一种基于视觉触发的柔性动态茶叶提采执行器及采摘方法

本发明涉及智能农业机械，具体涉及一种基于视觉触发的柔性动态茶叶提采执行器及采摘方法。

背景技术：

1、名优绿茶（如一芽一叶、一芽两叶）对采摘工艺要求极高，通常需要采用“提采”手法（即向上提拉折断茶梗），以避免茶汁外溢和切口氧化发红。目前，传统人工采摘面临成本高昂、劳动力短缺且效率低下的困境。为了实现机械化、自动化采摘，现有技术主要分为以下两类，但均存在技术缺陷：

2、1.传统的机械式盲采设备

3、目前市场上的大宗采茶机及相关改进专利，普遍采用无差别的物理收割方式，主要存在以下三种典型结构及其局限性：

4、切割+物理筛分：如公开号为cn114505234b的中国发明专利，公开了一种采茶机的分选式送料机构。其物理本质为两层上下错开的输送皮带，茶叶被底部的刀片剪断后，较长的茶叶被上方皮带夹走，较短的被下方皮带夹走。该机构实质上是一个“剪断后的传输与物理筛分”装置，皮带仅负责运输而不负责采摘。且其皮带间隙固定，在面对粗细不一的枝条时极易发生阻塞。

5、物理压倒避让+刀片切割：如公开号为cn114503830b的中国发明专利，公开了一种拉切式采茶机。其利用“v型导流罩+皮带拉扯+底部往复式切割刀片”进行作业，通过挡叶板将矮小的幼芽压倒以防止被剪。这种方式仍属于基于高度的“盲采”，只要高度达标，不论老叶嫩叶均被刀片无差别剪断。金属刀片切割会严重破坏名优茶的细胞组织，导致茶叶创口氧化发红，无法实现真正的“提采”工艺。

6、机械强制弯折：为避免刀片切割，公开号为cn111296066b的中国发明专利公开了一种折断式采茶机。其利用带有弹簧的旋转杆将枝条向内拨动，按压在反向旋转的钝刀轴上，依靠硬性机械弯折力将茶叶掰断。这种滚筒式扫掠机构无论老叶嫩芽，只要卷入就会全部被掰断折损，选择性差，且对茶树本体的损伤极大。

7、2.现有的智能采摘机械臂

8、随着ai技术的发展，部分研究采用了“单目视觉+六自由度机械臂+两指夹爪”的智能采摘模式。然而，该模式本质上属于“串行工作”。设备每次只能识别并锁定一个目标，随后需依次执行“识别-机械臂伸出-闭合夹爪-向上拉断-回退-松开收集”等繁琐动作。由于六轴机械臂及其末端夹爪的转动惯量极大，导致动作周期长、采摘频率极低（通常需数秒完成一次采摘），完全无法满足商业化茶园大面积量产的效率需求。

9、综上所述，行业内待解决的技术痛点在于：现有的机械设备快而不精，无法提采且损伤品质，而现有的机械臂精而不快，效率较低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明突破现有技术的低效与物理切割瓶颈，提供一种无刀片、纯柔性摩擦、多通道并行处理的点阵式智能提采执行器，以及相应的采摘方法，以期部分或全部的解决上述背景技术所提出的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明之一提供如下技术方案：

3、一种基于视觉触发的柔性动态茶叶提采执行器，包括框架和设置在所述框架内的导流模块、输送提采模块、视觉识别与控制模块以及收集模块；

4、所述导流模块包括多个并排设置的导流梳齿，两相邻所述导流梳齿之间形成若干并行的采摘通道；

5、所述输送提采模块对应每一所述采摘通道配置一组固定侧输送带和一组动态侧输送带，所述固定侧输送带与所述动态侧输送带相向同速运转，且两者之间留有供植物茎叶通过的放行间隙；

6、每一所述采摘通道对应设置有推压机构，所述推压机构用于在接收到触发信号时，沿垂直于输送带运转面的方向推压所述动态侧输送带的局部，使其与所述固定侧输送带相互压紧；在推压发生时，所述动态侧输送带因其柔性张力在压紧区域的前方与所述固定侧输送带之间形成前宽后窄的楔形入口；

7、所述视觉识别与控制模块用于捕捉各所述采摘通道内的图像，当识别到目标茶叶进入某一采摘通道时，仅向该采摘通道对应的推压机构发送所述触发信号；

8、所述固定侧输送带与所述动态侧输送带所在的运转平面沿植物枝条进入所述采摘通道的方向向上倾斜布置，被夹持的目标茶叶在输送带向后上方运转速度与所述执行器水平推进速度合成下，受到向上提拉力而折断。

9、进一步地，所述推压机构包括微型舵机、齿轮、齿条、直线导轨、滑块和推板；所述微型舵机固定于所述框架，所述微型舵机的输出轴上固定所述齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合驱动，所述齿条固定于推板架上，所述推板架经所述滑块滑动安装于所述直线导轨上，所述推板固定于所述推板架下端且其推压面贴合于所述动态侧输送带的内侧面，所述推压机构输出的横向推压力通过所述微型舵机的转角无级调节。

10、进一步地，还包括张紧机构，所述张紧机构连接于所述动态侧输送带的从动端；所述张紧机构包括开设于所述框架的限位滑槽、浮动轴承座、动态侧从动轴和张紧弹簧，所述动态侧从动轴的两端安装于所述浮动轴承座，所述浮动轴承座滑动嵌设于所述限位滑槽，所述张紧弹簧对所述浮动轴承座施加向外拉紧所述动态侧输送带的弹性拉力；当所述动态侧输送带被横向推压而周长增大时，增大的张力克服所述张紧弹簧的拉力使所述浮动轴承座沿所述限位滑槽位移，以补偿所述动态侧输送带的周长变化量，撤销推压时所述张紧弹簧驱动所述浮动轴承座复位。

11、进一步地，所述固定侧输送带的内侧贴合设有刚性挡板，所述刚性挡板固定于所述框架上，使所述固定侧输送带在受压时不发生退让。

12、进一步地，所述执行器仅设有一台驱动电机，所述驱动电机通过一条双面齿同步带同时驱动所有采摘通道的固定侧主动轴和动态侧主动轴；所述双面齿同步带以s型依次绕行各所述主动轴上的动力接收轮，利用所述双面齿同步带正反两面的交替啮合，使同一采摘通道内的固定侧主动轴与动态侧主动轴同步反向旋转。

13、进一步地，所述运转平面与水平面之间的仰角为30°至45°。

14、进一步地，所述视觉识别与控制模块包括遮光罩、光源、相机和控制器，所述遮光罩罩设于各所述采摘通道的入口外侧，所述相机和所述光源安装于所述遮光罩内。

15、进一步地，所述收集模块包括汇流歧管，所述汇流歧管通过负压气流将各所述采摘通道采摘下的茶叶收集至储存箱。

16、进一步地，所述框架包括两对称设置的外侧板和用于将两外侧板连成一体的支撑杆，所述外侧板上设置有多个安装孔。

17、本发明之二提供如下技术方案：

18、一种茶叶采摘方法，基于上述一种基于视觉触发的柔性动态茶叶提采执行器，包括以下步骤：

19、s1、驱动电机带动所有采摘通道内的固定侧输送带和动态侧输送带相向同速运转，所述执行器在移动机构带动下沿茶垄冠层水平推进；

20、s2、茶树枝条经所述导流梳齿分流进入各所述采摘通道，所述视觉识别与控制模块对各所述采摘通道进行图像扫描；

21、s3、当某一所述采摘通道内识别到目标茶叶时，所述视觉识别与控制模块仅向该采摘通道对应的推压机构发送触发信号；

22、s4、所述推压机构沿垂直于输送带运转面的方向横向顶压所述动态侧输送带的局部，使其与所述固定侧输送带相互压紧，所述动态侧输送带在压紧区域前方形成前宽后窄的楔形入口，所述目标茶叶经所述楔形入口被卷入并夹紧；

23、s5、被夹紧的所述目标茶叶在输送带向后上方的运转速度与所述执行器水平推进速度的合成作用下受到向上的提拉力，于茶梗最嫩处折断；

24、s6、所述推压机构撤回，所述动态侧输送带与所述固定侧输送带之间恢复放行间隙，折断的所述目标茶叶被抛入所述收集模块。

25、本发明的有益效果在于：

26、（1）本发明摒弃刀片剪切，实现无损提采茶叶。通过输送带的侧向动态挤压与倾斜向上的运转轨迹，将二维的输送带运动转化为三维向上的拉拔力，模拟了人手提采动作。避免了金属刀片剪切导致的茶叶创口氧化发红，保护了名优茶的经济价值。

27、（2）创新提出了“微型舵机+齿轮齿条+直线导轨”的纯线性侧向推压机构，夹持力度可无级调节；结合“弹簧拉伸+限位滑槽+浮动轴承座”的自适应补偿设计，使得输送带在被横向撑开时，顶部浮动轮可自动微调释放张力。

28、（3）彻底颠覆了“每个通道独立配置驱动电机”的冗余设计。采用单台电机、单条双面齿同步带的“s型”交错走线，仅用一个驱动电机即可实现多通道的高速相向运转。极大降低了末端执行器的转动惯量，使其能够挂载于四足机器狗及轻量化机械臂等中小型移动底盘上进行高机动作业。

29、（4）将机械臂复杂的三维寻迹采摘，转变为简单的开关控制。一旦识别到采摘通道内的目标茶叶即刻触发微型舵机动作，利用柔性输送带受压自然形成的前宽后窄的楔形入口，将目标茶叶自动导引入压紧区。该设计极大降低了控制器的算力负荷，对机器人的移动速度波动具有较高容错率，一次扫掠即可实现多个通道的并行独立采摘，提升采摘效率，具备极强的商业化潜力。