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专利号: 2025107666929
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置,包括升降装置、平移装置和带传送机构,其特征在于:还包括串并联采摘机械臂;机架上设有双目相机和驱动平移装置升降的两个升降装置;所述带传送机构位于平移装置后方;机架上位于带传送机构远离平移装置的一侧固定有挡板一;

所述串并联采摘机械臂包括串并联机械臂和采摘末端;所述串并联机械臂包括静平台和动平台;所述静平台由平移装置驱动平移,方向垂直于机架前进的方向;两个主动臂一的一端与静平台的两端分别构成转动副,并由两个关节电机一分别驱动转动,另一端均固定有平行布置的n个转轴一,n≥3;所述动平台包括动平台支架,动平台支架位于静平台的下方,且动平台支架的两端均固定有平行布置的n个转轴二,中部与回转件构成转动副;由平行布置的n个从动连杆一组成的从动连杆组设有两组,且从动连杆组中每个从动连杆一的两端与位于同一侧的一个转轴一和一个转轴二分别构成球铰链;电机支架一与静平台构成转动副;主动臂二的一端与电机支架一构成转动副,并由关节电机二驱动转动,从动连杆二的两端与主动臂二的另一端和回转件分别铰接;其中,两个主动臂一与静平台之间的转动中心轴线、电机支架一与静平台之间的转动中心轴线、回转件与动平台支架之间的转动中心轴线、各转轴一和各转轴二水平且平行布置,主动臂二与电机支架一之间的转动中心轴线和从动连杆二两端的转动中心轴线水平且平行布置,并垂直于转轴一,且垂直于平移装置驱动串并联采摘机械臂平移的方向;采摘末端安装于动平台支架;

两个关节电机一驱动相应的主动臂一转动,各主动臂一通过相应的从动连杆组带动动平台支架和采摘末端在平行于YOZ平面的竖直面内运动;关节电机二驱动主动臂二带动从动连杆二转动,从动连杆二通过动平台支架带动采摘末端沿着X轴方向进行调整;空间坐标系以作业区域上靠近串并联采摘机械臂一侧的一个角点为原点O,机架前进的方向为Y轴方向,平移装置驱动串并联采摘机械臂平移的方向为X轴方向,竖直方向为Z轴方向。

2.根据权利要求1所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置,其特征在于:所述升降装置包括手轮、固定壳、螺母块、螺杆和蜗杆,固定壳固定于机架上,水平设置的蜗杆与固定壳构成转动副,手轮固定于蜗杆上,竖直设置的螺杆与固定壳构成转动副,并通过滚珠与螺母块构成滚珠丝杠副;所述蜗杆与螺杆上固定的涡轮啮合。

3.根据权利要求1所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置,其特征在于:所述平移装置包括底板、同步轮支架、同步轮、张紧轮和同步带;水平设置的底板两端与两个升降装置的螺母块固定;同步轮支架与底板构成滑动副;同步轮支架上铰接有同步轮,且位于同步轮的两侧均铰接有张紧轮;同步带两端均固定在底板上,同步轮和两个张紧轮均与同步带构成滚动摩擦副,且同步轮由伺服电机驱动转动。

4.根据权利要求1所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置,其特征在于:所述采摘末端包括舵机架和可开合的两个刀片;所述舵机架由关节电机三驱动转动,关节电机三与动平台支架固定;舵机架上位于两个刀片前侧固定有挡板二;所述采摘末端中,舵机臂的中部与舵机架构成水平方向的转动副,并由舵机驱动转动,两端与呈中心对称布置的两个连接连杆一端分别铰接,两个连接连杆的另一端与呈轴对称布置的两个夹块中部铰接,两个夹块的上端均与舵机架铰接,下端固定有呈轴对称布置的两个刀片。

5.根据权利要求4中所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置的采茶方法,其特征在于:具体如下:

两个移动底盘驱动机架移动至茶陇上,通过两个升降装置驱动平移装置和串并联采摘机械臂上升或下降,使刀片末端高度达到预设初始高度;两个移动底盘驱动机架沿茶陇间歇前进,且每当两个移动底盘停止驱动机架时,串并联采摘机械臂和平移装置工作,进行当前作业区域的采茶工作;采茶工作过程为:首先双目相机获取当前作业区域的图像,并将当前作业区域的图像传输至上位机,上位机识别作业区域内的茶芽位置,并生成茶芽位置空间坐标集合,其中,空间坐标系以作业区域上靠近串并联采摘机械臂一侧的一个角点为原点O,两个移动底盘驱动机架前进的方向为Y轴方向,平移装置驱动串并联采摘机械臂平移的方向为X轴方向,竖直方向为Z轴方向;接着根据生成的茶芽位置空间坐标集合,通过改进的蚁群算法得到作业区域的整体最优采摘路径;然后按照作业区域的整体最优采摘路径对当前作业区域内最优采摘路径上的各茶芽进行采收。

6.根据权利要求5所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置的采茶方法,其特征在于:采用改进的蚁群算法得到最优采摘路径的过程为:(1)作业区域沿X轴方向划分成两个低密度区域以及位于两个低密度区域之间的高密度区域,且划分有过渡区域;设静平台位于低密度区域内除过渡区域外的速度为 ,位于高密度区域的速度为 ,位于过渡区域的速度为 ;

(2)设置第t次迭代时节点i到节点j的路径上信息素 的初始值、蚂蚁数量、信息素权重 、启发式权重 、挥发系数 、速度影响系数 、跨区间惩罚因子 、信息素增量调整系数 、时间窗口;

(3)定义启发式信息和修正启发式信息 ;计算路径选择概率;

(4)选择 和 ,计算静平台位于过渡区域时的速度,执行步骤(2)和步骤(3),得到节点i到节点j的各种路径的路径选择概率;

(5)更新全局信息素,每次更新全局信息素后,重新计算节点i到节点j的各种路径的路径选择概率;

(6)达到迭代次数,以路径选择概率最大的节点i到节点j的路径作为所选择的 和对应的最优采摘路径;

(7)重复执行步骤(4)至步骤(6),且重复时更新 和 ,直到遍历所有和 的组合,以计算得到的所有路径选择概率中最大的节点i到节点j的路径作为节点i到节点j的最终采摘路径,并得到最终采摘路径对应的 和 组合;

(8)蚂蚁从作业区域起点出发,直到作业区域内X轴坐标最大的节点处,每生成一次节点i到节点j的路径,就将节点j作为新的节点i,以此生成作业区域的整体最优采摘路径。

7.根据权利要求6所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置的采茶方法,其特征在于:所述启发式信息为

式中, 表示 从候选集中能取到的最大值,蚂蚁从节点i到节点j的时间差,蚂蚁q在节点i到节点j的路径上的时间成本, 代表从节点i到节点j的路径中恒速段部分在X轴方向的距离,从

节点i到节点j的路径中位于恒速段部分时静平台的速度 ,

和 分别表示从节点i到节点j的路径中变速段部分的起点X轴坐标和终点X轴坐标,从节点i到节点j的路径中位于变速段部分时静平台的速度 ,节点i到节点j的路径中各节点的总采收时间 ,n为节点i到节点j的路径中

节点总数, 为在节点p的采收时间,包括采摘和抛甩时间。

8.根据权利要求7所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置的采茶方法,其特征在于:所述修正启发式信息为

式中, 为速度差异权重,为区域差异,且

, 表示 从候选集中能取到的最小值。

9.根据权利要求8所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置的采茶方法,其特征在于:

所述路径选择概率为

式中, 表示节点i到节点j的路径上未访问的节点集合;

所述更新全局信息素为

式中, 表示蚂蚁q在节点i到节点j的路径上留下的信息素增量,且

, 为蚂蚁q成功采摘的节点数, 为蚂蚁q在节点i到节点j的路径上

的时间成本,基准速度 取速度 候选集中最大速度, 表示节点i的X轴坐标,代表静平台在 处的速度。

10.根据权利要求6所述采用冗余自由度串并联机械臂的采茶装置的采茶方法,其特征在于:按照作业区域的整体最优采摘路径对当前作业区域内整体最优采摘路径上的各茶芽进行采收的过程为:平移装置驱动静平台带动整个串并联采摘机械臂沿着X轴方向平移,使采摘末端的两个刀片末端对中点按顺序平移至作业区域的整体最优采摘路径上各个茶芽位置的X轴坐标位置,且串并联采摘机械臂在每一段最终采摘路径上按照步骤(7)计算的对应速度沿X轴方向平移;串并联采摘机械臂沿着X轴方向平移的同时,两个关节电机一驱动相应的主动臂一转动,各主动臂一通过相应的从动连杆组带动动平台支架和采摘末端在平行于YOZ平面的竖直面内运动,使采摘末端的两个刀片末端对中点按顺序平移至作业区域的整体最优采摘路径上各个茶芽位置的Y轴坐标位置,并且实时计算采摘末端的两个刀片末端对中点和该茶芽位置在X轴方向和Y轴方向的距离偏差,当Y轴方向的距离偏差未在预设偏差范围时,关节电机二驱动主动臂二带动从动连杆二转动,从动连杆二通过动平台支架带动采摘末端沿着X轴方向进行调整,使X轴方向的距离偏差在预设偏差范围内,若Y轴方向的距离偏差未在预设偏差范围内,两个关节电机一驱动相应的主动臂一转动进行调整;

采摘末端的两个刀片末端对中点到达茶芽位置时,舵机驱动舵机臂正转,舵机臂通过两个连接连杆带动两个夹块下端相向运动,进而带动两个刀片末端闭合进行茶芽剪切;接着关节电机三驱动舵机架带动茶芽向靠近带传送机构的方向转动,将茶芽通过离心力甩到带传送机构的传送带上,带传送机构将茶芽运送至物料盒内;然后关节电机三驱动舵机架带动茶芽向远离带传送机构的方向转动至原位,同时舵机驱动舵机臂反转,舵机臂通过两个连接连杆带动两个夹块和两个刀片相背运动至原位。