【摘 要】
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名优茶在我国已经迅速发展,成为我国茶叶产业的主导产品,而名优茶鲜叶原料质量标准要求极高,目前只能人工采摘,且采摘周期性、季节性极强,需要投入大量的人力,而随着劳动人口向城市转移,人力资源越来越缺乏。目前市场上现有的鲜茶叶采摘机械能提高采摘效率,但其缺乏选择性,所采摘鲜叶新老叶混杂,且会对茶树造成机械性损伤,不能满足名优茶芽叶质量标准。基于此,本文在现有茶叶采摘机械和农业采摘机器人基础上,结合并联机
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名优茶在我国已经迅速发展,成为我国茶叶产业的主导产品,而名优茶鲜叶原料质量标准要求极高,目前只能人工采摘,且采摘周期性、季节性极强,需要投入大量的人力,而随着劳动人口向城市转移,人力资源越来越缺乏。目前市场上现有的鲜茶叶采摘机械能提高采摘效率,但其缺乏选择性,所采摘鲜叶新老叶混杂,且会对茶树造成机械性损伤,不能满足名优茶芽叶质量标准。基于此,本文在现有茶叶采摘机械和农业采摘机器人基础上,结合并联机器人技术以及名优茶质量相关标准,提出设计一种能进行选择性采摘的自走并联式名优茶采摘机器人。具体研究内容如下:（1）设计名优茶采摘机器人总体方案及结构。对茶园结构及名优茶鲜叶采摘标准进行分析,提出名优茶采摘机器人总体设计方案。设计了一种能适应山地行走的履带行走机构及配套可调节机架,对机架进行有限元分析。结果表明,该机架结构满足采摘工况强度。采用Delta机械臂方案,初步确定静平台半径95mm,主动臂长210mm,从动臂长520mm,动平台半径55mm;针对目前侧面鲜叶无法采摘的问题,设计一套带有小机械臂的多自由度末端执行机构,使其采摘范围覆盖顶部和侧面鲜叶;末端执行器指尖采用柔性材料,避免在夹持过程损伤茶叶,影响采摘叶的质量。（2）采用空间向量法和几何法建立Delta机构理论模型。采用向量法和几何法构建Delta机械臂运动学正逆解模型,使用MATLAB平台计算相关模型,在驱动关节许用角度范围内,设置一定步长遍历机械臂动平台中心点在空间内可到达的位置坐标,绘制工作空间散点图和包络面。结果表明,Delta并联机械臂工作空间形态为三曲面半椭球体,空间内各方向可达范围:Xmin=-351.9742mm,Xmax=351.9742mm;Ymin=374.3642mm,Ymax=379.8516mm,Zmin=222.6392mm,Zmax=-728.9048mm,包络体体积为0.26m~3,该计算空间范围能包含茶叶分布空间。（3）借助ADAMS虚拟样机验证所设计方案结构的可靠性。由Solid Works软件建立茶叶采摘机器人三维模型,将其导入运动学仿真软件ADAMS,定义各构件材料属性,施加旋转、球面等运动约束,配置重力环境。在驱动关节施加驱动进行正向仿真,在动平台中心点施加点驱动进行逆向仿真。正逆仿真结果表明,机械臂运行过程平稳,构件不发生干涉,运动学性能良好;采用MATLAB结合正逆解模型对仿真结果核验,结果显示理论计算值与仿真实验结果基本吻合,验证了所设计方案的可靠性。（4）采用遗传算法优化机械臂结构参数并进行样机试验。分析茶叶采摘实际需求,确定机械臂优化目标为工作空间能恰好覆盖茶叶分布空间。采用MATLAB遗传算法工具箱构建优化目标函数及约束函数,对主动臂长、从动臂长、静动平台半径差及坐标系高度4项参数进行优化,得到并联机械臂最优结构参数为:主动臂长为230mm,从动臂长为550mm,静平台半径为95mm,动平台半径为45mm,采摘时动平台距茶树顶部320mm。试制样机,对模型茶叶进行极限位置采摘试验,样机结果表明,该样机能采摘茶叶分布所覆盖的空间,能满足实际采摘需求。
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