盒2-1固定。

作为一个优选实施例，直流电机一7-2的转速设计过程如下：

如图12所示，刀片1-14刀刃上的E点角速度ω

其中，v

由于刀具安装架1-12与连杆1-8的铰接中心C点的角速度与E点的角速度ω

v

其中：l

建立D点到连杆1-8与支承块1-5的铰接中心B点的向量

如图13所示，以D点为原点，建立直角坐标系xDy，其中，y轴平行于滑块1-7移动方向，x轴垂直于y轴且平行于安装板3的旋转平面，得到如下坐标方程：

其中，l

对式(4)求导，得C点的x向速度

其中，

滚子1-1(转动中心为A点)沿y向移动的位移大小与凸轮4的轮廓线有关，也与安装板3相对凸轮4的转角大小有关。实际采摘过程中，采摘一颗茶叶嫩芽的时间一般要求在1秒以内，因茶叶的质量较轻，所受冲击不能过大，且为了适应高速轻载的场合，滚子1-1的运动规律选为正弦加速度运动规律。

设计滚子在凸轮4的回程段时有：b≤θ

根据式(5)，得C点的合速度v

/>

其中，T为滚子1-1与凸轮4回程段的作用时间；

由于

则有

求得

两个刀片1-14的刀刃采摘名优茶时应当满足急速闭合的要求，从而快速剪断茶叶，避免通过拉扯的方式采摘下茶叶，因此设计刀片1-14刀刃上E点的线速度v

本发明一种带暂存盒的旋转式名优茶采摘机械手的采茶方法，具体如下：

将连接板7-1与外部移动装置固定；外部移动装置带动连接板7-1使安装板3移动至目标茶叶上方的过程中，控制器控制直流电机一7-2工作，直流电机一7-2通过齿轮副和空心轴6带动安装板3转动，进而带动各末端执行器1作圆周运动。当安装板3移动至目标茶叶上方时，其中一个末端执行器1随安装板3转动至下端，另一个末端执行器1随安装板3转动至上端；下端的末端执行器1中，滚子1-1随安装板3的转动运动至凸轮4的回程段，同时在弹簧1-11的回复力作用下，滑块1-7带动支承块1-5、圆柱形连杆1-2和滚子1-1沿着滑轨1-10向上运动，进而通过两根连杆1-8带动两个刀具安装架1-12相向运动，使两个刀片1-14相向运动做剪切动作，两个刀片1-14合并时将茶叶剪切下来，如图8和图9所示，此时茶叶处于两个硅胶半球1-15组成的硅胶空心球内，完成对茶叶的采摘。当下端的末端执行器1携带茶叶随安装板3转动至上端时，该末端执行器1中的滚子1-1随安装板3的转动运动至凸轮4的推程段，滚子1-1通过圆柱形连杆1-2带动支承块1-5和滑块1-7沿着滑轨1-10向上运动，进而通过两根连杆1-8带动两个刀具安装架1-12相背运动，使两个刀片1-14相背运动，两个硅胶半球1-15打开，如图10和图11所示，茶叶受自身重力的作用，沿着半锥形硅胶挡板滑落至暂存盒2-1中，完成对茶叶的暂存。当暂存盒2-1中存入足够的茶叶(可以人为判断，或在端盖板2-4上安装重量传感器，通过重量传感器传给控制器的信号来识别茶叶重量)时，外部移动装置带动连接板7-1使暂存盒2-1移动至收集筐上方，接着控制器控制直流电机二转动，进而通过销轴2-3带动端盖板2-4转动，暂存盒2-1下端的开口打开，茶叶在自身重力的作用下落入收集筐中，然后控制器控制直流电机二转动，端盖板2-4转动至初始位置，盖住暂存盒2-1下端的开口，此时完成对茶叶的收集。

其中，如图6和图7所示，携带茶叶的末端执行器1随着安装板3的转动带动相应的滚子1-1在凸轮4的近休止段运动时，该末端执行器1上的两个刀片1-14以及两个硅胶半球1-15始终处于合并状态，阻止茶叶掉落；结束暂存茶叶的末端执行器1随着安装板3的转动带动相应的滚子1-1在凸轮4的远休止段运动时，这个末端执行器1中的两个刀片1-14以及两个硅胶半球1-15始终处于分离状态，为下一次的采摘工作做准备。