1.1.1 研究背景

我国是茶叶的故乡，茶叶作为我国的特有饮料己有儿千年的历史了。近代研究发现，经常饮茶可提神醒脑。茶叶中含有 5 ％左右的生物碱，其主要成分是咖啡碱，饮用后能兴奋神经中枢，促进新陈代谢，增强心脏功能：并能促进胃液分泌，助消化，解油腻：还能加强横纹肌的收缩功能，因而能使人解除疲劳，提高劳动效率。因此，每天清展喝一杯茶，会使人精神振作，精力充沛．茶叶还具有消脂作用，我国古代许多医书中都提到，饮茶具有解油消食作用。如书中所说，“茶有解酒食油腻、烧炙之毒，利大小便，多饮消脂肪，去油”。所以，古代人们都把茶叶作为消食饮料。现代医学研究表明，饮茶帮助消化的药理作用，主要是促进人体脂肪的代谢以及提高胃液及其它消化液的分泌最，增进食物的消化吸收。经常饮茶还有利于降低血压，防止动脉硬化。茶叶中含有的儿茶素和黄酮贰，具有增加微血管弹性、降低血脂以及溶解脂肪的作用，因而能防止血液中或肝脏中胆固醇和中性脂肪的积聚，对防止血管硬化有一定作用。茶叶对人体有诸多的保健功能，而绿茶是我国产量最多的一类茶叶，全国 18 个产茶省（区）都生产绿茶。我国绿茶花色品种之多居世界之首，每年出口数万吨，占世界茶叶市场绿茶贸易量的 74 ％左右。深受国内外消费者的欢迎。

现有传统手工采摘劳动强度大，效率低，且随着今年劳动力成木的不断增加以及农村青壮劳动力普遍外流的情况加剧，人工采摘茶叶的效率以及品质都有很大的影响。而现有的采茶机械采摘茶叶是利用扫略式切割的方式采摘，对所采摘区域内的茶叶不加区分进行格体切割采摘，这会造成后续分拣的难度增大，产生大量的残缺叶，造成不必要的损失，对茶树造成比较大的损害，并要求核个垄上的茶叶生长情况大致相同即茶叶的高度和成熟情况要接近，不适合采摘品质要求高的名茶。现有的采茶机其作业效率相比以往纯人工采摘有很大的提高，但无法达到高档名茶的采摘标准。故需要对原采摘机器进行改进和创新，以适用于各种等级的茶叶采摘，本文欲设计一台智能采茶机器人，可以实现不同品质不同品种的茶叶的采摘，能实现单叶单．片采摘和回收以及分级。

目前，名优茶仍然以人工采摘为主，现阶段采茶机都是基于剪切式采摘原理凶。 若要达到名优茶采摘标准，茶叶芽叶比例也应当有较高要求，一般芽叶占比为80%时 采用机械采摘才能确保采摘到的茶叶为名优茶。而剪切式采摘方式很难保障茶叶质 量，更会带来采摘后分级筛选这一大问题。因此，研发新型名优茶采摘装备迫在眉睫。

农业机械新技术不仅可以促进农业的飞速发展，更能体现人类智慧的先进水平。茶叶是人们生活的一项文化，为满足其全年均衡供给，作为采茶叶的设施农业也受到政府和农户的高度重视，近年来发展迅猛。据调查显示，我国茶叶种植面积和产量分别占世界总量61%和42%位居世界第一 。茶园面积逐年扩大2015年茶叶产值接近1519.2亿元。名优茶是茶中珍品，无论 在生产条件还是品质都优于普通大宗茶，且在市场中享有一定知名度。近年来名优茶 需求量逐年攀升，利润也逐年增加。[2]

本文将并联机器人技术与采茶技术相结合，开发出一款具有选择性采摘名优茶采摘机器人，推动名优茶采摘实现自动化，增加其市场经济价值及应用价值。

1.1.2研究意义

普通大宗采茶机虽能提高采摘效率，但其切割时缺乏选择性，且损坏茶树木质部 分。本文通过对现阶段农业领域内大宗茶采摘设备研究结合并联机器人机构，提出一 种具有选择性采摘的新型名优茶采摘机器人设计方案。通过对其机械结构与控制系统 研究，使采摘新梢更接近于名优茶鲜叶采摘要求，降低名优茶生产成本，推动名优茶 采摘实现产业化发展。对于农业中茶叶种植行业中，在人孔众多得国家而言，尤其是我国得茶叶也随着发展成了一种文化，由于目前很多名茶需求量不断的加大，从中提高茶叶得采摘效率和品质得保证和运输保证也是非常正确的，所以对研究出采茶机构也是一个很大的技术和经济意义。

1.2并联机器人研究现状

1.2.1 国外并联机器人研究现状

1965年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并作 为飞行模拟器用于训练飞行员。澳大利亚著名机构学教授Hunt于1978年提出将并联机构用于机器人手臂。随后，Maccallion和 Pham.D.J首次将该机构按操作器设计，成功的将Stewart机构用于装配生产线，标志着真正意义上的并联机器人的诞生，从此推动了并联机器人发展 的历史。相对于串联机器人来说，并联机器人具有以下优点：①与串联机构相比，刚度大，结构稳定；②承载能力强；③精度高；④运动惯性小；⑤在位置求解上，串联机构正解容易，反解困难，而并联机器人正解困难，反解容易。由于并联机器人的在线实时计算是要求计算反解的，这对串联机构十分不利，而并联机构却容易实现，由于这一系列优点，因而扩大了整个机器人的应用领域。

自1987年Hunt提出并联机器人结构模型以来，并联机器人的研究受到许多学者的关注。美国、日本先后有Roney、Ficher 、Duffy 、Sugimoto等一批学者从事研究，英国、德国、俄罗斯等一些欧洲国家也在研究。国内燕山大学的黄真教授自1982年以来在美国参加了此项内容的研究，并于1983年取得了突破性进展。迄今为止，并联机构的样机各种各样，包括平面的、空间不同自由度的、不同布置方式的、以及超多自由度并串联机构。大致来说，60年代曾用来开发飞行模拟器，70年代提出并联机器手的概念，80年代来开始研制并联机器人机床，90年代利用并联机构开发起重机，日本的田和雄、内山胜等则用串联机构开发宇宙飞船空间的对接器。

上世纪60年代发明了 6自由度并联机构，在学术界引起巨大反响。 Stewart在此结构基础上进行深入分析研制出了 Stewart并联机构印如。1985年Clavel 研发出了 Delta并联机构，此后多年此机构一直是应用最广泛的并联机构之一。

1994年，美国Giddings& Lewis研究室推出的变轴并联机床Variax ,为当时机床 领域的创新起到了巨大推动作用。瑞士 ABB公司开发出如图1.7所示第一代IRB340高速3自由度并联机器人，为世界范围内轻型制造业加速升级起到巨大推动作用。

德国BOSCH公司面向电子行业推出了如图1.8所示高速拾取PalomaD2并联机器 人。近年来Clavel学者发明专利Delta机构已失效，因此国外Delta并联机器人研发 公司日益增多MH。

 此后，日本、俄罗斯、意大利、德国以及欧洲的各大公司相继推出并联机器人作为加工工具的应用机构。我国也非常重视并联机器人及并联机床的研究与开发工作，中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、清华大学、北京航空航天大学、东北大学、浙江大学、燕山大学等许多单位也在开展这方面研究工作，并取得了一 定的成果。

1.2.2 国内并联机器人研究现状

并联机器人分类

自1993年，第一台并联机器人在美国德州自动化与机器人研究所诞生以来，并联机器人无论在结构和外型都得到了充分的发展，其可分为以下几类：

（1）按自由度的数目分类，并联机器人可做F自由度（DOF）操作，则称其为F自由度并联机器人。例如：一并联机器人有六个自由度，称其为6-DOF并联机器人。冗余并联机器人，即其自由度大于六的并联机构。欠秩并联机器人，即机构的自由度小于其阶的并联机构。

（2） 按并联机构的输入形式分类，可将并联机器人分为：线性驱动输入并联机器人和旋转驱动输入并联机器人。研究较多的是线性驱动输入的并联机器人，这种类型的机 器人位置逆解非常简单，且具有唯一性。旋转驱动输入型并联机器人与线性驱动输入并联机器人相比，具有结构更紧凑、惯量更小、承载能力相对更强等优点；但它 的旋转输入形式决定了位置逆解的多解性和复杂性。

（3）按支柱的长度是否变化分类，可将并联机器人分为：一种为采用可变化的支柱进行支撑上下平 台的并联机器人。例如：这种六杆的并联机器人称为Hexapod，运动平台和基座由六个长度可变化的支柱连接的，每个支柱的两端分别由铰链连接在运动平台 和基座上，通过调节支柱的长度来改变运动平台的位姿。另一种为采用固定长度的支柱进行支撑上下平台的并联机器人。例如：这种六杆的并联机器人称为 Hexaglide，运动平台和基座是由六个长度固定的支柱连接的，每个支柱一端由铰链连接在运动平台上，另一端通过铰链连接在基座上，该端铰链可沿着基 座上固定的滑道上下进行移动，由此来改变运动平台的位姿。

我国并联机器人研究起步相对较晚，研究水平与理论深度与国外还存在一定差距。 上世纪90年代，燕山大学黄真教授在Paloma机器人基础上研制了一台高精度6自由 度并联机器人。哈尔滨工业大学孙立宁教授对并联机器人速度求解方面做出了巨 大贡献。北京理工大学游世明教授基于ADAMS仿真软件对Stewart并联机器人进 行了运动学和动力学分析。北京交通大学方跃法教授通过二阶曲线分解法对少自 由度并联机器人运动特性和结构设计做出了研究。燕山大学赵永生教授发明了具有3个移动自由度和2个旋转自由度的5 自由度并联机床。江苏大学尹小琴教授通过空间矢量法推导了 3-RRC并联机器 人的正逆解公式，并对其工作空间进行求解。

在实体样机开发领域，如图1.9所示天津大学于2003年开发了具有自主知识产权 的二自由度平动Diamond并联机器人并批量投产应用于电子元件装配生产线的项］。随 后又研制出了三自由度、四自由度并联机器人。2009年，沈阳新松机器人公司开 发出SRBD系列并联机械手臂，在太阳能电池生产线得到广泛应用；2011年广州数控 与天津大学合作研发出了如图1.10所示GSK系列并联机械手臂，在药品包装、小尺 寸零件码垛等领域得到成熟应用，为国内轻工业加速升级起到巨大促进作用。

 综上所述，通过国内外并联机器人研究情况可以看出，我国对并联机器人做了很 多理论研究并取得了很大成功。但并联机器人实际应用方面，并没有将快速、精准、 灵活、惯性小的并联机构与茶叶采摘相结合实现高效、精确有选择性对茶叶新梢进行 采摘