本技術(shù)涉及采摘茶葉的采摘指，尤其是采摘名優(yōu)綠茶的智能仿生采摘指。

背景技術(shù)：

中國是茶葉的故鄉(xiāng)，也是目前世界上最大的茶葉生產(chǎn)國與消費國。而綠茶生產(chǎn)量、出口量和消費量最大，是中國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支柱。名優(yōu)綠茶（尤其是特級、一級高檔次名優(yōu)綠茶）對芽葉形態(tài)要求較高，其鮮葉標準一般為一芽一葉、一芽二葉，而且需要保證葉片完整。這樣的新梢嫩葉，目前國內(nèi)外無一例外地只能依靠手工采摘。但是，手工采茶非常辛苦與耗時。以龍井茶為例，通常制作1公斤特級龍井茶，需要采摘7-8萬個細嫩芽葉。茶葉成本的40％用于勞動力，而勞動力開支中的80％用于采摘。早春季節(jié)手工采茶雖然勞動力成本高，但是，由于手采茶品質(zhì)好，制作出的成品茶葉經(jīng)濟效益仍然遠高于機采茶。名優(yōu)茶茶青采摘時間直接影響到茶葉的品質(zhì)，茶農(nóng)有諺語說“早采三日是個寶，遲采三天變成草”。然而近年來，隨著勞動力成本的提高，名優(yōu)茶采摘難問題日漸突出、日趨嚴重，已成為制約名優(yōu)茶可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實問題。

常用的采茶機有手持式和乘用式兩種形式，它們都是基于切割式工作原理。這種采茶方法雖然具備較高的采摘效率，但是對嫩葉和老葉沒有選擇性，只是將茶樹蓬面整體地剪切一遍，茶葉葉片破損嚴重。用這種方法采摘下來的茶樹鮮葉一般用于制作大宗茶，不能用于制作高檔次名優(yōu)茶。茶園亟需一種工作效率高，又能適用于采摘制作高檔次名優(yōu)綠茶鮮葉的自動化機械。

為了解決名優(yōu)綠茶采摘難問題，國內(nèi)外均開展了機械化采摘相關(guān)研究，并漸成熱點。西北農(nóng)林科技大學楊福增、楊青等人以室內(nèi)白色背景下的單株茶葉枝條為研究對象，基于顏色與形狀特征開展了嫩芽邊緣檢測與識別研究。四川農(nóng)業(yè)大學汪建在hsi空間研究了結(jié)合顏色和區(qū)域生長的茶葉圖像分割算法。浙江大學駱耀平、張?zhí)m蘭等人研究了名優(yōu)茶機采分級技術(shù)，并研究了茶樹新梢節(jié)間與展葉角度生長變化及對名優(yōu)茶機采的影響。貴州大學古千里、李長虹等人研究了便攜式水平旋轉(zhuǎn)式采茶機和滾切式采茶機用于采摘優(yōu)質(zhì)茶青，所研究的采茶機需要人工手持，人為選擇新梢，并做后期分選。中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所提出一種名優(yōu)茶機采方法：由熟練的機采工人使用雙人采茶機或單人采茶機，在符合名優(yōu)茶機采要求的茶園中采下鮮葉。該方法對新梢的選擇性主要依靠茶樹栽培、修剪、采茶機操作技巧，以及后期的分選等環(huán)節(jié)，而不是在茶園現(xiàn)場直接有選擇性地采摘一芽一葉或者一芽二葉。湯一平開展了基于機器視覺的大宗茶智能采茶機研究，通過對茶樹嫩芽的自動識別與采茶機割刀的自動調(diào)平調(diào)高使得割刀的高度與目標茶樹冠的高度一致。南京林業(yè)大學陳勇基于新梢顏色、形態(tài)等特征，綜合應(yīng)用機器視覺、光柵投影三維測量、并聯(lián)機器人等高新技術(shù)，結(jié)合茶園農(nóng)藝研發(fā)了對新梢嫩芽有選擇性采摘的機器人。實驗室和田間試驗驗證了該方法對新梢具備選擇性，可以實時地采摘一芽一葉或者一芽二葉。

文獻檢索顯示，茶樹新梢智能識別研究尚處于探索階段，而新梢的仿生采摘則尚無報道?，F(xiàn)有的采茶機都是基于剪切方式工作，不能滿足制作高檔名優(yōu)茶的需要。手工采摘一芽一葉或者一芽二葉時，一般采用“提手采”方法。新梢并不是被指甲掐斷，而是被拇指和食指指肚輕巧地折斷下來的。掐斷的新梢斷口（“芽柄”）會被污染，并在泡茶時呈現(xiàn)深色斑點，大大影響美觀。為了符合制作高檔次名優(yōu)綠茶對鮮葉標準的要求，必須盡量模仿手工折斷新梢的動作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本技術(shù)的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)“提手采”的茶葉仿生采摘指，它通過定位、固定、提拉等動作將新梢的莖拉斷，其效果如同手工折斷，尤其適合于名優(yōu)茶茶青采摘。

本技術(shù)所述的茶葉仿生采摘指，包括從外到內(nèi)依次套合、可相互沿軸向相對移動的外層套5、中層套12、里層套13、芯軸14；

下夾爪11、下夾爪外連桿8、下夾爪內(nèi)連桿9、上夾爪15、上夾爪外連桿19、上夾爪內(nèi)連桿16各有一對，均以芯軸軸線對稱設(shè)置；

一對上夾爪15相對的端部在一對下夾爪11相對的端部的上方；

下夾爪外連桿8與外層套5鉸接，下夾爪內(nèi)連桿9與中層套12鉸接，下夾爪外連桿8與下夾爪內(nèi)連桿9相鉸接；下夾爪11與下夾爪外連桿8或者下夾爪內(nèi)連桿9固定相連；

在外層套5與中層套12之間設(shè)置有驅(qū)動外層套5相對于中層套12沿軸向移動的下夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)；外層套5在下夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的帶動下相對于中層套12軸向移動時，一對下夾爪11的相對端部開合，實現(xiàn)對茶葉夾緊或松開；

上夾爪外連桿19與芯軸14鉸接，上夾爪內(nèi)連桿16與里層套13鉸接，上夾爪外連桿19與上夾爪內(nèi)連桿16相鉸接；上夾爪15與上夾爪外連桿19或者上夾爪內(nèi)連桿16固定相連；

在里層套13與芯軸14之間設(shè)置有驅(qū)動芯軸14相對于里層套13沿軸向移動的上夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)；芯軸14在上夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的帶動下相對于里層套13軸向移動時，一對上夾爪15的相對端部開合，實現(xiàn)對茶葉夾緊或松開；

在中層套12與里層套13之間設(shè)置有驅(qū)動里層套13相對于中層套12沿軸向移動的升降驅(qū)動機構(gòu)；升降驅(qū)動機構(gòu)動作，帶動里層套13、上夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)、芯軸14、一對上夾爪15一起相對于中層套12軸向移動。

作為對上述茶葉仿生采摘指的進一步改進，一對下夾爪11所在的平面與一對上夾爪15所在的平面相垂直。

作為對上述茶葉仿生采摘指的進一步改進，下夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)、上夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)、升降驅(qū)動機構(gòu)均為電機作為動力的齒輪齒條機構(gòu)。

作為對上述茶葉仿生采摘指的進一步改進，下夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)包括固定在中層套12上的下夾爪開合電機25、固定在外層套5上的下開合齒條27，與下開合齒條27嚙合的下開合齒輪26固定在下夾爪開合電機25的輸出軸上。優(yōu)選，它還包括用于控制下夾爪開合電機25行程的控制器、用于檢測兩個下夾爪11之間的夾持力的力傳感器，力傳感器的輸出接控制器。當力傳感器檢測出下夾爪11之間的夾持力的大小，傳輸給控制器，控制器再調(diào)節(jié)下夾爪開合電機25的行程，改變兩個下夾爪11之間的夾持力，形成閉環(huán)控制，防止兩個下夾爪11之間的夾持力過大或者過小。

下夾爪外連桿8或者下夾爪內(nèi)連桿9具有一個凸起；下夾爪11的上端固定一個傳感器固定座29，凸起伸入傳感器固定座29上的凹槽內(nèi)并與凹槽形成滑動配合，相對的凹槽底面與凸起端面之間設(shè)置有反應(yīng)一對下夾爪11之間的夾持力的力傳感器，力傳感器的輸出接控制器；當一對下夾爪夾緊時，下夾爪11和傳感器固定座29相對于凸起移動，傳感器受到擠壓而間接反映出一對下夾爪11之間的夾持力。

作為對上述茶葉仿生采摘指的進一步改進，上夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)包括固定在里層套13上的上夾爪開合電機7、固定在芯軸14上的上開合齒條22，與上開合齒條22嚙合的上開合齒輪21固定在上夾爪開合電機7的輸出軸上。優(yōu)選，它還包括用于控制上夾爪開合電機7行程的控制器；、用于檢測兩個上夾爪15之間的夾持力的力傳感器，力傳感器的輸出接控制器。當力傳感器檢測出上夾爪15之間的夾持力的大小，傳輸給控制器，控制器再調(diào)節(jié)上夾爪開合電機7的行程，改變兩個上夾爪15之間的夾持力，形成閉環(huán)控制，防止兩個上夾爪15之間的夾持力過大或者過小。

上夾爪外連桿19或者上夾爪內(nèi)連桿16具有一個凸起；上夾爪15的上端固定一個傳感器固定座30，凸起伸入傳感器固定座30上的凹槽內(nèi)并與凹槽形成滑動配合，相對的凹槽底面與凸起端面之間設(shè)置有反應(yīng)一對上夾爪15之間的夾持力的力傳感器，當一對上夾爪夾緊時，上夾爪15和傳感器固定座30相對于凸起移動，傳感器受到擠壓而間接反映出一對上夾爪15之間的夾持力。

本技術(shù)的有益效果：使用時，先通過下夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)帶動外層套5相對于中層套12軸向移動，一對下夾爪11的相對端部閉合，夾緊茶樹莖的下部位置；同時通過上夾爪開合驅(qū)動機構(gòu)帶動芯軸14相對于里層套13軸向移動，一對上夾爪15的相對端部閉合，夾緊茶樹莖的上部位置；最后再通過升降驅(qū)動機構(gòu)帶動一對上夾爪15相對于一對下夾爪11向上移動，將新梢的莖拉斷，完成茶葉的采摘，這基本與人工的“提手采”方法相同。

為使下夾爪或上夾爪夾住茶樹莖時，既不打滑又不夾斷，通過力傳感器實時間接檢測下夾爪或上夾爪的夾持力，并把力傳感器的輸出到控制器，通過控制器控制下夾爪開合電機25或上夾爪開合電機7的行程，從而控制一對下夾爪11相對的端部之間的距離或者一對上夾爪15相對的端部之間的距離，使得一對下夾爪或者一對上夾爪獲得合適的夾持力。

附圖說明

圖1是茶葉仿生采摘指整體立體圖。

圖2是圖1中的局部放大圖。

圖3是茶葉仿生采摘指的俯視圖。

圖4是圖3的a-a剖視圖。

圖5是圖3的b-b剖視圖。

圖6是茶葉仿生采摘指的主視圖。

圖7是圖6的c-c剖視圖。

圖8是圖7的局部放大圖。

圖9是圖8的d-d剖視圖。

圖10是茶樹莖示意圖。

圖11是控制器、力傳感器、電機等控制關(guān)系框圖。

圖中，1.升降齒條，2.升降齒輪，3.升降電機，4.平臺，5.外層套，6.鉸鏈，7.上夾爪開合電機，8.下夾爪外連桿，9.下夾爪內(nèi)連桿，10.鉸鏈，11.下夾爪，12.中層套，13.里層套，14.芯軸，15.上夾爪，16.上夾爪內(nèi)連桿，17.鉸鏈，18.鉸鏈，19.上夾爪外連桿，20.電機支架，21.上開合齒輪，22.上開合齒條，23.鉸鏈，24.連接板，25.下夾爪開合電機，26.下開合齒輪，27.下開合齒條，28.力傳感器，29.傳感器固定座，30.傳感器固定座，31.鉸鏈，32.圓柱銷。

具體實施方式

一、茶葉仿生采摘指整體結(jié)構(gòu)

參見圖1所示的茶葉仿生采摘指，由升降齒條1、升降齒輪2、升降電機3、平臺4、外層套5、鉸鏈6、上夾爪開合電機7、下夾爪外連桿8、下夾爪內(nèi)連桿9、鉸鏈10、下夾爪11、中層套12、里層套13、芯軸14、上夾爪15、上夾爪內(nèi)連桿16、鉸鏈17、鉸鏈18、上夾爪外連桿19、電機支架20、上開合齒輪21、上開合齒條22、鉸鏈23、連接板24、下夾爪開合電機25、下開合齒輪26、下開合齒條27、力傳感器28、傳感器固定座29、傳感器固定座30、鉸鏈31、圓柱銷32等構(gòu)成。

升降電機3和下夾爪開合電機25分別與平臺4固定，中層套12通過連接板24固定在平臺4上；上夾爪開合電機7通過電機支架20與里層套13固定。

升降齒條1與里層套13固定，上開合齒條22與芯軸14固定，下開合齒條27與外層套5固定。

下夾爪11通過傳感器固定座29與下夾爪內(nèi)連桿9固定，上夾爪15通過傳感器固定座30與上夾爪內(nèi)連桿16固定，兩者結(jié)構(gòu)類同，現(xiàn)以下夾爪11與下夾爪內(nèi)連桿9相連的結(jié)構(gòu)進行說明。

參見圖2、圖8、圖9，下夾爪內(nèi)連桿9有一個凸起，凸起部分截面為矩形，同時，傳感器固定座29有一個凹槽，凹槽截面也是矩形。這個矩形截面起著導向作用，凸起可以沿著凹槽移動。圓柱銷32兩端與傳感器固定座29過盈配合聯(lián)接；圓柱銷32中部與下夾爪內(nèi)連桿9凸起部分間隙配合。這樣，當凸起沿著凹槽移動時，圓柱銷32與下夾爪內(nèi)連桿9的u型槽相對移動，同時由于圓柱銷32的存在，使得下夾爪內(nèi)連桿9與傳感器固定座29保持連接，不會脫落。傳感器固定座29與下夾爪11焊接成為一個整體。傳感器固定座29凹槽底部有一個方形槽，里面放著力傳感器28（薄片形狀），當下夾爪11夾持茶樹莖的時候，力傳感器28受到下夾爪內(nèi)連桿9凸起端部的擠壓，通過測控系統(tǒng)就知道夾持力的大小。當下夾爪11張開時，力傳感器28不受擠壓，處于自由狀態(tài)。

當下夾爪11夾持茶樹莖的時候，介于下夾爪內(nèi)連桿9和下夾爪11之間的傳感器28受到擠壓，其所受壓力間接地反映出下夾爪11夾持茶樹莖的力量。傳感器固定座29用于放置力傳感器28，同時連接下夾爪11和下夾爪內(nèi)連桿9，并具備導向作用。

二、茶葉仿生采摘指采摘運動過程

1、下夾爪外連桿8一端通過鉸鏈6與外層套5鉸接，另一端通過鉸鏈10與下夾爪內(nèi)連桿9一端鉸接，下夾爪內(nèi)連桿9另一端由鉸鏈31與中層套12鉸接，下夾爪開合電機25驅(qū)動下開合齒輪26旋轉(zhuǎn)使得下開合齒條27帶動外層套5上下運動，從而帶動下夾爪外連桿8與下夾爪內(nèi)連桿9運動，從而使得對稱的一對下夾爪11開合，參見圖10，夾住或松開莖的b點位置（采摘時夾住莖的b點位置）。

2、上夾爪外連桿19一端通過鉸鏈23與芯軸14鉸接，另一端通過鉸鏈17與上夾爪內(nèi)連桿16一端鉸接，上夾爪內(nèi)連桿16另一端由鉸鏈18與里層套13鉸接，上夾爪開合電機7驅(qū)動上開合齒輪21旋轉(zhuǎn)使得上開合齒條22帶動芯軸14上下運動，從而帶動上夾爪內(nèi)連桿16與上夾爪外連桿19運動，從而使得對稱的一對上夾爪15開合，參見圖10，夾住或松開莖的a點位置（采摘時夾住莖的a點位置）。

3、a點處的提拉

升降電機3驅(qū)動升降齒輪2旋轉(zhuǎn)使得升降齒條1帶動里層套13向上運動。在這個過程中上夾爪開合電機7停止轉(zhuǎn)動，芯軸14與里層套13相對靜止，使得被夾緊的a點向上移動，從而實現(xiàn)一芽一葉的采摘。

為使上下夾爪夾住莖時，既不打滑又不夾斷，本采摘指配備嵌入式微控制器，通過力傳感器28實時檢測夾持力并傳輸給嵌入式微控制器，嵌入式微控制器控制輸出信號控制下夾爪開合電機25和上夾爪開合電機7的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動角度，從而控制下夾爪11或者上夾爪15的行程，使得下夾爪11或者上夾爪15獲得合適的夾持力。

參見圖11，嵌入式微控制器通過電機控制上下夾爪的行程，進而控制合適的夾持力，確保上下夾爪夾住莖時，既不打滑又不夾斷。在上下夾爪夾持過程中，力傳感器實時檢測夾持力，并反饋給微控制器，作為控制電機行程的依據(jù)。