采棉机器人.pdf

一种机电一体化的采棉机器人，是一种高度自动化的棉田收获机械。本采棉机器人悬挂在拖拉机上，采棉机器人在电脑的控制下通过摄像头在棉田中拍照获取图像数据，图像数据经过处理后得到棉花在棉田中的空间坐标，电脑根据此坐标参数输出控制信号驱动机械手臂动作到位，从而实现多个机械手臂在棉田中同时采棉。本采棉机器人，一次性投资小，所采棉花掺杂少，对环境无污染，适用于大小棉田，在采棉前期、中期和后期均可适用，大大降低了棉农的劳动强度。

权利要求书
1.  一种采棉机器人，它包括：(1)摄像头(2)电脑(3)控制电路(4)机械手臂(5)采摘装置(6)电源装置(7)洗刷装置(8)减振机架，其特征是：电脑控制摄像头在棉田中进行自动拍照，并将图像数据处理后，得到棉花在棉田中的立体方位，然后通过控制电路使机械手臂移动到棉田中对应棉花处，采摘装置完成采棉。

2.  根据权利要求1所述的采棉机器人，其特征是：摄像头是采棉机器人的视觉，通过电脑控制，在棉田中进行自动拍照，并将图像数据传至电脑，经过电脑处理后，得到棉花在棉田中的立体方位(空间坐标)。

3.  根据权利要求1所述的采棉机器人，其特征是：电脑是采棉机器人的数据处理和控制中心，通过电脑控制各部件，协调工作，完成采棉。

4.  根据权利要求1所述的采棉机器人，其特征是：控制电路包括计数器电路、机械手臂定位电路、采棉头控制电路等组成；计数器电路由不透明开口盘(或电动机的转轴上钻一小孔)、光隔、计数器壳等部件组成，用来检测电动机的转动次数，从而得知机械手臂摆动方位角；机械手臂定位电路由接口板输出端保护电路、上限和复位检测电路、5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、功率放大电路、驱动定位电动机电路组成，将定位信号放大后驱动电动机工作使机械手臂移动到达指定位置；采棉头控制电路由接口板输出端保护电路、5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、功率放大电路、驱动缠棉电动机电路、夹棉头或缠棉头伸缩动作电路、夹棉头夹棉动作电路组成，将采摘信号放大后，驱动夹棉头或缠棉头采摘棉花。

5.  根据权利要求书1所述的采棉机器人，其特征是：机械手臂由三个电动机(直流或步进)，三个涡轮涡杆减速器、三个计数器、一对齿轮、水平转动体、力臂杆1和力臂杆2以及铰链关节、钢丝(梯形皮带)等部件构成。上下涡轮涡杆减速器和关节涡轮涡杆减速器安装在水平转动体中，水平电动机通过水平涡轮涡杆减速器和水平转动输出轴，驱动水平转动体，从而水平转动力臂杆1和力臂杆2。上下电动机通过上下涡轮涡杆减速器和力臂杆1上下摆动输出轴，驱动力臂杆1上下摆动。关节电动机通过一对齿轮，关节涡轮涡杆减速器和关节摆动输出轴，驱动力臂杆2绕力臂杆1端部关节转动。在机械手臂上装有输棉管，将采摘后的棉花输送至集棉袋(车)中。

6.  根据权利要求1所述的采棉机器人，其特征是：采摘装置由采棉头、输棉管、鼓风机、棉风分离器、集棉袋(车)等部件组成，将棉花采摘后收集到集棉袋(车)中。其中采棉头可换装三种(夹棉头、缠棉头、吸棉头)；夹棉头由爪、爪轴、爪轴架、推拉双片、夹棉压簧、夹棉钢丝、夹棉钢丝套、拉动压簧、拉动钢丝、拉动钢丝套、拉动电磁铁、夹棉电磁铁、滑道组成；缠棉头由刺箭、缠棉钢丝、缠棉钢丝套、缠棉电动机、拉动压簧、拉动钢丝、拉动钢丝套、拉动电磁铁、滑道、活套组成；吸绵头由pvc硬管和塑料波纹软管连接组成；采棉头安装于机械手臂的端部，与输棉管、鼓风机、棉风分离器等部件配合，棉田中采摘棉花。

7.  根据权利要求1所述的采棉机器人，其特征是：电源装置由12v(或24v)直流发电机或内燃发电机组、350w逆变器(12v或24v直流变220v交流)组成，直流发电机是为采棉机器人的各主要部件提供电能，逆变器是为采棉机器人的电脑提供电能的装置。

8.  根据权利要求1所述的采棉机器人，其特征是：洗刷装置由水箱、调节开关、细软管组成，在采棉的过程中自流滴落洗除采棉头上的油粘性物质。

9.  根据权利要求1所述的采棉机器人，其特征是：减振机架由悬挂架、承载平台、橡胶垫、弹簧、油压式减振器、气垫包、配重等部件组成，减小振动，降低误差，提高工作可靠性。

说明书采棉机器人
所属技术领域
本发明是一种机电一体化的采棉机器人，是一种高度自动化的棉田收获机械。
背景技术
目前，采棉主要有以下两种方式：一种是手工采棉，另一种是机械化采棉。机械化采棉所采用的采棉机是一种大型农业机械，不含有智能控制系统。在采棉过程中它是通过飞机喷洒药物，进行打叶和催熟，然后一次性完成采棉。
发明内容
要解决的技术问题(现有技术现状)：
当前，采棉所使用的机械价格昂贵(单价在150万以上)；所采棉花掺杂多，降低了棉花等级；因飞机喷洒药物进行打叶和催熟，造成环境污染；采棉前期无法使用，导致机械化采棉面积不足总面积的10％。
有益效果
本采棉机器人，一次性投资小，所采棉花掺杂少，对环境无污染，适用于大小棉田，在采棉前期、中期和后期均可适用，降低了棉农的劳动强度。
采用的技术方案
本采棉机器人安装在拖拉机上，在拖拉机走动时，采棉机器人自动将棉田中的白色或彩色棉花进行识别、定位和采摘。
本采棉机器人在电脑控制下，首先，摄像头自动拍摄棉田中的白色或彩色棉花；其次，对图像数据进行处理，确定棉花相对于本采棉机器人的立体方位；再次，通过控制电路和功率放大电路驱动机械手运行到位；最后，采棉装置完成采棉。采棉机器人的组成部件及功能(图1是采棉机器人的组成部件方块图)
1、摄像头是采棉机器人的视觉，每个机械手对应两个摄像头。摄像头对棉田拍照后，将图像数据传输至电脑中，以确定棉花在棉田中相对于采棉机器人的立体方位。
摄像头安装在机械手固架上的气垫包中，一副摄像头左右相距10厘米并列安装。
摄像头的信号线可插入电脑的USB口或视频捕捉采集卡上，并通过相应的驱动程序完成图像采集。在Windows视窗下，利用VB6中的发送击键功能，进行自动拍照和图像存贮。
2、电脑是采棉机器人的数据处理和控制中心，对各部件进行检测并控制整个采棉过程。(数据处理程序和控制程序使用BC5.0C++语言编程)。
(1)作用：
①对采棉机器人各部件的参数进行自检。
②控制摄像头进行自动拍照并将图像数据传至电脑。
③对从摄像头获取的图像数据进行处理，得到诸多棉花在棉田中的空间坐标(立体方位)。
④控制采棉机器人的多个机械手同时到达与之对应的棉花处(立体方位)。
⑤控制安装在机械手端部的采棉装置进行采棉。
⑥在维护时可通过插接显示器进行维护。
(2)数据处理，得到立体方位参数(x、y、z)：
每个机械手对应两个摄像头，摄像头1，摄像头2，获得两个图像。
①由摄像头1获得的图像1，确定各白色或彩色棉花区域的中心坐标(x1，y1)，即确定空间平面坐标(x，y)。
②由摄像头2获得的图像2，确定各白色或彩色棉花区域的中心坐标(x2，y2)。
③确定图像1和图像2的对应块(白色或彩色棉花区域)
检查图像1和图像2的块中心坐标顺序一致；
检查图像1和图像2的块中心间相对距离基本相同；
检查图像1和图像2的块面积大小顺序一致；
检查图像1和图像2边缘形状相似对比等。
确定其图像1和图像2的对应块(白色或彩色棉花区域)。
④获取空间实际深度坐标z＝FB/(x1-x2)
最后得到立体方位参数(x、y、z)。
(3)自检流程：
自检时：(机械手端部的十字架(白色)标杆，用于定位)
采棉机器人在采棉前，必须进行一次自检，按照循环的方式分间隔给出α，β，γ三个值，使某机械手动作到位；然后，两摄像头对机械手端部的十字架(白色)标杆进行拍照，把图象存入计算机内存或硬盘中，紧接着对图像进行处理得到(x、y、z)立体方位坐标，给定的α，β，γ值和产生的(x、y、z)值，以列表形式进行存贮，以备采棉时使用。
α(0~180度)     机械手臂     摄像头     图像     得到           表式存贮各参数
β(0~270度)-----动作到位-----拍照-------处理-----(x、y、z)------α，β，γ，x，y，z
γ(0~180度)
注意：每次给定值前应使机械手臂复位。
(4)采棉流程：
采棉时：(对棉花定位，十字架(白色)标杆对机械手端部校对用)
采棉时，每一个机械手所对应的两摄像头对棉田进行拍照，将图像存入计算机内存中或硬盘中，接着对图像进行处理后得到(x、y、z)立体方位坐标。然后从预存的α，β，γ，x，y，z自检表数据中根据x，y，z寻找最接近的α，β，γ角度值，并根据角度值控制机械手动作到位，由采棉装置完成采棉。循环以上过程进行采棉，直到采棉工作结束。
摄像头  图像     得到        在自检表中根据x，y，z的值  机械手臂      采棉装置
拍照----处理---(x、y、z)-----寻找最接近的α，β，γ-----动作到位------采棉
另外，在采棉过程中，机械手臂上的十字架(白色)标杆始终存在。有时可见，有时因植物叶片等蔽挡而不可见。可见时，也有一组x，y，z对应α，β，γ的关系。将其存入α，β，γ，x，y，z  表中，使此表参数间隔更细化，从而更准确。而且不断地进行修正，使此表参数关系更准确。
3、控制电路通过接口板与电脑主机进行信息交换，对各执行部件进行控制和实施驱动。
控制电路包括接口板、计数器电路(图13)、机械手臂定位控制电路(图15)、采棉头控制电路(图16)等组成。计数器电路由不透明开口盘(或电动机的转轴上开一小孔)、光隔、计数器壳等部件组成(见图14)，用来检测电动机的转角方位；机械手臂定位控制电路由接口板输出端保护电路、上限和复位检测电路、5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、功率放大电路、驱动定位电动机电路组成，将输出信号放大后驱动电动机工作使机械手臂移动到达指定位置；采棉头控制电路由接口板输出端保护电路、5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、功率放大电路、驱动缠棉电动机电路、夹棉头或缠棉头伸缩动作电路、夹棉头夹棉动作电路组成，驱动夹棉头或缠棉头完成采摘棉花。
4、机械手臂在电脑的控制下，带着采棉头运动至棉花处，将其采摘。
图3、图4是机械手臂示意图。由三个电动机、三个涡轮涡杆减速器、三个计数器、力臂杆1、力臂杆2、关节、钢丝(或梯形皮带)等组成。
每个电动机轴上均连接有涡轮涡杆减速器。使机械手臂在水平面内转动的电动机称水平电动机，其减速器称水平涡轮涡杆减速器，其电动机轴上的计数器称水平计数器。使力臂杆1上下摆动的电动机称上下电动机，其减速器称上下涡轮涡杆减速器，其电动机轴上的计数器称上下计数器。使力臂杆2绕力臂杆1端部关节转动的电动机称关节电动机，其减速器称关节涡轮涡杆减速器，其电动机轴的计数器称关节计数器。
水平电动机通过水平涡轮涡杆减速器和水平转动输出轴，驱动水平转动体，从而水平转动力臂杆1和力臂杆2。上下电动机通过上下涡轮涡杆减速器和力臂杆1上下摆动输出轴，驱动力臂杆1上下摆动。关节电动机通过一对齿轮，关节涡轮涡杆减速器和关节摆动输出轴，驱动力臂杆2绕力臂杆1端部关节转动。
水平电动机、上下电动机、关节电动机安装在机械手骨架上，力臂杆1与力臂杆2由关节连接，关节电动机通过钢丝或梯形皮带卷拉力臂杆2。采棉头安装在力臂杆2的端部，输棉管伴随力臂杆安装。
力臂杆1和力臂杆2及关节由金属杆或塑料杆制成。
关节涡轮涡杆减速器轴线与上下涡轮涡杆减速器轴线在同一条线上。
机械手臂由三个电动机(直流或步进)及涡轮涡杆减速器驱动，由各自对应的计数器检测转动(摆动)的角度，使机械手臂端部移动到达空间坐标(x、y、z)位置，安装在机械手臂端部的采棉装置完成采棉。采摘后的棉花通过机械手臂上的输棉管输送到集棉袋中。
机械手臂的运动分析和直角坐标(x、y、z)转换成力臂杆角度参数(α、β、γ)：在“图5机械手臂的运动分析示意图”中的x为从图左边起水平位移到某一点的距离；y为从图下端起垂直向上位移到某一点的距离。z为通过两张图(两个摄像头拍下的两张图)对比计算出图的深度；w为图的宽度；α1为从图象原点至图象中线夹角。
S1为力臂杆1的长度，S2为力臂杆2长度。均为实际值，单位mm，一般为300mm.x，y，z均为像素值。
根据图6可列出深度计算公式z＝FB/(x1-x2)，详见科学出版社出版的《机器视觉》书第160页。其中：x1为第一张图的横坐标参数，x2为第二张图的横坐标参数，F为焦距，B为两摄像头相隔距离，FB为常数，y1为第一张图的纵坐标参数。
设X＝x1，Y＝y1，Z＝z.，可求出：水平转角α、上下摆角γ和关节摆角β。
根据示意图可列：Z＝S1 Sinγ+S2 Sin(β-γ)(1)
                Y＝S1 cosγ-S2 cos(β-γ)(2)
通过推算可得：γ=arcsin(Z2+Y2-S22+S12)Z2+Y22S1(Z2+Y2)-A]]>
其中：A=arccosZZ2+Y2]]>
β=arcsinZ-S1.SinγS2+γ]]>
根据示意图可再列：X=W2+Z.tg(α-α1)---(3)]]>
其中：tgα1=W2.Z]]>
通过推算可得：α=arctg(2.X-W2.Z)+arctg(W2.Z)]]>
α，β，γ角是机械手臂端部指向空间立体方位的必要参数。
5、采摘装置由采棉头、输棉管、鼓风机、棉气分离器、集棉袋(车)等部件组成，将棉花采摘后收集到集棉袋(车)中。其中棉气分离器是棉花与风气分离的机构，主要用于卸棉和输送棉花，夹棉头夹进来的棉花或缠棉头缠绕拉进来的棉花进行卸棉以及可使吸棉头直接吸棉，同时棉花与风气分离，可应用申请号为02292644.5″气吸式采棉机用棉气分离器″实用新型专利。其中采棉头可换装三种(夹棉头、缠棉头、吸棉头)；夹棉头由爪、爪轴、爪轴架、推拉双片、夹棉压簧、夹棉钢丝、夹棉钢丝套、拉动压簧、拉动钢丝、拉动钢丝套、拉动电磁铁、夹棉电磁铁、滑道组成；缠棉头由刺箭、缠棉钢丝、缠棉钢丝套、缠棉电动机、拉动压簧、拉动钢丝、拉动钢丝套、拉动电磁铁、滑道、活套组成；吸绵头由pvc硬管和塑料波纹软管连接组成；采棉头安装于机械手臂的端部，与输棉管、鼓风机、棉风分离器等部件配合，棉田中采摘棉花。
(1)夹棉头见图7和图10，输棉管和进棉口三通等均为PVC管；爪由铁丝制成，用Φ2mm铁丝弯成图示形状后，打扁钻孔处钻出轴孔；爪轴架推拉双片可由铁皮或硬塑制成；钢丝和钢丝套可由摩托车风门线代用；爪轴架与钢丝套一端应粘合；拉动钢丝套和夹棉钢丝套应固连；进棉口三通内壁与滑道在图示位置固连。
夹棉头有2个电磁铁，夹棉电磁铁和夹棉压簧的推拉将完成爪开口和夹棉的动作。拉动电磁铁和拉动压簧的推拉将完成爪伸出进棉口和回位的动作。
工作顺序是： 爪伸出进棉口(爪闭状态)-------爪开口------机械手到位------爪夹棉-----爪回位------爪开口(卸棉，吹风作用下棉吹向输棉管)。
夹棉头是由机械手带动，直接夹取棉花的机械装置，较适应于过熟棉、熟棉的摘取。
(2)缠棉头见图8和图9，输棉管和进棉口三通均为PVC管；刺箭由带刺的箭头部分及后段构成，缠棉钢丝连接于刺箭的后端；滑道固连于进棉口三通内壁；刺箭的后段在滑道中不仅可相对滑动，而且可相对转动。缠棉头有一个12v或24v缠棉电动机和一个拉动电磁铁，缠棉电动机带动刺箭正反转将完成正转缠绕棉花和反转卸载棉花；拉动电磁铁和拉动压簧的推拉将完成刺箭的伸出进棉口和回位的动作。
工作顺序是：刺箭伸出进棉口(刺箭正转状态)-------机械手到位------刺箭缠绕棉花-------刺箭回位-------刺箭反转(卸棉，吹风作用下棉吹向输棉管)-------刺箭停转。
缠棉头是由机械手带动，直接缠绕棉花的机械装置，较适应于熟棉和非熟棉的摘取。
(3)吸棉头是沿力臂杆直接安装PVC管和波纹管。
吸棉头由机械手带动，直接吸棉花进入PVC管和波纹管的进棉口，并输送至集棉袋(箱、车)，结构最为简单，适应于过熟棉和熟棉的采摘。
6、电源装置由12v(或24v)直流发电机或内燃发电机组、350w逆变器(12v或24v直流变220v交流)组成，逆变器给电脑主机供电，也叫车载电源，其它用电部件直接使用12v或24v直流电。
在棉田中采棉机器人使用拖拉机上安装的发电机、12v或24v电瓶和逆变器作为电脑和机械手等部件的的稳定电源；当电力不足时，仍利用拖拉机的动力，驱动较大功率的12v或24v直流发电机发电和产生较大的吹吸棉风力；当电力仍不足时，配内燃发电机组发电和产生较大的吹吸棉风力。
7、洗刷装置在采棉过程中清洗采棉头上的油粘性物质。图17洗刷装置由水箱、调节开关、细塑管组成。采棉时可将调节开关打开，将水引入进棉口三通内，滴向爪或刺箭，对爪和刺箭进行冲洗，除去爪和刺箭上的油粘性物质。水箱的水采用自流方式，可手工调节滴水量的大小或停水。
8、减振机架包括悬挂架、橡胶垫、弹簧、油压式减振器和气垫包等，将支撑采棉机器人悬挂在拖拉机上，而且减小振动，降低误差，提高工作可靠性。采棉机器人的减振机架结构示意图见图18。
附图说明
图1是采棉机器人各部件方块图
图2是采棉机器人自检和采棉管理总流程
图3是机械手示意图(主视图)
图4是机械手示意图(侧视图)
图5是机械手臂的运动分析示意图
图6求深度示意图
图7夹棉头(爪式采棉头)
图8缠棉头(缠绕式采棉头)
图9刺箭
图10爪(图10a爪立体图，图10b爪支架三视图，图10c爪活动器)
图11输入信号J1端口安排图
图12输出信号J2端口安排图
图13计数器输入电路
图14计数器
(图14a不透明开口盘安装于电动机的转轴上，图14b电动机的转轴上开一小孔)
图15机械手臂定位控制电路
图16采棉头控制电路
图17洗刷装置
图18减振机架
图3和图4中，水平电动机(61)、上下电动机(62)、关节电动机(63)、水平涡轮涡杆减速器(76)、上下涡轮涡杆减速器(73)、关节涡轮涡杆减速器(74)、一对齿轮(69)、上下摆动输出轴(66)、关节摆动输出轴(67)、水平转动体(71)、水平转动体盖(68)、水平转动输出轴(65)、机械手骨架(64)、滑动铜套(70)、止档卡环(72)、水平涡轮涡杆减速器壳(75)、力臂杆1(77)、力臂杆2(78)、关节涡轮涡杆减速器盖板(60)、上下涡轮涡杆减速器盖板(79)、关节上限光隔(100)、关节复位光隔(101)、上下上限光隔(102)、上下复位光隔(103)、水平上限光隔(104)、水平复位光隔(105)、遮光片(106)、卷扬盘(107)、钢丝或梯形皮带(108)、不透明开口盘(81)、光隔(85)，
(81)和(85)意为计数器。
图5中，水平铰链支点(50)、上下铰链支点(51)、关节铰链(52)、力臂杆2端部(53)、力臂杆1(77)、力臂杆2(78)、S1为力臂杆1长、S2为力臂杆2长、α为力臂杆2的水平转角、β为力臂杆2绕力臂杆1端部关节摆角、γ为力臂杆1上下摆角、α1为从图象原点至图象中线夹角、X为横坐标、Y为纵坐标、Z为深度坐标。
图6中，x1为第一张图的横坐标、x2为第二张图的横坐标、F为焦距、B为两摄像头相隔距离、0为原点、P为空间点、(X，Y，Z)为空间点P的坐标。
图7和图10中，夹棉钢丝套(10)、推拉双片(11)、拉动钢丝套(12)、爪(13)、爪轴(14)、夹棉压簧(15)、拉动压簧(16)、夹棉钢丝(17)、滑道(18)、拉动钢丝(19)、拉动电磁铁(36)、夹棉电磁铁(37)、爪轴架(39)、进棉口(31)、输棉管(32)、进棉口三通(40)。
图8图9中，缠棉钢丝套(22)、刺箭(23)、滑道(24)、拉动压簧(25)、拉动钢丝(26)、缠棉钢丝(27)、活套(28)、拉动钢丝套(29)、拉动电磁铁(36)、缠棉电动机(38)、进棉口(31)、输棉管(32)、进棉口三通(40)、箭头(41)、后段(42)。
图8中的拉动电磁铁(36)与图7中的拉动电磁铁(36)为同一物。
图8中的缠棉电动机(38)与图16中的缠棉电动机M2为同一物。
图11中，1至10是电缆线排列序号(类同于电脑的硬盘电缆线)；D0至D7是接口板输入端。
图12中，1至10是电缆线排列序号(类同于电脑的硬盘电缆线)；D0至D7是接口板输出端。
图13中，T1为小功率三极管、R1、R2为电阻、不透明开口盘(81)、发光管(83)、光敏管(84)、光隔(85)。
图14中，计数器壳(80)、不透明开口盘(81)、电动机轴(82)、发光管(83)、光敏管(84)、光隔(85)。发光管(83)和光敏管(84)构成光隔(85)。
图15中，W1是接口板输出端保护电路、W2是上限和复位检测电路、W3是5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、W4是功率放大电路、W5是驱动定位电动机电路。
图15中，Q1、Q2是反相器；R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14是电阻；T2、T3、T4、T5为小功率三极管；T6、T7、T8、T9为大功率三极管；G1是上限光隔；G2是复位光隔；G3、G4是防干扰光隔；B1、B2、B3、B4是二极管；M1是定位电动机。
图16中，W1是接口板输出端保护电路、W3是5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、W4是功率放大电路、W5是驱动缠棉电动机电路、W6是夹棉头或缠棉头伸缩动作电路、W7是夹棉头夹棉动作电路。
图16中，Q1、Q2是反相器；R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16是电阻；T2、T3、T4、T5为小功率三极管；T6、T7、T8、T9、T10、T11为大功率三极管；G3、G4是防干扰光隔；B1、B2、B3、B4、B5、B6是二极管；M2是缠棉电动机；拉动电磁铁(36)，夹棉电磁铁(37)。
图16中的拉动电磁铁(36)与图7和图8中的拉动电磁铁(36)为同一物；
图16中的夹棉电磁铁(37)与图7中的夹棉电磁铁(37)为同一物。
图16中的缠棉电动机M2与图8中的缠棉电动机(38)为同一物。
图17中，进棉口(31)、输棉管(32)、进棉口三通(40)、水箱(33)、调节开关(34)、细软管(35)。
图18中，拖拉机悬挂梁(91)、橡胶垫(92)、油压式减振器(93)、弹簧(94)、气垫包(95)、配重(96)、铰链(97)、电脑(98)、摄像头(99)、承载平台(86)、侧夹板(87)、下夹板(88)、悬挂架(89)、机械手臂(90)。
具体实施方式
本采棉机器人，它包括：(1)摄像头(2)电脑(3)控制电路(4)机械手臂(5)采棉装置(6)电源装置(7)洗刷装置(8)减振机架，各部件协调工作完成采棉。下面对采棉机器人各个部件的实施进行说明：
1、摄像头
机械手的上面、防震机架上并列且相距10厘米左右安装一付数码像头(或数码相机)。它的信号线可插入电脑的USB口上。它的本体安装在一个气垫包中。(采用视频捕捉采集卡或摸拟摄像头可提高摄像和存贮速度)。
在win98和VB6下一双摄相头(如：开原摄像头)自动拍照和存贮的过程：
用一双开原摄相头进行自动拍照存贮的VB6程序代玛模块
’双目拍照程序模块pai
Private Sub Main()    ’过程程序模块开始
Dim re，i，j       ’变量说明
re＝Shell(″c:\windows\vidcap32.exe″，1)  ’运行摄像头驱动程序
AppActivate re       ’激活摄像头驱动程序
’选择第一摄像头
SendKeys″％O″，True    ’发送击键ALT+O  选项菜单下开
SendKeys″S″。True      ’发送击键S
SendKeys″{TAB}″，True     ’发送击键CTRL+TAB  捕获来源选择
SendKeys″{PGUP}″，True    ’发送击键PAGEUP  上找摄像头
SendKeys″％A″，True    ’发送击键ALT+A  应用
SendKeys″{ENTER}″，True   ’发送击键ENTER  确认
’延时
For i＝0 To 999
For j＝0 To 8999
Next j
Next i
’摄像
SendKeys″％C″，True    ’发送击键ALT+C  捕住菜单下开
SendKeys″S″，True      ’发送击键S  拍照(存在内存中)
’保存
SendKeys″％F″，True    ’发送击键ALT+F  文件菜单下开
SendKeys″F″，True      ’发送击键F  保存在
SendKeys″C″，True      ’发送击键C  C盘下
SendKeys″+:″，True     ’发送击键SHIFT+：
SendKeys″\″，True      ’发送击键\
SendKeys″a.bmp″，True    ’发送击键a.bmp  文件名
SendKeys″％S″，True    ’发送击键ALT+S  或ENTER保存
SendKeys″Y″，True      ’发送击键Y  替换吗？Y
’延时
For i＝0 To 999
For j＝0 To 8999
Next j
Next i
’选择第二摄像头
SendKeys″％O″，True  ’发送击键ALT+O  选项菜单下开
SendKeys″S″，True    ’发送击键S
SendKeys″{TAB}″，True   ’发送击键CTRL+TAB  捕获来源选择
SendKeys″{PGDN}″，True  ’发送击键PAGEDOWN  下找摄像头
SendKeys″％A″，True    ’发送击键ALT+A  应用
SendKeys″{ENTER}″，True  ’发送击键ENTER  确认
’延时
For i＝0 To 999
For j＝0 To 8999
Next j
Next i
’摄像
SendKeys″％C″，True     ’发送击键ALT+C  捕住菜单下开
SendKeys″S″，True       ’发送击键S  拍照(存在内存中)
’保存
SendKeys″％F″，True     ’发送击键ALT+F  文件菜单下开
SendKeys″F″，True       ’发送击键F  保存在
SendKeys″C″，True       ’发送击键C  C盘下
SendKeys″+:″，True      ’发送击键SHIFT+：
SendKeys″\″，True       ’发送击键\
SendKeys ″b.bmp″，True    ’发送击键b.bmp  文件名
SendKeys″％S″，True     ’发送击键ALT+S  或ENTER  保存
SendKeys″Y″，True       ’发送击键Y  替换吗？Y
SendKeys″％{F4}″，True    ’发送击键ALT+F4  关闭摄像头驱动程序
End Sub            ’过程结束
’发送按Y(原来有文件时按Y替换保存)
’无原图文件时按Y不起任何作用，自然也按Y。
’保存图象文件c:\a bmp.
          END Sub             ’过程结束
2、电脑：
(1)对采棉机器人各部件的参数进行自检。
自检流程：
自检时：(机械手端部的十字架(白色)标杆，用于定位)
采棉机器人在采棉前，必须进行一次自检，按照循环的方式分间隔给出α，β，γ三个值，使某机械手动作到位；然后，两摄像头对机械手端部的十字架(白色)标杆进行拍照，把图象存入计算机内存或硬盘中，紧接着对图像进行处理得到(x、y、z)立体方位坐标，给定的α，β，γ值和产生的(x、y、z)值，以列表形式进行存贮，以备采棉时使用。
α(0~180度)     机械手臂     摄像头     图像     得到           表式存贮各参数
β(0~270度)-----动作到位-----拍照-------处理-----(x、y、z)------α，β，γ，x，y，z
γ(0~180度)
(2)控制摄像头进行自动拍照并将图像数据传至电脑。
(3)对从摄像头获取的图像数据进行处理，得到诸多棉花在棉田中的空间坐标(立体方位)。
数据处理：得到立体方位参数(x、y、z)
每个机械手对应两个摄像头，摄像头1，摄像头2，获得两个图像。
①由摄像头1获得的图像1，确定各白色或彩色棉花区域的中心坐标(x1，y1)，即确定空间平面坐标(x，y)。
②由摄像头2获得的图像2，确定各白色或彩色棉花区域的中心坐标(x2，y2)。
③确定图像1和图像2的对应块(白色或彩色棉花区域)
检查图像1和图像2时块中心坐标顺序一致；
检查图像1和图像2的块中心间相对距离基本相同；
检查图像1和图像2的块面积大小顺序一致；
检查图像1和图像2边缘形状相似对比等；
确定其图像1和图像2的对应块(白色或彩色棉花区域)。
④获取空间实际深度坐标z＝FB/(x1-x2)
最终，得到立体方位参数(x、y、z)。
(4)控制采棉机器人的多个机械手同时到达与之对应的棉花处(立体方位)。通过汇编语言和BC++5.0语言编程来控制机械手动作到位。
(5)控制安装在机械手端部的采棉装置进行采棉。通过汇编语言和BC++5.0语言编程来控制采棉装置采棉。
3、控制电路：
接口板：4个机械手时选用北京康拓工业电脑公司生产的32路输入、32路输出TTL电平并口接口板(IPC5311)。16个机械手时也可选用128路TTL电平输出板(IPC5317)和128路TTL电平输入板(IPC5318)。用于4个机械手的输入输出线占用情况见图11输入信号J1端口安排图和图12输出信号J2端口安排图。接口板插在电脑的扩展槽中。
计数器：图14(a)中，不透明开口盘(81)安装于电动机的转轴上，光隔(85)与不透明开口盘(81)咬合；或图14(b)电动机的转轴(82)上钻一小孔，光隔(85)与电动机的转轴(82)咬合，且小孔与光隔(85)发光线对准；光隔(85)当作光敏管(83)和发光管(84)。不透明开口盘(81)、光隔(85)装于计数器壳(80)中。
图13中，光隔(85)、光敏管(83)、发光管(84)、不透明开口盘(81)。光隔(85)可选GPIL53、T1三极管可选3DG12、R1可选50K、R2可选35K。T1三极管的集电极连接接口板输入端D0、D2、D4见图11。
图15中，W1是接口板输出端保护电路、W2是上限和复位检测电路、W3是5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、W4是功率放大电路、W5是驱动定位电动机电路。
图15中，Q1、Q2是反相器可选74LS04；R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10是电阻可选3K；R11、R12、R13、R14是电阻可选100至150欧；T2、T3为小功率三极管可选9013；T4、T5为小功率三极管可选3DG12；T6、T7、T8、T9为大功率三极管可选3DD6A；G1是上限光隔可选P832；G2是复位光隔可选P832；G3、G4是防干扰光隔可选GPIL53；B1、B2、B3、B4是二极管可选2DP5A；M1是定位电动机可选12V45W。
图15中的“复位输入”连接接口板输入端D1、D3、D5见图11。
图15中的D0、D1连接接口板输出端D0、D1见图12。这是水平电动机(61)的正反转输出端。上下电动机(62)、关节电动机(63)的正反转同用此图对应输出端D2、D3和D4、D5见图12。
图15中的上限光隔G1和复位光隔G2同时安装在机械手臂的关节涡轮涡杆减速器盖板(60)上和上下涡轮涡杆减速器盖板(79)上以及水平涡轮涡杆减速器壳(75)上。
图16中，W1是接口板输出端保护电路、W3是5v和12v(或24v)电源隔离和防干扰电路、W4是功率放大电路、W5是驱动缠棉电动机电路、W6是夹棉头或缠棉头伸缩动作电路、W7是夹棉头夹棉动作电路。
图16中，Q1、Q2是反相器可选74LSO4；R5、R6、R7、R8、R9、R10是电阻可选3K；R11、R12、R13、R14、R15、R16是电阻可选100至150欧；T2、T3小功率三极管可选9013；T4、T5为小功率三极管可选3DG12；T6、T7、T8、T9、T10、T11为大功率三极管可选3DD6A；G3、G4是防干扰光隔可选GPIL53；B1、B2、B3、B4、B5、B6是二极管可选2DP5A；M2是缠棉电动机可选12V45W；36是拉动电磁铁可选12V300g；37是夹棉电磁铁可选12V100g。图16中的D6、D7连接接口板输出端D6、D7见图12。
4、机械手臂：
图3和图4中，水平电动机(61)、上下电动机(62)、关节电动机(63)安装在机械手骨架(64)上；骨架(64)为E状，水平转动体(71)和水平转动体盖(68)为一体，水平转动体盖(68)中安装一对齿轮(69)，水平转动体(71)的一侧内安装上下涡轮涡杆减速器(73)，另一侧内安装关节涡轮涡杆减速器(74)，从一侧伸出输出轴，分别为上下摆动输出轴(66)和关节摆动输出轴(67)；关节涡轮涡杆减速器(74)轴线与上下涡轮涡杆减速器(73)轴线在同一条线上。
E状骨架(64)下部安装有水平涡轮涡杆减速器壳(75)，其中安装水平涡轮涡杆减速器(76)，其水平转动输出轴(65)连接于水平转动体(71)；所有涡杆的两端均有滑动铜套(70)和止档卡环(72)；力臂杆1(77)与力臂杆2(78)由关节连接，关节电动机(63)通过钢丝或梯形皮带(108)卷拉力臂杆2(78)。采棉头安装在力臂杆2(78)的端部，输棉管(32)伴随力臂杆安装。
水平电动机(61)通过水平涡轮涡杆减速器(76)和水平转动输出轴(65)，驱动水平转动体(71)，从而水平转动力臂杆1(77)和力臂杆2(78)。上下电动机(62)通过上下涡轮涡杆减速器(73)和力臂杆1上下摆动输出轴(66)，驱动力臂杆1(77)上下摆动。关节电动机(63)通过一对齿轮，关节涡轮涡杆减速器(74)和关节摆动输出轴(67)，驱动力臂杆2(78)绕力臂杆1(77)端部关节卷扬盘(107)转动。
力臂杆1(77)和力臂杆2(78)及关节由金属杆或塑料杆制成。
为了力臂杆上限和复位在关节涡轮涡杆减速器盖板(60)上和上下涡轮涡杆减速器盖板(79)上以及水平涡轮涡杆减速器壳(75)上分别安装关节上限光隔(100)、关节复位光隔(101)、上下上限光隔(102)、上下复位光隔(103)、水平上限光隔(104)、水平复位光隔(105)，而且三个涡轮外侧装遮光片(106)；三个电动机(61)(62)(63)轴上分别安装三个不透明开口盘(81)和光隔(85)，意为分别安装三个计数器；
5、采棉装置：
采棉头安装于机械手臂的端部采摘棉花；输棉管沿机械手臂安装；鼓风机、棉风分离器、发电机集于一体，安装在拖拉机(或发动机)上；集棉袋(车)在拖拉机的后面。
其中棉气分离器可应用申请号为02292644.5″气吸式采棉机用棉气分离器″实用新型专利。
其中采棉头可换装三种(夹棉头、缠棉头、吸棉头)；
图7和图10中，夹棉头：输棉管(32)和进棉口三通(40)为PVC管；爪(13)由铁丝制成，用Φ2mm铁丝弯成图示形状后，打扁钻孔处钻出轴孔；爪轴架(39)和推拉双片(11)可由铁皮或硬塑制成；爪轴架(39)上安装有爪轴(14)及爪(13)，爪轴架(39)的后部又粘合于夹棉钢丝套(10)的一端；钢丝和钢丝套可由摩托车风门线代用；拉动钢丝套(36)和夹棉钢丝套(37)应固连；进棉口三通(40)内壁与滑道(18)在图示位置固连。
图7中，夹棉头有2个电磁铁，夹棉电磁铁(37)和夹棉压簧(39)的推拉将完成爪(13)开口和夹棉的动作。拉动电磁铁(36)和拉动压簧(16)的推拉将完成爪(13)伸出进棉口和回位的动作。
图8和图9中，缠棉头：输棉管(32)和进棉口三通(40)为PVC管；刺箭(23)由带刺的箭头(41)部分及后段(42)构成，缠棉钢丝(27)连接于刺箭的后端；滑道(24)固连于进棉口三通(40)内壁；拉动钢丝套(29)与活套(28)连接；刺箭的后段(42)在滑道(24)中不仅可相对滑动，而且可相对转动。拉动钢丝(26)和拉动钢丝套(29)可由摩托车风门线代用；缠棉钢丝(27)和缠棉钢丝套(22)可由摩托车公里表线代用。
图8中，缠棉头有一个12v或24v缠棉电动机(38)和一个拉动电磁铁(36)，缠棉电动机(38)带动刺箭(23)正反转将完成正转缠绕棉花和反转卸载棉花；拉动电磁铁(36)和拉动压簧(25)的推拉将完成刺箭(23)的伸出进棉口和回位的动作。
吸棉头是沿力臂杆直接安装PVC管和波纹管。
6、电源装置：发电机和逆变器市面上有售。
7、洗刷装置：
图17中，水箱(33)中的水经调节开关(34)、细软管(35)缓慢的滴入进棉口三通(40)内，滴向爪(13)或刺箭(23)，对爪(13)或刺箭(23)进行洗刷，除去爪(13)或刺箭(23)上的油沾性物质。手工调节调节开关(34)，可调节滴水量大小或停水。
8、减振机架：
图18中，悬挂架(89)、下夹板(88)、侧夹板(87)、夹紧拖拉机悬挂梁(91)、悬挂架(89)、承载下夹板(88)上有螺栓可旋紧，与侧夹板(87)联合锁定拖拉机悬挂梁(91)，上面和两侧均垫有橡胶垫(92)。悬挂架(89)通过4套弹簧(94)和油压式减振器(93)(前后各两套)与承载平台(86)活连接；承载平台(86)上安置有电脑(98)、摄像头(99)，在下有气垫包(95)，电脑(98)和摄像头(99)均有配重(96)；机械手臂(90)吊装在承载平台(86)下。