CN211322100U - 一种智能采茶机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能采茶机器人，其包括行进平台、下机箱、上机箱、采摘机械手及数据采集装置，行进平台带动机器人沿不同地形进行移动；下机箱设于行进平台上，下机箱内设有电源装置、驱动装置及控制装置，驱动装置用于驱动行进平台和采摘机械手工作，控制装置用于控制整机工作；上机箱内设有称重装置，称重装置上设有收集箱；采摘机械手能够不间断地对茶树进行相同或不同等级茶叶的采摘，并将各自采摘的茶叶分别输送至收集箱；数据采集装置与控制装置相连。本实用新型可以根据茶叶品种和等级按标准进行采摘，解决人工采摘存在的缺陷，同时，两个采摘机械手能够独立、不间断地采摘茶叶，极大地提高了采茶的效率。

Description

一种智能采茶机器人

技术领域

本实用新型涉及农业机械技术领域，具体涉及一种智能采茶机器人。

背景技术

茶叶通常集中在春秋两季大量产出，且采摘具有极强的季节性和时令性，尤其是春茶，若鲜叶无法及时采摘，会对成品茶的质量产生极大影响，目前茶叶主要的采摘方式包括两种，一是依靠人工进行采摘，二是使用采茶设备。

对于依靠人工采摘茶叶的方式，近年来，人工采摘茶叶的工钱逐年增长，尤其是春茶茶季，经常无法请到足够的采茶工，往往造成错过采摘茶叶的最佳时间，致使许多优质茶叶留在茶树上变老，而随着人工成本的提高，失采严重、成本持续走高的问题更加突出。同时，人工采摘不仅存在效率低下的问题，目前五六个采茶工的日采摘量仅有四十至六十公斤，效率极低，且人工采茶的随意性很强，所采摘的茶叶极不标准，还需返回加工厂人工再挑拣一道，无形中又增加成本，而且在支付工资方面，茶园主也极为为难，若按斤数支付工资，则会发生野蛮采摘伤树的行为，若日付工资，虽可起到保护茶树的目的，但日采摘量无法保证。

虽然使用采茶设备可以在很大程度上缓解“采工荒”的问题，可以解决依靠人工采茶存在的缺陷，但其仍存在以下不足：

(1)目前很多采茶机的工作原理与园林修剪机类似，但其工作时不分新叶老叶一刀切下，不仅无法分辨所采摘的是单芽、一芽一叶、一芽二叶、一芽三四叶或老叶，一致性极差，如果采茶完后不进行分拣，各种级别的茶叶彼此混杂在一起，极大地降低了茶叶的品质，而若后期进行分拣，无疑又增加了成本，而且这种一刀切的方式，对茶树的伤害较大，影响茶树之后的产量，甚至会影响茶树的成长。

(2)目前虽然也有少部分采茶机能够实现分类采摘，避免增加后期分拣的人工成本，但这些采茶机的工作方式为往返式，即采摘头在茶树上完成识别、采摘后，采摘头连同摘下的茶叶一起移动至收集箱卸料后再返回原处继续采摘，这种采摘方式存在效率低下的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种智能采茶机器人，其可以根据茶叶品种和等级按标准进行采摘，解决人工采摘存在的缺陷，且两个采摘机械手能够独立、不间断地采摘茶叶，极大地提高了采茶效率。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种智能采茶机器人，包括行进平台、下机箱、上机箱、采摘机械手及数据采集装置，其中：

所述行进平台带动机器人沿不同地形进行移动；

所述下机箱设于行进平台上，所述下机箱内设有电源装置、驱动装置及控制装置，所述电源装置为整机供电，所述驱动装置用于驱动所述行进平台和采摘机械手工作，所述控制装置用于控制整机工作；

所述上机箱设于下机箱上方，所述上机箱内设有称重装置，所述称重装置与控制装置相连，所述称重装置上设有用于收集不同类别茶叶的收集箱；

所述采摘机械手设于上机箱的两侧，两侧的采摘机械手各自独立动作，并能够不间断地对茶树进行相同或不同等级茶叶的采摘，并将各自采摘的茶叶分别输送至所述收集箱；

所述数据采集装置与控制装置相连，用于采集茶园环境、各棵茶树的信息以及对每棵茶树茶叶进行识别，并将采集的数据存储于所述控制装置中。

优选地，所述采摘机械手包括仿生机械臂、往复式旋转软链、软质物料导槽、夹持机构、压力传感器及切刀，所述仿生机械臂可向各个方向转动，且其为中空结构，所述仿生机械臂的端部可自由旋转，所述软链、夹持机构、压力传感器及切刀均与所述控制装置相连，所述软链设于仿生机械臂前端内部，所述物料导槽的一端与软链的后端相对应、另一端通入所述收集箱，所述软链上间隔设置有若干个夹持机构，且所述夹持机构可依次随软链旋转伸出仿生机械臂，每一所述夹持机构的内侧设有压力传感器，所述切刀设于仿生机械臂的悬空端，并对所述夹持机构夹住的茶叶进行切割，所述夹持机构夹住茶叶后依次随软链旋转至物料导槽后松开。

优选地，所述数据采集装置包括设于上机箱顶部的GPS定位装置和环境识别装置以及设于仿生机械臂上的茶叶识别装置，所述GPS定位装置、环境识别装置及茶叶识别装置均与所述控制装置相连，所述GPS定位装置用于对茶树和管理员的定位，所述环境识别装置用于茶树、茶树环境、环境地形的识别，所述茶叶识别装置用于识别各类级的茶叶。

优选地，所述上机箱为前侧开口的中空箱体，箱体开口通过一斜坡式箱门封闭，所述箱门打开后，所述收集箱可沿着箱门滑出，所述收集箱被分隔成两个收集仓，两个所述收集仓的底部分别设有称重装置，所述收集仓上设有红外容量感应器和温湿度计，所述收集仓上方设有风扇，所述红外容量感应器、温湿度计及风扇均与所述控制装置相连。

优选地，所述上机箱的顶部设有一组收集盒，所述收集盒用于收集茶叶识别装置无法识别的病变茶叶。

优选地，还包括升降装置，所述升降装置与控制装置相连，用于控制所述上机箱进行升降，以使所述采摘机械手适应茶树的高度。

优选地，所述行进平台包括履带轮、仿生腿及水平仪，根据所述环境识别装置识别的环境地形，所述控制装置控制履带轮和仿生腿进行切换运动，以实现机器人在平地时进行平动、在坡地时进行跨步动作，所述水平仪与控制装置相连，用于检测机器人在行进时的平衡状态。

采用上述技术方案后，本实用新型与背景技术相比，具有如下优点：

1、本实用新型通过数据采集装置采集茶树和茶叶信息，使采摘机械手对待采茶叶进行准确定位并采摘，实现根据茶叶品种和等级按标准进行采摘，解决人工采摘存在的缺陷，同时，两个采摘机械手能够独立、不间断地采摘茶叶，极大地提高了采茶的效率。

2、本实用新型根据环境识别装置采集茶的树环境和环境地形图像，可以通过升降装置控制上机箱进行升降，使采摘机械手适应茶树的高度，可以同时实现在高乔木类茶树和灌木类茶树上的采摘使用，也可以通过切换履带轮和仿生腿的运动状态来实现机器人在不同地形上行走，极大地提高了采茶机器人的实用性。

附图说明

图1为本实用新型的立体图(平动状态)；

图2为本实用新型的立体图(跨步状态)；

图3为本实用新型的原理框图；

图4为本实用新型拆下箱门和控制面板后的示意图；

图5为采摘机械手的结构示意图；

图6为机器人采摘区域及相应茶树的采摘数据示意图。

附图标记说明：

1.行进平台，11.履带轮，12.仿生腿；

2.下机箱，21.电源装置，22.驱动装置，23.控制装置，231.控制面板；

3.升降装置；

4.上机箱，41.收集箱，42.收集盒，43.箱门；

5.采摘机械手，51.仿生机械臂，52.软链，53.物料导槽，54.夹持机构， 55.压力传感器，56.切刀；

61.GPS定位装置，62.环境识别装置，63.茶叶识别装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型中需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“竖直”“水平”“内”“外”等均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示本实用新型的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例

配合图1和图2所示，本实用新型公开了一种智能采茶机器人，包括行进平台1、下机箱2、升降装置3、上机箱4、采摘机械手5及数据采集装置。

配合图1、图3及图4所示，下机箱2设于行进平台1上，下机箱2内设有电源装置21、驱动装置22及控制装置23，电源装置21为整机供电，在本实施例中，电源装置21采用可更换的锂电池，驱动装置22用于驱动行进平台1和采摘机械手5工作，在本实施例中，驱动装置22可以采用现有的液压、气压、电动装置来实现驱动，控制装置23用于控制整机工作，控制装置23 包括控制面板231、中央控制系统和与中央控制系统相连的驱动控制子系统、数据管理子系统、图像处理子系统及通信模块。通信模块可以实现机器人与远程控制终端的连接，使管理员既可以在机器人上进行操作控制，也可以通过控制终端(站点或移动端)进行操作管理，还可以通过通信模块将数据管理子系统中的数据统一发送至后台中央控制器。

配合图2和图3所示，行进平台1带动机器人沿不同地形进行移动，行进平台1包括履带轮11、仿生腿12及水平仪，根据环境识别装置61识别的环境地形，驱动控制子系统控制履带轮11和仿生腿12进行切换运动，以实现机器人在平地时进行平动、在坡地时进行跨步动作，水平仪与中央控制系统相连，用于检测机器人在行进时的平衡状态，避免机器人发生倾覆，也可以保证茶叶称重的准确性，在本实施例中，履带轮11和仿生腿12的具体设计可以采用现有结构，只要能实现相应功能即可。

配合图3和图4所示，上机箱4设于下机箱上方，上机箱4内设有称重装置，称重装置与中央控制系统相连，称重装置上设有用于收集不同类别茶叶的收集箱41，称重装置在单棵茶树采摘完或收集箱41满仓时启动工作。升降装置3与驱动控制子系统相连，用于控制上机箱4进行升降，以使采摘机械手5适应茶树的高度，在本实施例中，升降装置3采用电动升降螺杆，环境识别装置61将当前数据传送给图像处理子系统，图像处理子系统对所采集到的数据进行分析，判断茶树高度及宽幅，并通过中央控制系统控制升降装置3，以将上机箱4升降至适合采摘机械手5采茶的高度。

配合图3至图5所示，采摘机械手5设于上机箱4的两侧，两侧的采摘机械手5各自独立动作，并能够不间断地对茶树进行相同或不同等级茶叶的采摘，并将各自采摘的茶叶分别输送至收集箱41，如设置两个采摘机械手5 均采摘芽头，或其中一个采摘芽头、另一个采摘二叶或三叶。

采摘机械手5包括仿生机械臂51、往复式旋转软链52、软质物料导槽53、夹持机构54、压力传感器55及切刀56，仿生机械臂51可向各个方向转动，且其为中空结构，仿生机械臂51的端部可自由旋转，在本实施例中，仿生机械臂51的结构可以参照现有机器人的手臂进行设计，软链52、夹持机构54、压力传感器55及切刀56均与驱动控制子系统相连。软链52设于仿生机械臂 51前端内部，并可进行往复式旋转，物料导槽53的一端与软链52的后端相对应、另一端通入收集箱41，软链52上间隔设置有若干个夹持机构54，且夹持机构54可依次随软链52旋转伸出仿生机械臂51，每一夹持机构54的内侧设有压力传感器55，切刀56设于仿生机械臂51的悬空端，并对夹持机构 54夹住的茶叶进行切割，夹持机构54夹住茶叶后依次随软链52旋转至物料导槽53后松开。在本实施例中，夹持机构54可采用气动或电动夹指的结构，切刀56可采用往复式结构，它们均为现有技术，故本实施例不再赘述。

茶叶识别装置63设于可自由旋转的仿生机械臂51端部，根据设定所需采摘茶叶的等级，茶叶识别装置63采集的图像经图像处理子系统处理后反馈给中央控制系统，中央控制系统对驱动控制子系统下达采摘指令，驱动控制子系统控制仿生机械臂51调整至合适的采摘位置，使软链52上的夹持机构 54精准夹住所采茶叶，压力传感器55感应信号后，切刀56对夹取的茶叶进行切割，夹切下来的茶叶随软链52旋转至物料导槽53后松开，落入收集箱 41中，同时，软链52旋转使另一夹持机构54伸出仿生机械臂51，茶叶识别装置63捕捉下一片茶叶，并引导仿生机械臂51伸向下一片茶叶，准备下一次夹切茶叶。

上机箱4的顶部设有一组收集盒42，收集盒42用于收集茶叶识别装置 63无法识别的病变茶叶。当图像识别模块识别出与预存数据中病虫害图像数据相似或不同的病变叶面时，结果输出模块生成示警指令，并通过采摘机械手5采摘病变茶叶送至收集盒42。

上机箱4为前侧开口的中空箱体，且箱体为镂空状，利于茶叶散热，箱体开口通过一斜坡式箱门43封闭，箱门43打开后，收集箱41可沿着箱门43 滑出，收集箱41被分隔成两个收集仓，两个收集仓的底部分别设有称重装置，收集仓上设有红外容量感应器和温湿度计，收集仓上方设有风扇，红外容量感应器、温湿度计及风扇(图中均未示出)均与中央控制系统相连。当红外容量感应器感应到收集仓中收集的茶叶高度达到预警值时，向中央控制系统发出满仓信号，以停止机器人的采茶工作。高品质的茶叶在采摘过程中就需要进行摊凉，通过温湿度计和风扇可以降低茶叶表面温度，避免茶叶叶面温度过高而提前发酵导致茶叶的品质下降。

数据采集装置与控制装置相连，用于采集茶园环境、各棵茶树的信息以及对每棵茶树茶叶进行识别，并将数据存储于数据管理子系统中，数据采集装置包括设于上机箱顶部的GPS定位装置61和环境识别装置62以及设于仿生机械臂51端部上的茶叶识别装置63。GPS定位装置61与中央控制系统相连，用于对茶树和管理员的定位，GPS定位装置61可以便于机器人更换电池和卸下满仓的茶叶，可以避免机器人对已采摘过的茶树重复识别，还可以避免多台工作中的机器人发生相互碰撞。环境识别装置62和茶叶识别装置63 分别与图像处理子系统相连，环境识别装置62用于茶树、茶树环境、环境地形的识别，茶叶识别装置63用于识别各类级的茶叶。

数据管理子系统包括数据存储模块、数据更新模块。茶叶分灌木类和乔木类两种，对于乔木类茶叶，以茶树的宽幅为半径，至上而下顺时针进行采摘，这样保证采摘时不会遗漏，而对于灌木类茶叶，多为茶园茶，开采面为平面或是斜面，机器人只要顺着茶树沟开采即可。茶叶在工艺上又分六大茶类，在各大茶类下，再分叶芽等级、老嫩程度、叶间距、开面、半开面叶片、病虫害叶面等，茶叶间存在虫害包括天羊、瓢虫、蚜虫、蜘蛛等。数据存储模块用于存储各大茶类茶树和各等级茶叶的图像数据、茶树各种病虫害图像数据，以及茶园信息、茶树分布数据、每株茶树的采摘数据，基于数据存储模块存储的数据才可能达到精准采摘、采摘的数据准确无误。数据更新模块用于更新茶树病虫害图像数据、茶园或茶树的增减信息到数据存储模块。

图像处理子系统包括依次相连的图像采集模块、图像识别模块、图像对比模块及结果输出模块，图像采集模块与环境识别装置62和茶叶识别装置63 相连，图像识别模块对接收的茶树和茶叶图像进行识别，图像对比模块与数据存储模块相连，接收的图像通过图像对比模块与数据存储模块中预存的数据进行比对，并根据比对结果通过结果输出模块生成茶树是否达到采摘条件、机器人最佳采摘路径的结果以及采摘机械手采摘茶树上哪种等级茶叶的指令。

本实用新型的工作过程，包括以下步骤：

一、启动机器人，通过上机箱顶部的GPS定位装置61对茶园的茶树进行定位，通过环境识别装置62采集茶树、茶树环境、环境地形的图像后，由图像处理子系统进行图像处理，并判断茶树的健康状况、是否达到采摘条件及生成机器人最佳采摘路径；

环境识别装置62采集茶树的图像后，通过图像处理子系统可以对茶园进行生态分析、监控茶树的生长情况，以对茶园进行病虫害预警，当图像识别模块识别出与预存数据中病虫害图像数据相似或不同的病变叶面时，机器人会对管理员进行示警，并通过采摘机械手5采摘病变茶叶送至收集盒42，对病变叶面做进一步检测，以便发现新的病虫害时及时更新到数据库；

根据环境识别装置62采集茶树环境和环境地形的图像后形成的最佳采摘路径，对于平地地形或坡地地形或前方有障碍物，机器人的行进平台1在履带轮11和仿生腿12之间进行切换运动，以实现机器人在平地时进行平动、在坡地或障碍物时进行跨步动作，同时通过水平仪检测机器人在行进时的平衡状态。

二、通过操作与通信模块无线连接的控制终端或操作控制面板来设置机器人的工作模式，工作模式有采摘模式和修剪模式(修剪模式需要在仿生机械臂的端部更换安装剪枝刀具，使其变换成茶树的修剪机器人，此模式主要用于已过采茶季节的夏季和冬季)。在采摘模式下进行所采茶类和茶叶等级、采茶模式的设置，采茶模式有单机模式和联动模式，单机模式下，采摘机械手完成某一个等级茶叶的采摘(如采摘同一棵茶树上的芽头)，联动模式下，采摘机械手同时进行不同等级茶叶的采摘(如分别采摘茶树上某一枝的芽头和二叶)；

三、机器人根据生成的采摘路径行进至靠近茶树的位置，根据设定所需采摘茶叶的类级，采摘机械手5移动至茶树的上方，茶叶识别装置63采集的图像经图像处理子系统处理后将采摘指令反馈给中央控制系统；

四、中央控制系统对驱动控制子系统下达采摘指令，驱动控制子系统控制仿生机械臂51调整至合适的采摘位置，并控制伸出仿生机械臂的夹持机构 54准确夹取所采茶叶、切刀56对夹取的茶叶进行切割，夹切下来的茶叶随软链52旋转至物料导槽53后松开，落入收集箱41中，同时，软链52旋转使另一夹持机构54伸出仿生机械臂51，准备下一次夹切茶叶；

五、单机模式或联动模式下采摘的茶叶分别由物料导槽53落入收集仓中，当收集仓中的温湿度达到阈值时，风扇自动启动对堆积的茶叶进行散热除湿，直至温湿度回落，当红外容量感应器检测到收集仓中采集的茶叶达到预设的装料高度时，或者当采摘完一棵茶树时，中央控制系统接收到反馈信号，向采摘机械手发出停止采摘并回收留存在软链上鲜叶的指令；

六、当软链52上的鲜叶全部回收至收集仓后，称重装置启动以分别称出各收集仓中茶叶的净重，同时将数据传送到数据管理子系统进行记录统计，中央控制系统通过通信模块向控制终端(站点或移动端)的管理员发出提示指令，由管理员确认并进行卸料，每次卸料完后，打印出采摘报告单；

七、卸料完成后，若完成采摘则机器人停止工作并返回站点，若未完成采摘则在停止工作的位置继续进行采摘；

称重装置的启动条件有收集仓满仓和单棵茶树采摘完毕，当机器人按要求采摘完一棵树上的所有鲜叶，离开时，软链52上的鲜叶会自动回收至收集仓，称重装置启动，并记录下该株茶树的产量；

管理员确认的卸料方式有人工完成和自动完成，在人工完成方式中，管理员确认机器人停止采摘并前往卸料，以便机器人更快重新工作，在自动完成方式中，管理员确认机器人停止采摘并通知机器人向其移动，机器人通过 GPS定位装置定位管理员位置，中央控制系统根据定位向机器人发出移动路线，使机器人移动至管理员处进行卸料，卸料完成后，机器人按原路线返回原处或完成采茶工作。

此外，当机器人出现电力不足时，其会提前预估电量并停止采摘，同时记忆所采茶叶的方位和高度，请求管理员更换电池或自动返回指定地点进行更换电池，更换完电池后机器人自动返回原位置继续采摘。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种智能采茶机器人，其特征在于：包括行进平台、下机箱、上机箱、采摘机械手及数据采集装置，其中：

所述行进平台带动机器人沿不同地形进行移动；

所述下机箱设于行进平台上，所述下机箱内设有电源装置、驱动装置及控制装置，所述电源装置为整机供电，所述驱动装置用于驱动所述行进平台和采摘机械手工作，所述控制装置用于控制整机工作；

所述上机箱设于下机箱上方，所述上机箱内设有称重装置，所述称重装置与控制装置相连，所述称重装置上设有用于收集不同类别茶叶的收集箱；

所述采摘机械手设于上机箱的两侧，两侧的采摘机械手各自独立动作，并能够不间断地对茶树进行相同或不同等级茶叶的采摘，并将各自采摘的茶叶分别输送至所述收集箱；

所述数据采集装置与控制装置相连，用于采集茶园环境、各棵茶树的信息以及对每棵茶树茶叶进行识别，并将采集的数据存储于所述控制装置中。

2.如权利要求1所述的一种智能采茶机器人，其特征在于：所述采摘机械手包括仿生机械臂、往复式旋转软链、软质物料导槽、夹持机构、压力传感器及切刀，所述仿生机械臂可向各个方向转动，且其为中空结构，所述仿生机械臂的端部可自由旋转，所述软链、夹持机构、压力传感器及切刀均与所述控制装置相连，所述软链设于仿生机械臂前端内部，所述物料导槽的一端与软链的后端相对应、另一端通入所述收集箱，所述软链上间隔设置有若干个夹持机构，且所述夹持机构可依次随软链旋转伸出仿生机械臂，每一所述夹持机构的内侧设有压力传感器，所述切刀设于仿生机械臂的悬空端，并对所述夹持机构夹住的茶叶进行切割，所述夹持机构夹住茶叶后依次随软链旋转至物料导槽后松开。

3.如权利要求2所述的一种智能采茶机器人，其特征在于：所述数据采集装置包括设于上机箱顶部的GPS定位装置和环境识别装置以及设于仿生机械臂上的茶叶识别装置，所述GPS定位装置、环境识别装置及茶叶识别装置均与所述控制装置相连，所述GPS定位装置用于对茶树和管理员的定位，所述环境识别装置用于茶树、茶树环境、环境地形的识别，所述茶叶识别装置用于识别各类级的茶叶。

4.如权利要求3所述的一种智能采茶机器人，其特征在于：所述上机箱为前侧开口的中空箱体，箱体开口通过一斜坡式箱门封闭，所述箱门打开后，所述收集箱可沿着箱门滑出，所述收集箱被分隔成两个收集仓，两个所述收集仓的底部分别设有称重装置，所述收集仓上设有红外容量感应器和温湿度计，所述收集仓上方设有风扇，所述红外容量感应器、温湿度计及风扇均与所述控制装置相连。

5.如权利要求4所述的一种智能采茶机器人，其特征在于：所述上机箱的顶部设有一组收集盒，所述收集盒用于收集茶叶识别装置无法识别的病变茶叶。

6.如权利要求5所述的一种智能采茶机器人，其特征在于：还包括升降装置，所述升降装置与控制装置相连，用于控制所述上机箱进行升降，以使所述采摘机械手适应茶树的高度。

7.如权利要求6所述的一种智能采茶机器人，其特征在于：所述行进平台包括履带轮、仿生腿及水平仪，根据所述环境识别装置识别的环境地形，所述控制装置控制履带轮和仿生腿进行切换运动，以实现机器人在平地时进行平动、在坡地时进行跨步动作，所述水平仪与控制装置相连，用于检测机器人在行进时的平衡状态。

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