CN110402683A - 一种智能采棉机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能采棉机及其控制方法，包括采棉机械手、塔臂、塔杆、摄像部件和棉花收纳部件，所述塔杆安装在所述棉花收纳部件的顶部位置，所述塔臂安装在塔杆的顶部，所述采棉机械手安装在塔臂的另一端底部，所述摄像部件穿过塔臂与塔杆固定，所述棉花收纳部件顶部一端设有单片机控制部件，另一端设有采棉软管，本发明还公开了一种智能采棉机控制方法；整个系统结构简单，控制简单，减少了采棉机械手的关节个数和手臂长度，减小了控制难度，降低了控制程序的复杂度，提高了棉花采摘的速度和效率。

Description

一种智能采棉机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能采棉机及其控制方法，属于农业机械智能化控制技术领域。

背景技术

我国是棉花生产和消费大国，棉花种植地区广泛。由于棉花是季节性作物，每到成熟期就要求在短期内完成采收，否则会影响棉花品质，造成经济损失。目前除新疆生产建设兵团及大型农场应用大型采棉机外，大部分地区仍然采用人工采棉方式，机械化程度低，棉花的及时采收一直是一个难题。研究开发新型实用的智能采棉机已成为扩大棉花种植规模、提高棉花竞争力的必由之路。

目前我国已有一些地区开始使用小型自动非智能采棉机进行作业，但大多数小型自动非智能采棉机是采用机械与人工相结合的方法。如中国实用新型专利“采棉机械手及含该采棉机械手的采棉机”(CN 201667836 U)采用人工识别棉花，然后靠微型电动机驱动的螺旋杆的转动将棉花从枝干上拽下来，再采用吸气管将花蕊吸起送到采棉管口，落入棉花袋中，完成采棉过程。由于棉桃成熟时间不一，成熟姿态各异，使用这种小型自动非智能采棉机需要采摘人员不停判断并手动调整采棉机与棉花的位置，才能保证较好的采摘效果，劳动强度依然很大，采摘效率提高不大。

小型智能采棉机的研发成为当前农机智能化领域的研究热点之一，已有研究人员将高端计算机视觉技术用于智能采棉机，如中国发明专利“一种基于计算机视觉技术的智能采棉机系统”(CN 105165255 B)采用类似于人眼的双目摄像头定时拍摄棉花的原始图像，再经过数据存储模块、控制模块、图像处理模块与控制模块的处理，由六自由度机械手执行模块执行采棉动作，以期能够快速、准确地检测出棉花的位置，并且可靠、高效、高质量采棉，但是整个采棉机系统组成与控制复杂，控制系统设置繁琐，而且模块配置高、成本高，不利于推广应用。

因此对于我国大部分不具备规模化作业的棉花种植户来说，急需一种成本低、控制简单、性能优的小型智能采棉机，将他们从繁重的采棉工作中解放出来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能采棉机及其控制方法，以解决现有技术中采棉机控制系统设置繁琐、模块配置高、成本高、采摘效率不高、劳动强度依然很大的缺陷。

一种智能采棉机，包括采棉机械手、塔臂、塔杆、摄像部件和棉花收纳部件，所述塔杆安装在所述棉花收纳部件的顶部位置，所述塔臂安装在塔杆的顶部，所述采棉机械手安装在塔臂的另一端底部，所述摄像部件穿过塔臂与塔杆固定，所述棉花收纳部件顶部一端设有单片机控制部件，另一端设有采棉软管，所述单片机控制部件对整个采棉机的电路协调控制，所述采棉软管底部插入棉花收纳部件的内部，顶部与塔臂的一端连通。

优选地，所述采棉机械手包括第一关节舵机、第一手臂、第二关节舵机、第二手臂、第三关节舵机、第三手臂、第四关节舵机、第四手臂、机械手爪控制装置和机械手爪，所述第一关节舵机设在塔臂另一端的底部，与所述第一手臂的一端转动连接，所述第一手臂的另一端与所述第二手臂的一端通过第二关节舵机转动连接，所述第二手臂的另一端与第三手臂的一端通过第三关节舵机转动连接，所述第三手臂的另一端与第四手臂的一端通过第四关节舵机转动连接，所述第四手臂的另一端通过机械手爪控制装置与机械手爪转动连接。

优选地，所述塔臂包括塔臂架和传送装置，所述塔臂架内开设有棉花传送导槽，所述传送装置设于棉花传送导槽内。

优选地，所述传送装置包括棉花传送皮带、电机和滑轮，所述滑轮设置在棉花传送导槽的两端，所述棉花传送皮带套设在滑轮上，所述电机的输出轴与滑轮转动连接。

优选地，所述塔杆包括连接塔杆与塔臂的转盘模块、中间塔杆、下部塔杆，以及升降电机，所述转盘模块设于塔臂的一端底部，所述转盘模块与中间塔杆通过轴承转动连接，所述中间塔杆与下部塔杆螺纹连接，所述升降电机输出轴与下部塔杆连接。

优选地，所述摄像部件包括摄像头、支撑杆；所述支撑杆通过塔臂中间的圆洞固定在塔杆的底部。

优选地，所述单片机控制部件包括单片机、电气信息收发电路和工作按钮、所述单片机控制部件用于对整个采棉机电路进行控制，所述电气信息收发电路用于接收和发送采棉机各部件的控制信号，所述工作按钮用于控制电路开关。

优选地，所述棉花收纳部件包括小车和棉花袋，所述棉花袋设于小车内，所述棉花袋设有棉花袋拉锁。

优选地，所述小车设有车门，所述小车底部四角设有车轮，所述小车的端面设有推手。

一种智能采棉机控制方法，所述方法包括如下步骤：

对单片机初始化，并通过摄像头采集棉花图像信息；

将图像信息传送给单片机进行处理，计算目标棉花坐标位置信息和机械手各关节舵机应该旋转的角度；

输出各关节舵机的控制信号，移动到目标棉花坐标位置；

单片机再控制机械手四爪张开与闭合，抓取目标棉花移至棉花传送带。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、用单片机分析处理摄像头获得的棉花信息，控制机械手爪的动作、塔臂传送带的运转、摄像头与塔臂高度的调整，整个系统结构简单，控制简单；

2、摄像头与塔臂的高度可调整，摄像头可旋转，可采摘棉花的空间范围大。

3、四自由度机械手爪的采棉动作轻柔，能保护棉花纤维长度不被破坏，机械手张开/闭合装置可以精准地抓取棉花，保证所采摘棉花的清洁度。

4、采摘后的棉花由四自由度机械手送到塔臂的棉花传送皮带上，再由传送皮带在旋转电机的带动下将棉花送入棉花袋，即棉花的采摘与收纳实现了流水作业，不需由机械手将棉花直接送入棉花袋，减少了采棉机械手的关节个数和手臂长度，减小了控制难度，降低了控制程序的复杂度，提高了棉花采摘的速度和效率。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明电气信息流向图；

图3为本发明单片机的控制流程图。

图中：1、采棉机械手；2、塔臂；3、塔杆；4、摄像部件；5、单片机控制部件；6、棉花收纳部件；7、采棉软管；11、第一关节舵机；12、第一手臂；13、第二关节舵机；14、第二手臂；15、第三关节舵机；16、第三手臂；17、第四关节舵机；18、第四手臂；19、机械手爪控制装置；110、机械手爪； 21、塔臂架；22、棉花传送导槽；23、棉花传送皮带；24、电机；25、滑轮；31、转盘模块；32、中间塔杆；33、下部塔杆；34、升降电机；41、摄像头；42、支撑杆；51、单片机；52、电气信息收发电路；53、工作按钮；61、小车；62、棉花袋；63、棉花袋拉锁；64、车门；65、车轮；66、推手。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1-图3所示，公开了一种智能采棉机，包括采棉机械手1、塔臂2、塔杆3、摄像部件4和棉花收纳部件6，塔杆3安装在棉花收纳部件6的顶部位置，塔臂2安装在塔杆3的顶部，采棉机械手1安装在塔臂2的另一端底部，采棉机械手1为四自由度机械手，用于抓取目标棉花；摄像部件4穿过塔臂2与塔杆3固定，棉花收纳部件6顶部一端设有单片机控制部件5，另一端设有采棉软管7，单片机控制部件5对整个采棉机的电路协调控制，采棉软管7底部插入棉花收纳部件6的内部，顶部与塔臂2的一端连通，实现对棉花的收集。

具体的，采棉机械手1为四自由度机械手，用于抓取目标棉花，包括第一关节舵机11、第一手臂12、第二关节舵机13、第二手臂14、第三关节舵机15、第三手臂16、第四关节舵机17、第四手臂18、机械手爪控制装置、19和机械手爪110，第一关节舵机11为水平面转动，设在塔臂2另一端的底部，与第一手臂12的一端转动连接，构成机械手的第一自由度，第一手臂12的另一端与第二手臂14的一端通过第二关节舵机13转动连接，构成机械手的第二自由度，第二手臂14的另一端与第三手臂16的一端通过第三关节舵机15转动连接，构成机械手的第三自由度，第三手臂16的另一端与第四手臂18的一端通过第四关节舵机17转动连接，构成机械手的第三自由度，第四手臂18的另一端通过机械手爪控制装置19与机械手爪110转动连接；机械手爪控制装置19控制机械手四爪的张开与闭合。

具体的，塔臂2用于固定采棉机械手1和传送棉花，包括塔臂架21和传送装置，塔臂架21内开设有棉花传送导槽22，传送装置设于棉花传送导槽22内，目的是为了将棉花通过棉花传送皮带23传送至采棉软管7进入棉花袋62，实现智能自动化，减少劳动力。

具体的，传送装置包括棉花传送皮带23、电机24和滑轮25，滑轮25设置在棉花传送导槽22的两端，棉花传送皮带23套设在滑轮25上，电机24的输出轴与右侧的滑轮25转动连接，滑轮25带动棉花传送皮带23顺时针方向传动，实现棉花的传送。

具体的，塔杆3包括连接塔杆3与塔臂2的转盘模块31、中间塔杆32、下部塔杆33，以及升降电机34，转盘模块31可以在水平面绕中间塔杆32旋转90度，转盘模块31设于塔臂2的一端底部，转盘模块31与中间塔杆32通过轴承转动连接，中间塔杆32与下部塔杆33螺纹连接，升降电机34输出轴与下部塔杆33连接；升降电机34转动用来调节下部塔杆33的高度，使塔臂2的高度得到调整；适应更多的环境，增加摘棉花的高度。

具体的，摄像部件4包括摄像头41、支撑杆42；支撑杆42通过塔臂2中间的圆洞固定在塔杆3的底部；单片机控制部件5与摄像头41、采棉机械手1、电机24及升降电机34之间分别有电路相连，各部件之间的电气信息流向如图2中带箭头的虚线所示；摄像头41获取的棉花位置信息，通过电路送入单片机51，单片机51发出旋转电机24和升降电机34运转的信息，发出四自由度机械手爪110动作的信息。

具体的，单片机控制部件5包括单片机51、电气信息收发电路52和工作按钮53、单片机51采用32位的MK60DN512单片机，单片机控制部件5与摄像头41、采棉机械手1、电机24及升降电机34之间分别有电路相连，各部件之间的电气信息流向如图2中带箭头的虚线所示；摄像头41获取的棉花位置信息通过电路送入单片机51，单片机51发出旋转电机24和升降电机34运转的信息，发出四自由度机械手爪110动作的信息。

具体的，棉花收纳部件6包括小车61和棉花袋62，棉花袋62设于小车61内，棉花袋62设有棉花袋拉锁63，方便棉花的倒出。

具体的，小车61设有车门64，小车61底部四角设有车轮65，方便小车61的移动，小车61的端面设有推手66，增加施力点。

如图3所示，一种智能采棉机控制方法，所述方法包括如下步骤：

首先对单片机系统进行初始化，由摄像头旋转扫描棉花图像，将图像信息传送给单片机进行处理；单片机根据处理结果获取离机械手最近的目标棉花坐标位置信息，再计算出机械手各关节舵机应该旋转的角度，然后输出各关节舵机的控制信号；各关节舵机根据单片机送来的控制信号转动到指定位置，单片机再控制机械手四爪张开与闭合，抓取目标棉花；最后单片机控制四自由度机械手将抓取的棉花送到塔臂的棉花传送皮带上，棉花随传送带的运行送入棉花袋中，一次采棉动作结束。再由摄像头不断获得附近与前方的棉花信息，机械手不断抓取棉花放到棉花传送带，如此循环，实现智能、高效、高质量的棉花采摘。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能采棉机，其特征在于，包括采棉机械手、塔臂、塔杆、摄像部件和棉花收纳部件，所述塔杆安装在所述棉花收纳部件的顶部位置，所述塔臂安装在塔杆的顶部，所述采棉机械手安装在塔臂的另一端底部，所述摄像部件穿过塔臂与塔杆固定，所述棉花收纳部件顶部一端设有单片机控制部件，另一端设有采棉软管，所述单片机控制部件对整个采棉机的电路协调控制，所述采棉软管底部插入棉花收纳部件的内部，顶部与塔臂的一端连通。

2.根据权利要求1所述的智能采棉机，其特征在于，所述采棉机械手包括第一关节舵机、第一手臂、第二关节舵机、第二手臂、第三关节舵机、第三手臂、第四关节舵机、第四手臂、机械手爪控制装置和机械手爪，所述第一关节舵机设在塔臂另一端的底部，与所述第一手臂的一端转动连接，所述第一手臂的另一端与所述第二手臂的一端通过第二关节舵机转动连接，所述第二手臂的另一端与第三手臂的一端通过第三关节舵机转动连接，所述第三手臂的另一端与第四手臂的一端通过第四关节舵机转动连接，所述第四手臂的另一端通过机械手爪控制装置与机械手爪转动连接。

3.根据权利要求1所述的智能采棉机，其特征在于，所述塔臂包括塔臂架和传送装置，所述塔臂架内开设有棉花传送导槽，所述传送装置设于棉花传送导槽内。

4.根据权利要求3所述的智能采棉机，其特征在于，所述传送装置包括棉花传送皮带、电机和滑轮，所述滑轮设置在棉花传送导槽的两端，所述棉花传送皮带套设在滑轮上，所述电机的输出轴与滑轮转动连接。

5.根据权利要求1所述的智能采棉机，其特征在于，所述塔杆包括连接塔杆与塔臂的转盘模块、中间塔杆、下部塔杆，以及升降电机，所述转盘模块设于塔臂的一端底部，所述转盘模块与中间塔杆通过轴承转动连接，所述中间塔杆与下部塔杆螺纹连接，所述升降电机输出轴与下部塔杆连接。

6.根据权利要求1所述的智能采棉机，其特征在于，所述摄像部件包括摄像头、支撑杆；所述支撑杆通过塔臂中间的圆洞固定在塔杆的底部。

7.根据权利要求1所述的智能采棉机，其特征在于，所述单片机控制部件包括单片机、电气信息收发电路和工作按钮、所述单片机控制部件用于对整个采棉机电路进行控制，所述电气信息收发电路用于接收和发送采棉机各部件的控制信号，所述工作按钮用于控制电路开关。

8.根据权利要求1所述的智能采棉机，其特征在于，所述棉花收纳部件包括小车和棉花袋，所述棉花袋设于小车内，所述棉花袋设有棉花袋拉锁。

9.根据权利要求8所述的智能采棉机，其特征在于，所述小车设有车门，所述小车底部四角设有车轮，所述小车的端面设有推手。

10.一种智能采棉机控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

对单片机初始化，并通过摄像头采集棉花图像信息；

将图像信息传送给单片机进行处理，计算目标棉花坐标位置信息和机械手各关节舵机应该旋转的角度；

输出各关节舵机的控制信号，使机械手爪移动到目标棉花坐标位置；

单片机再控制机械手爪张开与闭合，抓取目标棉花移至棉花传送带。