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采茶机器人设计
摘要
采茶机器人是基于茶园茶树的具体生长特点以及茶叶采摘的的具体情要而设计的茶叶采摘设备，其功能主要是完成茶叶的采摘工作。
本次设计的是自乘式采茶机器人，代替了传统的背负式或手提式采茶机。
整个设计过程主要包括采茶机器人的总体方案设计、控制系统以及传动系统等设计。
采茶机是从茶树顶梢采收新嫩茶叶的作物收获机械。
根据采摘的方法不同可以分为选择性采茶机和非选择性采茶机两类。
这两类采茶工作具有不一样的特点。
分别适合名贵茶叶和大宗型茶叶。
总的目的是完成采茶工作的要求。
采茶机器人可以实现茶叶的的机械化拆摘，不仅能够节省茶园采茶工的数量，而且可以有效地减轻采茶工的工作强度，大幅度地提高了茶园茶叶采摘效率，降低生产成本，提高综合经济效益。
关键词：
采茶机器人，自行式，传动控制
Abstract
Teapickingrobotisdesignedforspecificgrowthcharacteristicsofteaplantsandteapickingspecificconditionsshouldbebasedontheteapickingdevice,itsmainfunctionistopletetheteapickingwork.
Thisdesignisthetypeteapickingrobot,insteadofabackpackorhand-heldtraditionalteapickingmachine.Theoverallplanofthewholedesignprocessincludingpickingrobotdesign,controlsystemanddrivesystemdesign.Teapickingmachineisfromtreetopcropharvesterharvestingtenderteashoots.Accordingtothemethodofpickingcanbedividedintodifferentselectivepickingmachineandnonselectivepickingmachinetwo.Thesetwokindsofteaisnotthesame.Respectivelyforthepreciousteaandbulktea.Generalpurposeistopletetheteajobrequirements.
Abstractthemechanizationandpickingrobotcanrealizethetea,thequantitycannotonlysaveteateaworkers,workintensityandcaneffectivelyalleviatetheteaworkers,greatlyimprovetheteapickingefficiency,reduceproductioncosts,enhancetheprehensiveeconomicbenefits.
Keywords：
Teapickingrobot,Self-propelled,Transmissioncontrol
1绪论
1.1设计目的及意义
茶叶生产季节性强，“早采一天是宝，晚采一天是草”的说法中可以体现其时效的重要性。
面对经济的发展，实现机械化采茶是必须切实面对的问题，而且能否采用机械化采茶已经成为目前制约茶叶生产发展的一个瓶颈，从采茶用工难的问题上可见一斑。
目前，在茶园很难见到年龄较小的采茶工，一般年龄都比较大。
由于采茶工人员的短缺，于是出现了争抢采茶工的问题。
因此，由于缺少采茶工，致使茶园的茶叶不能及时的采摘。
随着经济的快速发展，采茶工短缺的问题越来越凸显。
据统计，每亩茶园平均要用1名采茶工，然而全国茶园面积几千万亩，在采茶季节集结数量这么多的采茶工是十分困难的。
机械化采茶效率是手工采茶的近10倍以上，是解决当前茶叶初制劳动力严重缺乏的根本手段，生产中机械化采茶虽然任务十分艰巨，但前景十分广阔。
基于上述背景，本课题旨在设计一种自行式采茶机器人，避免了手提式或背负式的负荷作业，可以有效的提高生产效率，保证鲜叶的品质，实现高要求的清洁化规模生产，降低劳动强度和生产成本。
1.2采茶机综述
采茶机是从茶树顶梢采收新嫩茶叶的作物收获机械。
根据采摘的方法不同可以分为选择性采茶机和非选择性采茶机两类。
选择性采茶机有折断式和摩擦式等类型。
折断式采茶机是利用弯曲折断的原理，采下鲜嫩的茶叶而保留粗老的枝条；后摩擦式采茶机则是用一对弹性摘指夹住茶叶，依靠摘指和茶叶之间的静摩擦力，摘下新叶并保留老叶和幼芽。
因为生产的效率过低且对茶园作业条件的要求较高的原因，选择性采茶机没有获得大量推广。
非选择性采茶机又称为剪切式采茶机，利用剪切原理采摘茶叶。
因为其结构简单，使用较方便所以得到了大力的推广。
非选择性采茶机的主要类型有往复切割式采茶机、钩刀切割式采茶机、螺旋滚切式采茶机等。
当今国内外普遍采用的采茶机都是针对大宗茶生产时采摘茶树鲜叶用的，它的基本原理是通过机械动力带动刀片的运动，快速的剪切并收集茶树的芽叶。
从而实现采摘茶叶的目的。
1.3国内发展现状
我XX茶机械的研究工作开始于上世纪六十年代，最初是从日本引进采茶剪用于茶树的修剪。
后来国内开始对采摘原理的进行研究和模拟采摘茶叶的试验，而且引进了日本菜茶机进行相关的试验与分析研究[1]。
到目前为止，在采茶机相关领域已经经历了漫长的过程。
此后采茶机的研究设计工作在我国各产茶省已经普遍展开。
在六十年代初经过努力的研究，试制成功了往复切割式采茶机，较好的机型有中国农科院茶叶研究所和XX农业机械化研究所联合研制的手动南茶—702型采茶机、XX农业大学研制的浙农—4号采茶机等。
到六十年代中期，中国农科院茶叶研究所等单位在南茶—702型的基础上研制成功NIC型手提电动往复式采茶机组[1]。
上世纪七十年代后期，先后设计出了多种单人采茶机，而且在全国进行了研究试验，比较它们的优缺点，但是最终却因这些采茶机的动力、软轴不过关和制造机器的水平有限，没能在生产中得到大量应用。
到七十年代末期，受日本机械化茶树采摘的影响，我国加大了采茶机器人的研制工作。
在此期间设计出多种平形、弧形往复切割式以及各种轻、深、重采茶机器人，然而因为采茶机的动力需要从国外引进，并且受到了制造厂企业规模的限制，生产的部分零部件的质量不是不是很好，因此推广应用进展较慢。
八十年代末期，我国开始与国外开始合资生产采茶机，在XX和XX先后组建了XX落后茶叶园林机械XX和XX川崎茶叶机械XX。
这两家合资企业都是从日本进口零部件，然后再国内进行装配，为了抓住这个机遇，农业部等部门从八十年代末期开始，一方面组织各主要采茶省的有关机械厂家对采茶机器人的生产技术进行引进、吸收和消化，加速研制国产采茶机器人的发展速度，另一方面加强采茶机的推广应用工作，从而使我国的采茶机器人机械化事业迈入了新的发展阶段。
为了迎合国内各采茶省对采茶机器人的需求，我国农业部等相关部门非常重视和支持国内的相关机械厂采取多种方式研制生产采茶机器人。
例如全部国产、主件进口配件国产和散件进口并国内组装等。
XX川崎茶叶机械XX和XX落合茶叶园林机械XX为进口日本散件并在国内组装采茶机的中外合资厂家，而XX飞机制造公司、XX采茶机械厂、XX扬名采茶机厂、XX林业机械厂、XX电机厂等，主要是零部件完全国产或者少数零件靠进口，大部分零部件式国产来组装生产采茶机器人。
我XX茶机器人械化事业之所以发展比较缓慢，主要是因为是国产的采摘机械质量不合格，这些原因，归结于我国小型的动力机、技术设备水平低、机械加工和原材料质量不高等综合因素。
最近几年，国内农业部等相关部门深刻的总结了先前的经验教训，开始加大对国外采茶机器人技术的理解，并结合我国具体采茶的具体环境，设计开发了符合我XX茶形式的采茶机器人，而且形成了自己的特色，随着之国内工业制造的水平的不断提高，使我国国产的采茶机械现已接近国外的相关水平。
1.4国外发展现状
国外对采茶机器人的研制工作起步比较早。
大约在1910年左右，日本就开始研究采茶、修剪器械。
最初是采用大剪刀进行采茶和茶树修剪，并有多种型式，1915年大剪刀获得专利，到1920年已基本普及使用。
1955年，日本开始研究小型动力采茶机、修剪机。
1956年日本奈良首先完成了一台机动背负式小型动力采茶机，此后有多种形式的单人动力采茶机投入商用。
在1970年之前日本的单人动力采茶机以往复切割式为主，1970年之后大力发展螺旋滚刀式，同时水平圆盘刀式也重新出现。
197O年左右，日本又发明了双人抬式采茶机，切割器多为往复切割刀片，分机动和电动两种。
机动以0.6-1.12kw的小型汽油机为动力，背负在身上（如图1-1所示）；电动又有发电机组供电和蓄电池组供电两种，使用时大多放置在地上，这样可以减轻操作手的劳动强度。
日本从1962年开始还进行了大型采茶机的研究。
到1976年，大型自走式、乘坐式采茶机投入开始使用，较好的机型有露岛Ⅲ型采茶机、茶试二号拖拉机装载采茶机和克罗拉采茶机。
它们都采用切割式采摘机头，跨在茶行上工作，集叶采取吹风式或吸风式，拖拉机6.7-22.4kw。
其中，克罗拉采茶机是一种履带式自走底盘，行走性能好，采摘面整齐良好，集叶损失少，回转半径小而易于掉头。
从70年代末开始，日本也着手折断式采摘原理的研究，三重大学提出了与前苏联不同的旋转折断式采摘器的设计。
日本还先后试制了压折式采茶机、夹采式采茶机、选择式采茶机等，但都没有应用到实际生产中。
当今国外在对茶树的采摘机械的研制及应用方面都已经非常成熟，而且在国外得到了大范围的应用推广。
图1-1背负式采茶机
1.5设计的主要技术指标
本次设计的主要技术指标如下：
采摘幅宽为1000毫米，采摘芽叶完整率达70%以上。
台时生产率为1.5亩/小时以上或40斤/小时（青叶）左右。
耗油量为1公斤/小时。
可以在10度“左右缓坡、条播、地面比较平整、地头留有一定回转地带的茶园中使用。
2整体方案设计
2.1设计步骤
（1）查阅有关茶树采摘机械的的相关文献
（2）对采茶机器人的工作环境进行分析
（3）确定采茶机器人的整体结构并对其传动进行设计
（4）对采茶机器人的部分部件进行选型与设计
（5）绘制采茶机器人的装配图和零件图
2.2机器的结构构思
目前，采茶机器人都是在户外工作，动力不宜选取电动机，一般首选小型的内燃机。
在能达到动力输出要求的前提下，为了降低生产成本，传动方式首选普通V带传动。
为了达到设计幅宽的要求，在机架的前排设计采茶刀片。
考虑到要降低劳动强度，可以采用自行式作业，将设计的各个构件安装在机架上。
综合考虑上述技术指标、机器的经济性和所需传动的准确性，拟定了整台机器的结构示意图，如下图2-1所示：
1底盘系统2机架系统3动力及传动系统
图2-1采茶机器人总体结构示意图
2.3拟定传动方案
根据上述的结构构思，拟定了传动方案。
图2-2中动力及传递系统包括两部分。
第一部分包括内燃机通过带轮减速将动力传递给液压泵。
然后通过液压系统将动力输送到行走马达；第二部分包括内燃机通过带轮减速将动力传递给风机[3]。
图2-2动力及传递系统图
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图3-5刀片结构图
4机架的设计
在完成上述的零部件的设计后，可以根据以上设计内容来确定机架的结构和尺寸。
根据内燃机的外形尺寸能够定出安装内燃机的位置尺寸，由于采茶机可以在10度左右缓坡、条播、地面比较平整、地头留有一定回转地带的茶园中使用。
所以综合采茶机的具体结构大致尺寸长
宽
高为1175mm
1300mm
1250mm。
机架整体结构[9]如图4-1、4-2、4-3所示：
图4-1采茶机器人主视图
图4-2采茶机器人俯视图
图4-3采茶机器人左视图
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5液压系统的设计
5.1液压系统原理设计
如液压系统原理图[14]5-1所示，主驱动回路由一台变量泵驱动两台定量马达。
图5-1液压控制原理图
液压控制回路主要是由一些电磁阀组成，电磁换向阀1YA、2YA得电时可以使左行走马达正转，实现采茶机右转；4YA、5YA得电时，右行走马达正转，从而采茶机左转。
1YA、2YA、4YA、5YA得电时，左右行走马达正转，采茶机前进；1YA、3YA、4YA、6YA得电时，左右行走马达反转，采茶机后退。
电气元件状态如图5-2所示：
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图5-2电气元件状态图
5.2主要液压元件选型
根据前面所选择的液压泵XM-F40L和系统的流量与压力，选择阀类元件[16]如表5-1所示。
表5-1阀类元件表
序号
元件名称
型号
数量
1
二位二通电磁阀
22DF3M-E6BD
2
2
二位三通电磁阀
23DF3M-E6BD
4
3
单向阀
I-25B
4
4
溢流阀
YF-B1OC
1
5
过滤器
XU-63X80-J
1
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6PLC控制设计
6.1可编程控制器（PLC）的产生与发展
由于继电器——接触器控制系统的结构特点制约着它的发展，在1968年，美国通用汽车（GM）公司率先提出了研制新型工业控制器的设想。
一年后，由美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，即是早期的工业电脑（PLC）。
在微电子技术和计算机技术发展的带动下，使PLC在处理速度和控制功能上都有了很大提高，不仅可以进行开关量的逻辑控制，还可以对模拟量进行控制，且具有数据处理、PID控制和数据通信功能，发展成为一种新型的工业自动控制标准装置。
近年来随着电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术的发展，PLC在通信能力以及控制领域等方面都不断有新的突破，正朝着电气控制、仪表控制、计算机控制一体化和网络化的方向发展。
其中，梯形图编程语言（LadderDiagram）。
这是目前PLC使用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。
因为，梯形图不但与传统继电器控制电路图相似，设计思路也与继电器控制图基本一致，还很容易由电气控制线路转化而来。
逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，容易掌握，通过丰富的指令系统可实现许多接触器－继电器电路难以实现的功能，充分体现了微机控制的特点。
PLC梯形图构成的基本规则：
①梯形图中PLC的内部寄存器触点的基本符号有两种，动合触点及动断触点，同一标号的触点可反复多次地使用。
②梯形图中的输出“线圈”也用符号表示,同一标号的输出继电器作为输出变量只能够使用一次，但其触点可反复多次地使用。
③梯形图按从左至右、从上至下的顺序画出,每一逻辑行必须从起始母线开始画起，左侧先画动合触点或动断触点,并注意要把并联接点多的画在最左端；最右侧是输出变量（即输出继电器“线圈”），输出变量可以并联但不能串联。
PLC确定了工作任务，装入了专用程序成为一种专用机，它采用循环扫描的工作方式，系统工作任务管理及用户程序的执行都通过循环扫描的方式来完成，也称为循环扫描的工作机制。
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6.2控制的基本要求
控制主要包括采茶机器人的前进、后退、转向和直流电机的正反转。
当按下启动按钮后，PLC可以通过控制液压阀实现控制采茶机的前进、后退、转向。
当电磁换向阀1YA、2YA得电时可以使左行走马达正转，实现采茶机右转；4YA、5YA得电时，右行走马达正转，从而采茶机左转。
1YA、2YA、4YA、5YA得电时，左右行走马达正转，采茶机前进；1YA、3YA、4YA、6YA得电时，左右行走马达反转，采茶机后退。
另外,PLC还能够直接控制线圈来控制直流电机的正反转，从而实现采茶装置的升降功能。
则PLC输入端子和输出端子如表6-1、6-2所示:
表6-1PLC输入端子表
表6-2PLC输出端子表
6.3PLC控制电路图
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图6-1PLC控制电路图
6.4PLC控制流程图及梯形图
图6-2PLC控制流程图
图6-3PLC控制梯形图
7结论
我的毕业设计题目是采茶机器人设计。
在做毕业设计的过程中，我学到了很多课外知识，同时又很好的把大学中学过的相关课程进行了一系列的融会贯通。
这次毕业设计，使我对机械设计等有了更深层次的了解和掌握。
在设计过程中为了让自己设计的采茶机器人更加完善，更加符合工程标准，我一次次翻阅机械设计手册，在翻阅书籍的过程中，渐渐的发现自己喜欢上了自己所设计的采茶机器人。
每当通过自己的努力攻克采茶机的部分结构时，心中会感觉非常自豪。
在设计过程中，我对整个采茶机器人有了更系统的了解与掌握。
首先是要确定采茶机器人的总体的结构和传动方案，再进入到零部件的设计。
整个设计过程中，对公式的应用比较多，加上大量的计算和参阅资料，感觉比较枯燥，大多结构与尺寸都要计算或借鉴可靠的设计原则经验而得出。
主要是刀片和机架都是非标件，结构很难确定，为此我专门了解了刀具的设计资料，最终采用弧形的刃口来切割茶树枝干，可以降低对茶树的损伤。
机架的结构尺寸只能根据技术指标和设计的各个零部件的尺寸来确定。
其次是图纸的绘制阶段以及说明书的书写。
在这个期间，我查阅了相关的机械制图书籍和机械设计手册，并从书上学到了很多知识，最后，根据说明书设计好的尺寸进行图纸的绘制。
虽然这次毕业设计的过程是漫长的,过程是曲折的,但是最终发现自己还是最大的收获者.不仅仅掌握完成一个设计的步骤与方法，同时也对大一时期学过的机械制图、AutoCAD软件有了更进一步的掌握。
对我来说,本次设计收获最大的是方法和能力尤其是那些分析和解决问题的方法与能力。
在整个过程中,我发现像自己学生最缺少的是经验，没有感性的认识，空有理论知识，有些东西很可能与实际脱节。
在以后的学习过程中还要理论与实践相结合。
总之，毕业设计对我来说，是一次能力的考验，同时也是自己学习成长的重要一步。
在以后的学习生涯中，我还会不断的提升自己解决问题的能力，不断完善自己。
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9致谢
时光如梭，不知不觉中毕业设计就要结束了。
我的毕业设计题目是采茶机器人设计。
在整个毕业设计过程中，我要感谢那些所有给予我关心和帮助的人。
首先，我要向我的指导老师致以由衷的感谢和诚挚的敬意。
在她的指导下，我对设计的结构以及传动有了进一步的理解与掌握。
并且在设计过程中，她给予了我直接的或者间接的很多指导和帮助。
每当我思绪混乱时，她都能及时给予我指点，解答疑惑，使我能更深入、更快的开展设计工作。
因此我的毕业设计才会顺顺利利的完成。
在此，谨向老师致以衷心的感谢和敬意！
在这里我也要感谢答辩组的各位老师。
因为他们在开题答辩和中期答辩中给予我悉心的教导，指引我走向正确的前进道路。
最后我还要感谢的是我的家人，因为在整个毕设过程中遇到了很多困难，每当想要放弃的时候，是他们给予我动力，在背后默默地支持我，同时他们养育了我，教我做人做事的道理。
因此在这里向敬爱的家人表达深深的谢意！
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