CN105009820B - 地下作物采挖机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下作物采挖机器人及其控制方法，该机器人包括行走机构、松土机构、传送机构、装袋机构和控制系统；行走机构包括分别设置在机架两端的驱动轮和从动轮，驱动轮包括第一电机驱动的右驱动轮和第二电机驱动的左驱动轮；驱动轮一端为机头；松土机构设置在机架的底部，包括刨土铲和松土铲；刨土铲和松土铲尾部均与机架连接，传送机构设置在机架上，水平传送带头部与刨土铲尾部接触，尾部与竖直传送带底部接触；装袋机构设在机架尾部，包括装地下作物的袋子。本发明解决了现今挖土豆机械结构上的不足。在机构设计中，突出了土豆机械体积的轻型化、行驶的自动化以及土豆的自动装袋等特点，实现了人机分离，避免了人触电的安全隐患。

Description

地下作物采挖机器人及其控制方法

【技术领域】

本发明属于农业智能机器人技术领域，特别涉及地下作物采挖机器人及其控制方法。

【背景技术】

现代农业机械化程度的发展越来越高，为我国粮食供应做出巨大贡献，但机械的耕作与收成大都局限于交通平坦的地区，对于山地、丘陵等复杂地形难以开发利用，即使有小型农作机械可通过人搬运的方式到达山地作业，看似减轻了开垦的劳动强度，却增加了搬运机械的负担。用大型机器在复杂地形作业，很可能在陆地上搁浅，在梯田建造公路来运机械设备将增加占用田地的面积。

农业机器人是用于农业生产的新型多功能机器人，这种新型多功能农业机械的问世，是现代机械农业发展的一个亮点，促进了机器人技术和自动化技术的发展。中国对农业机器人的研发历程起步晚、投资少、发展慢，与发达国家的差距还很大，目前仍处于起步阶段。20世纪90年代中期，国内才开始了农业机器人技术的研发。国外农业机器人的研制和开发以日本为代表，其动机，一方面是为了解决劳动力不足的问题，同时使人从耗力或危险之类劳动中解脱出来。农业机器人的不断研制、开发并实用化，促进了新的农作业体系的建立和发展。结球菜收获机器人、施肥机器人、施肥机器人……。

国外的机器人起步早，发展速度快，国内虽然起步晚，目前也取得了一些突破，但对于实现全自动化来说，还有较大的差距。通过国内外的农业机器人的对比，我国仍处于初级阶段，各国普遍存在的现象是农业机器人高额的开发成本，使其在于传统农业的竞争中处于劣势，难于在农业上进行推广及应用。

【发明内容】

本发明的目的在于提供地下作物采挖机器人及其控制方法，该机器人具有机械体积的轻型化、行驶的自动化以及地下作物的自动装袋等特点，以电池电力作为驱动能源，无污染，便于农业推广。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种地下作物采挖机器人，包括行走机构、松土机构、传送机构、装袋机构和控制系统；

所述的行走机构包括分别设置在机架两端的驱动轮和从动轮，驱动轮包括第一电机驱动的右驱动轮和第二电机驱动的左驱动轮；驱动轮一端为机头；

所述的松土机构设置在机架的底部，包括刨土铲和松土铲；刨土铲和松土铲尾部均与机架连接，头部向机头端倾斜；松土铲尾部还与偏心轮机构连接；

所述的传送机构设置在机架上，包括水平传送带、竖直传送带和第三电机；第三电机驱动偏心轮机构、水平传送带和竖直传送带转动；水平传送带头部与刨土铲尾部接触，尾部与竖直传送带底部接触；

所述的装袋机构设在机架尾部，包括装地下作物的袋子，袋子的口部与竖直传送带后部的上端接触；

所述的控制系统设置在机架头部，包括控制机器人工作的电路箱、给机器人工作提供电源的电池和设置在机器人右臂上的传感控制单元，机器人右臂设置在机架的机头上传感控制单元与电路箱电连接。

所述的竖直传送带包括多个设置在传动带上的用于接收水平传送带传送的地下作物并向上运送到袋子的料斗，与水平传送带接触的一侧料斗口部向上。

所述的松土铲、料斗和水平传送带均由间隔设置的多个圆柱横杆并排连接而成，所述横杆之间的间隔可调。

所述的装袋机构包括夹子、弹簧、滑动支撑板和挡板，挡板设置在竖直传送带之后，且垂直设置在机架上；夹子设置在挡板上端的横梁上用于夹住袋子口部，滑动支撑板一侧与挡板活动连接，并通过弹簧与横梁弹性连接，袋子放置在滑动支撑板上。

所述的电路箱包括继电器、变压器和设置有控制电路的电路板，变压器与电池连接给控制电路和电机供电，控制电路包括单片机、大电流开关和手动开关，单片机通过第三继电器控制大电流开关，单片机通过第一继电器、第二继电器控制第一电机和第二电机，每个继电器输入端还接有三极管，每个三极管的输出端对应并联一个二极管；第一电机和第二电机还设置第一限流电阻和第二限流电阻，第一继电器、第二继电器的输出端串联手动开关后连接第三继电器。

所述的传感控制单元包括第一传感器、第二传感器、第一LED灯、第二LED灯和黑线，机器人右臂由相互连接的上架和下架组成，第一传感器和第二传感器设置在上架上；第一LED灯和第二LED灯设置在下架上，并分别与第一传感器和第二传感器对应设置，第一传感器均与单片机连接；黑线一端为分叉头结构，黑线穿过机器人右臂，分叉头结构一端设置在地下作物采挖方向的耕地上。

所述的地下作物为土豆、番薯或花生。

一种地下作物采挖机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)沿地下作物采挖方向铺设黑线，黑线穿过机器人右臂，分叉头结构一端设置在机头方向；

步骤2)启动手动开关，采挖机器人在控制系统的传感控制下沿黑线行驶，进行采挖工序；

步骤3)第三继电器断开，或出现失控时采用手动开关切断电源，采挖机器人停止。

作为本发明的进一步改进，所述的采挖工序具体包括以下步骤：采挖机器人向前行驶，偏心轮机构带动松土铲松土，刨土铲犁起地下作物和泥土混合物，松土铲的圆柱横杆之间间隙筛掉部分泥土，经过水平传送带的传送再次筛去部分泥土，到达竖直传送带时，料斗第三次筛泥土，到竖直传送带最高点倒出地下作物装袋子；随着地下作物重量的增加，弹簧被拉伸，滑动支撑板向下滑动，当地下作物装满时，滑动支撑板到达挡板底部，通过手动开关切断电源，卸下装满地下作物的袋子，更换空的袋子。

作为本发明的进一步改进，所述的传感控制步骤具体包括以下步骤：

采挖机器人向前直行时，第一LED灯和第二LED灯发出的光线没有被黑线遮挡，第一传感器和第二传感器接受到光信号，第一电机和第二电机同步转动，采挖机器人继续前行；当采挖机器人向右驱动轮一侧偏移时，第一LED灯被黑线遮挡，第一传感器接受不到信号，第二电机开始减速，第一电机速度不变，实现向左驱动轮一侧微调整，当两个传感器都接受到信号时，机器人恢复向前直行方向；同样的控制方法进行采挖机器人向左驱动轮一侧偏移时的微调；当机器人右臂到达黑线分叉结构时，两个传感器都被遮挡，第三继电器切断电机电源，机器人停止。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明地下作物采挖机器人解决了现今挖地下作物机械结构上的不足。在机构设计中，包括行走机构、松土机构、传送机构、装袋机构和控制系统，结构简单突出了地下作物机械体积的轻型化、行驶的自动化以及地下作物的自动装袋等特点，土豆等地下农作物形状多为类球形，易滚动，不宜采用斜传送带采用水平传送带和竖直传送带两种结合的方式，实现筛土和地下土豆自动装袋的功能。另外由于达到30公分以上的土质质地结实，单靠刨土铲很可能因土质阻力过大而被弄断，加上松土铲后反复推敲下，起到铲前端松土的作用，使刨土铲顺利刨起土层。以电池电力作为驱动能源，在农业上充分展现了无污染的优势，采用传感器控制单元自动控制，实现了人机分离，避免了人触电的安全隐患。地下作物采挖机器人的出现，给未来的农业电气自动化提出了初步的构想，将会改善传统机械农业的劳动方式，促进了现代农业的发展。

进一步，松土铲、料斗和水平传送带均由间隔设置的多个圆柱横杆并排连接而成，保证了作物的传送的过程中完成三次筛土，保证装袋的作物无土等杂物，节省后期处理成本。

进一步，装袋机构由夹子、弹簧、滑动支撑板和挡板组成，保证作物的装袋的同时，避免了由于落差造成作物的磕碰影响采挖作物的质量。弹簧的作物使作物缓慢的降低装袋。

进一步，每个继电器输入端应该接一个三极管，用来放大电流，驱动继电器工作，在三极管的输出端(集电极)对应并联一个二极管，用来保护三极管不被过流击穿。开关采用串联的方式，使电机达到减速的目的，电机开关由手动和软件同时控制同时满足条件时才能启动电机，手动开关是为了软件控制失效时，人为切断电机的电源。控制安全，可操作性高。

进一步，右臂上装有光电检测传感器，通过在地上铺设黑线实现机器人的左右偏移时的微调，实现机器人的自动控制。

本发明的控制方法，控制准确，操作简单，实现了完全的自动控制采挖的过程。地下作物采挖机器人的出现，给未来的农业电气自动化提出了初步的构想，将会改善传统机械农业的劳动方式，促进了现代农业的发展。

进一步，采挖过程自动完成采挖和装袋，自动三步筛土，自动化程度高。

进一步，行走控制简单、可靠，黑线与传感器的配合，加上单片机的控制，可进行自动偏移的调整，结束的自动停止等，过程中完全解放人力成本。采用传感器和单片机的自动控制，实现了人机分离，避免了人触电的安全隐患。

【附图说明】

图1为采挖机器人整体示意图；

图2为外置装袋机构示意图；

图3为采挖机器人电路控制图；

图4为三极管驱动继电器电路图；

图5为采挖机器人手臂光电传感器控制示意图；

图6为采挖机器人行驶控制流程图。

图中，1、机架，2、右驱动轮，3、机器人右臂，4、左驱动轮，5、第一电机，6、第二电机，7、电路箱，8、电池，9、减速器，10、第三电机，11、刨土铲，12、松土铲，13、从动轮，14、水平传送带，15、张紧轮，16、皮带，17、竖直传送带，18、料斗，19、挡板，20、滑动支撑板，21、弹簧，22、横梁，23、夹子，24、袋子，25、手动开关，26、第三继电器，27、第一传感器，28、第二传感器，29、第一LED灯，30、第二LED灯，31、黑线。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。地下作物以土豆为例进行说明。

本发明一种地下作物采挖机器人主要通过三部分实现，一是挖掘农作物的机械动作部分，二是单片机的控制部分，三是传感器控制机器人的行进控制部分。

如图1所示，在机器人的机械部分，地下作物采挖机器人包括行走机构、松土机构、传送机构、装袋机构和控制系统。行走机构包括设置在机架1头部和尾部两个驱动轮和两个从动轮13，两个驱动轮包括第一电机5驱动的右驱动轮2和第二电机6驱动的左驱动轮4。松土机构安装在机架1底部且向机架头部倾斜设置。松土机构由刨土铲11和松土铲12组成，刨土铲11设置在松土铲12上，刨土铲11为固定式，其底部由相隔设置的横杆组成，其尾部与传送机构连接，将挖出的土豆连带土壤沿着铲内壁推送到水平传送带14上。松土铲12尾部通过偏心轮与减速器9的输出轴连接。由于达到30公分以上的土质质地结实，单靠刨土铲11时，刨土铲11很可能因土质阻力过大而被弄断，加上松土铲12后，在松土铲12在偏心机构的带动下反复推敲下，起到铲前端松土的作用，使刨土铲11顺利刨起土层。传送机构设置在机架1的尾部，包括水平传送带14和竖直传送带17，水平传送带14前端和刨土铲11后端连接，水平传送带14后端与竖直传送带17底部连接。土豆等地下农作物形状多为类球形，易滚动，不宜采用斜传送带。因此，地下作物采挖机器人的传送带采用水平传送带14和竖直传送带17两种结合的方式，实现筛土和地下土豆自动装袋的功能。水平传送带14由多个圆柱横杆并排连接而成，各杆间隔一定的距离，保证沙土被筛落地上的同时，将土豆等地下农作物分离出并留在水平传送带14上方；竖直传送带17由多个设置在传动带上的料斗18组成，与水平传送带14接触的一侧料斗18口部向上设置，料斗18底部由间隔设置的横杆组成。水平传送带14和竖直传送带17均与减速器9输出轴通过皮带16连接，第三电机10通过减速器9驱动水平传送带14和竖直传送带17均逆时针转动。皮带连接机构上还设置有张紧轮15。土豆等地下农作物再经过竖直传送带17的运转再次筛出沙土，到达自动装袋的末端时，粘在土豆上的泥土就很少了。机架1的头部上依次设置电路箱7和电池8。第一电机5和第二电机6均通过设置减速器驱右驱动轮2和左驱动轮4。

如图2所示，装袋机构设置在竖直传送带17后端，主要由夹子23、弹簧21、滑动支撑板20和挡板19等组成。挡板19垂直设置，其下端固定在机架1上用于挡住竖直传送带的料斗18，上端设置滑动支撑板20和夹子23，夹子23设置在挡板上端的横梁22上用于夹住袋子24口部，滑动支撑板20一侧与挡板19活动连接，通过弹簧21与横梁22弹性连接。将袋子卷起压缩，放在滑动支撑板20上，开口两端用夹子23夹住，袋子的口部正对料斗向下运动的料斗18的口部，竖直传送带17将土豆传送到袋子24内。随着土豆重量的增加，弹簧21被拉伸，滑动支撑板向下滑动，当地下土豆装满时，滑动支撑板20到达挡板19底部，通过手动开关切断电源，卸下装满土豆等的袋子，更换空袋子，完成一次土豆的采挖。

如图3和图4所示，在单片机控制部分，包括第一、第二和第三继电器(RL1、RL2、RL3)，第一继电器RL1、第二继电器RL2分别连接第一电机、第二电机；因为单片机输出口的电流很小，无法驱动继电器，所以在每个继电器输入端应该接一个NPN三极管(Q1、Q2、Q3)，用来放大电流，驱动继电器工作。而为了保护此三极管的正常工作，还应在三极管的输出端(集电极)对应并联一个二极管(D1、D2、D3)，用来保护三极管(D1、D2、D3)不被过流击穿。单片机采用AT89C51型单片机作为控制芯片，通过第三继电器26控制大电流开关，第一传感器27、第二传感器28分别表示为机械臂上机器人右臂3的左右传感器，电阻R1和R2分别为第一电机5和第二电机6的限流电阻，使电机达到减速的目的，电机开关由手动和软件同时控制，开关采用串联的方式，同时满足条件时才能启动电机，手动开关25是为了软件控制失效时，人为切断电机的电源。

在机器人的传感控制部分，图示箭头向右为机器人的前进方向，第一电机驱动机器人的左轮胎4，第二电机驱动右轮胎5。当第一传感器27和第二传感器28都为高电平时，第一电机5和第二电机6额定转速运行，带动挖土豆机器人直线前行，当第一传感器27为低电平，第二传感器28为高电平时，P1.1口输出高电平，使第一继电器RL1接通R1电阻，第一电机5电流减小实现减速，第二电机6电流不变，使机器人向左行驶，同理可实现向右行驶，当两个传感器为低电平时，启动第三继电器RL3，断开电机电源。地下作物采挖机器人采用对射型光电传感器27和28。发光器和接受器组成对射式光电开关，由于检测距离不大，受日光散射的影响较小。对射式光电开关分别把发光器和接受器装在检测线条通过路径的两侧，发送器对准接收器发射光束，通过检测物体阻挡光路的变化，接收器达到动作灵敏度时，将输出一个电信号，再由处理器控制开关动作，发射器的光束一般来源于发光二极管(LED)、半导体光源和激光二极管等。接收器由光电二极管和光电池组成。在接收器的前面按实际需要装有光圈和透镜等调光元件，接收器后面是能滤出有效信号和应用信号的检测电路。

图5和图6所示，机器人的控制方法，地下作物采挖机器人右臂上装有光电检测传感器，设定向右为机器人前行方向，假设传感器接受到信号为高电平。黑线31穿过机器人右臂沿采挖机器人行走方向设置。事先在地上铺设黑线31，黑线31一端为分叉头结构，分叉头结构一端设置在机器人行驶方向的耕地上。机器人向前直行时，若第一LED灯29发出的光线没有遮挡，两个传感器接受到光信号，显示高电平，左右电机同步转动，机器人继续前行。当第一LED灯29被遮挡时，表示机器人向右偏移，第一传感器27接受不到信号，发出相应的低电平信号，左电机6开始减速，右电机5速度不变，实现微向左行驶，当两个传感器都接受到信号时，机器人恢复向前直行方向。同理，第二传感器28接受不到信号时，机器人微向右行驶，右臂到达黑线31两头时，两个传感器都被遮挡，切断电机电源，机器人停止。

实际设计中：

1.电机的选取和使用

目前机器人运动的控制系统中常用的驱动电机是直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直接驱动电机。在选取电机的时候应该考虑外形、重量、安装方式、转矩、转速、制动、轴承、功率、电流等因素。传动比分级精细，转速型谱宽，选择范围广。直流电机的减速结构紧凑，减速器效率高达百分之九十六，振动小，噪音低。结构简单，制造成本低，维护维修简单经济，可频繁起动、制动地下作物采挖机器人是一种农用机器人，其推广的主要限制因素是成本高，其次功率输出要求较高，才能保证作业效率，考虑电机具有较强的过载能力，适宜采用直流电机或交流电机直流和交流电机的选取，由于目前交流电机和直流电机技术非常成熟，电机成本不高，采用这两种电机降低了成本，提高了可靠性，降低了维护难度，使机器在经济不发达，知识水平不高的农村地区推广成为可能。

2.减速机的使用和选取

减速器是一种由封闭在刚性箱体内的齿轮传动或蜗杆传动所组成的、具有固定传动比的独立部件，装置在原动机与工作机之间作为减速之用。个别场合也用于增速，这是称为增速器。减速器由于结构紧凑，润滑良好，传动质量可靠，使用维护简单，并有标准系列，成批生产，因而应用十分广泛。

减速器是一个机械箱体，而减速机为减速器带电机一体的机构，挖土豆机器人所应对的是结实或粘稠的土质状况，要求保证足够功率的同时有较大的转矩，必要时可采用减速机另加减速器的组合。减速机体按照传动类型可分为齿轮减速机、蜗杆减速机和行星齿轮减速机，按照传动级数不同可分为单级和多级减速机。圆柱齿轮减速机的使用，由于圆柱齿轮减速机转矩大、转速高，土豆采摘机器人工作环境复杂，采用圆柱齿轮减速机，能有效保护电机。

减速机的作用：1、降速同时避免了电机过载，散热性能稳定。2、提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘以减速比。由于挖土豆机器人应用于转矩大、转速高的场合，一般采用圆柱齿轮减速机为宜。

3.传感器的使用和选取

土豆机器人采用的传感器是光电传感器，通过检测光信号的变化，借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，再将电信号输送至处理器中。传感器的结构简单，形式灵活多样，可测参数多，光电式传感器具有反应快、精度高、非接触等优点，因此在自动控制中应用十分广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它由光源、光通路和光电元件三部分组成，可用于直接检测光量变化，如光强、辐射以及气体成分分析等；用于检测其他非电量时，如零件形状、直径、表面粗糙度、位移、速度、振动等，将光信号的遮挡关系、吸收率等转变为电信号。

根据光通量对光电元件的作用原理不同，将光电元件输出量分模拟光电传感器和脉冲光电传感器，地下作物采挖机器人所用的传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，根据光线遮挡的变化改变电信号的输出，因此，一般采用模拟式光电传感器。

模拟式光电传感器按检测物体方式的不同可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。透射式是指恒光源发出的光能量穿过被测物时,部份光被吸收后,其余的透射光投射到光电元件上。漫反射式是指光源发出的光投射被测物体表面上，再反射到光电元件中。遮光式是指光源发出的光通量初始是投射到光电元件的，当被物体遮挡大部份后,电元件检测到光通量改变达到灵敏度时,可产生相应的电信号。

地下作物采挖机器人采用对射型光电传感器。发光器和接受器组成对射式光电开关，由于检测距离不大，受日光散射的影响较小。对射式光电开关分别把发光器和接受器装在检测线条通过路径的两侧，发送器对准接收器发射光束，通过检测物体阻挡光路的变化，接收器达到动作灵敏度时，将输出一个电信号，再由处理器控制开关动作，发射器的光束一般来源于发光二极管(LED)、半导体光源和激光二极管等。接收器由光电二极管和光电池组成。在接收器的前面按实际需要装有光圈和透镜等调光元件，接收器后面是能滤出有效信号和应用信号的检测电路。光电传感器的使用，通过光电传感器对设定颜色的感应，可以实时修正机器人行进路线避免因机器人跑偏而造成的农作物次品的出现，同时也增加了机器本身的安全性。

4、电池电源使用和选取

由于地下作物采挖机器人在田地中的作业深度达到30厘米以上，对电机的转矩输出要求高，为保证有足够的功率进行掘土作业，地下作物采挖机器人的是自行按照拉好的黑线，沿着设定好的路线自动行驶完成挖土豆的，另外，机器上不坐人，所以电池输出电压可以达到100伏以上，即能保证人身安全，又有较高的输出功率。

地下作物采挖机器人的驱动电源有四种蓄电池可供选择，即铅酸蓄电池、胶体蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子电池。地下作物采挖机器人属于推广型小型机器，选择电池电源时，应选择性价比适中的电池，要求能最大限度降低成本的同时，还能保证有足够的输出功率，才能达到普及应用的目的。

5、51型单片机的使用

电路以AT89C51单片机作为控制芯片，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位微处理器，带有4K字节的可反复擦写的程序存储器(PROM)，和128字节的内部数据存储器(RAM)，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，该器件采用ATMEL公司高密度、非易失的存储器生产技术，断电时保存RAM中。51型单片机的使用，51型单片机是一种廉价的功能强大且技术成熟的小型嵌入式可编程器件，通过对单片机的编程，可实现对不同长度土地的灵活自动化采摘。

本机器人的工作原理如下：

1、启动方式

机器人启动开关由手动开关25和继电器开关26组成，两者为串联关系，继电器开关为闭合状态，启动手动开关25后，若两个传感器都没被铺设的黑线遮挡，立即启动所有部件。

2、停止方式

当机器人行驶到黑线31分叉头时，两个传感器被遮挡，继电器RL3开关为断开状态，或出现失控时采用手动开关25切断电源，两个开关任意一个就可切除电源，是机器人所有部件停止。

3、电源采用

采用可移动的蓄电池，电压的大小应根据驱动电机的额定功率来选择，同时保证车轮、铲土机构和传送带都能良好运行，一般能达到100V以上。

4、车轮的驱动

通电后电机高速旋转，经过变速箱后，转速变慢，转矩增大，驱动车轮，通过传感器识别控制左右两个电机的转速，两电机转速相同时，机器人为直线行驶，当两个电机产生转速差时，产生向左或向右行驶，使机器人调整方向。

5、电路箱构成

由电路板、继电器和变压器等组成。变压器转换出100V和5V电压，分别供给于电机和单片机。

6、挖土豆流程

在松土铲12的松土作用下，刨土铲11顺利犁起土豆和泥土混合物，刨土铲12有间隙可筛掉部分泥土，经过水平传送带14再次筛去部分泥土，到达竖直传送带17时，第三次筛土，到最高点倒出装袋。

7、外置装袋机构

主要由夹子23、弹簧21、滑动支撑板20和挡板19等组成。将袋子卷起压缩，开口两端用夹子23夹住，随着土豆重量的增加，弹簧21被拉伸，滑动支撑板20向下滑动，当土豆装满时，滑动支撑板到达挡板底部，通过手动开关切断电源，卸下装满土豆的袋子，更换空袋子。

地下作物采挖机器人是农业机器人的其中之一，它能适应在各种地形上作业，与传统挖土豆机械的动力来源不同，它采用纯电力驱动，重量轻，体积小。它采用单片机控制的电路，自动按照设定好的轨迹进行采挖土豆。本采挖机器人还可用于南方来采挖番薯、花生等地下作物。

本发明通过地下作物采挖机器人的设计，解决了现今挖土豆机械结构上的不足。在机构设计中，突出了土豆机械体积的轻型化、行驶的自动化以及土豆的自动装袋等特点，以电池电力作为驱动能源，在农业上充分展现了无污染的优势，采用传感器和单片机的自动控制，实现了人机分离，避免了人触电的安全隐患。地下作物采挖机器人的出现，给未来的农业电气自动化提出了初步的构想，将会改善传统机械农业的劳动方式，促进了现代农业的发展。

Claims (10)

1.一种地下作物采挖机器人，其特征在于，包括行走机构、松土机构、传送机构、装袋机构和控制系统；

所述的行走机构包括分别设置在机架(1)两端的驱动轮和从动轮，驱动轮包括第一电机(5)驱动的右驱动轮(2)和第二电机(6)驱动的左驱动轮(4)；驱动轮一端为机头；

所述的松土机构设置在机架(1)的底部，包括刨土铲(11)和松土铲(12)；刨土铲(11)和松土铲(12)尾部均与机架(1)连接，头部向机头端倾斜；松土铲(12)尾部还与偏心轮机构连接；

所述的传送机构设置在机架(1)上，包括水平传送带(14)、竖直传送带(17)和第三电机(10)；第三电机(10)驱动偏心轮机构、水平传送带(14)和竖直传送带(17)转动；水平传送带(14)头部与刨土铲(11)尾部接触，平传送带(14)尾部与竖直传送带(17)底部接触；

所述的装袋机构设在机架(1)尾部，包括装地下作物的袋子(24)，袋子(24)的口部与竖直传送带(17)后部的上端接触；

所述的控制系统设置在机架(1)头部，包括控制机器人工作的电路箱(7)、给机器人工作提供电源的电池(8)和设置在机器人右臂(3)上的传感控制单元，机器人右臂(3)设置在机架(1)的机头上的传感控制单元与电路箱(7)电连接。

2.根据权利要求1所述的地下作物采挖机器人，其特征在于，所述的竖直传送带(17)包括多个设置在传动带上的用于接收水平传送带(14)传送的地下作物并向上运送到袋子(24)的料斗(18)，与水平传送带(14)接触的一侧料斗(18)口部向上。

3.根据权利要求2所述的地下作物采挖机器人，其特征在于，所述的松土铲(12)、料斗(18)和水平传送带(14)均由间隔设置的多个圆柱横杆并排连接而成，所述横杆之间的间隔可调。

4.根据权利要求1所述的地下作物采挖机器人，其特征在于，所述的装袋机构包括夹子(23)、弹簧(21)、滑动支撑板(20)和挡板(19)，挡板(19)设置在竖直传送带(17)之后，且垂直设置在机架(1)上；夹子(23)设置在挡板(19)上端的横梁(22)上用于夹住袋子(24)口部，滑动支撑板(20)一侧与挡板(19)活动连接，并通过弹簧(21)与横梁(22)弹性连接，袋子(24)放置在滑动支撑板(20)上。

5.根据权利要求1所述的地下作物采挖机器人，其特征在于，所述的电路箱(7)包括继电器、变压器和设置有控制电路的电路板，变压器与电池(8)连接给控制电路和电机供电，控制电路包括单片机、大电流开关和手动开关(25)，单片机通过第三继电器(RL3)控制大电流开关，单片机通过第一继电器(RL1)、第二继电器(RL2)控制第一电机(5)和第二电机(6)，每个继电器输入端还接有三极管，每个三极管的输出端对应并联一个二极管；第一电机(5)和第二电机(6)还设置第一限流电阻(R1)和第二限流电阻(R2)，第一继电器(RL1)、第二继电器(RL2)的输出端串联手动开关(25)后连接第三继电器(RL3)。

6.根据权利要求5所述的地下作物采挖机器人，其特征在于，所述的传感控制单元包括第一传感器(27)、第二传感器(28)、第一LED灯(29)、第二LED灯(30)和黑线(31)，机器人右臂由相互连接的上架和下架组成，第一传感器(27)和第二传感器(28)设置在上架上；第一LED灯(29)和第二LED灯(30)设置在下架上，并分别与第一传感器(27)和第二传感器(28)对应设置，第一传感器(27)和第二传感器(28)均与单片机连接；黑线(31)一端为分叉头结构，黑线(31)穿过机器人右臂，分叉头结构一端设置在地下作物采挖方向的耕地上。

7.根据权利要求1所述的地下作物采挖机器人，其特征在于，所述的地下作物为土豆、番薯或花生。

8.一种基于权利要求1所述的地下作物采挖机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)沿地下作物采挖方向铺设黑线(31)，黑线(31)穿过机器人右臂，黑线(31)一端设置在机头方向；

步骤2)启动手动开关(25)，采挖机器人在控制系统的传感控制下沿黑线(31)行驶，进行采挖工序；

步骤3)第三继电器(RL3)断开，或出现失控时采用手动开关(25)切断电源，采挖机器人停止。

9.根据权利要求8所述的地下作物采挖机器人的控制方法，其特征在于，所述的采挖工序具体包括以下步骤：采挖机器人向前行驶，偏心轮机构带动松土铲(12)松土，刨土铲(11)犁起地下作物和泥土混合物，松土铲(12)的圆柱横杆之间间隙筛掉部分泥土，经过水平传送带(14)的传送再次筛去部分泥土，到达竖直传送带(17)时，料斗(18)第三次筛泥土，到竖直传送带(17)最高点倒出地下作物装袋子(24)；随着地下作物重量的增加，弹簧(21)被拉伸，滑动支撑板(20)向下滑动，当地下作物装满时，滑动支撑板(20)到达挡板底部，通过手动开关(25)切断电源，卸下装满地下作物的袋子(24)，更换空的袋子(24)。

10.根据权利要求8所述的地下作物采挖机器人的控制方法，其特征在于，所述的传感控制步骤具体包括以下步骤：

采挖机器人向前直行时，第一LED灯(29)和第二LED灯(30)发出的光线没有被黑线(31)遮挡，第一传感器(27)和第二传感器(28)接受到光信号，第一电机(5)和第二电机(6)同步转动，采挖机器人继续前行；当采挖机器人向右驱动轮(2)一侧偏移时，第一LED灯(29)被黑线(31)遮挡，第一传感器(27)接受不到信号，第二电机(6)开始减速，第一电机(5)速度不变，实现向左驱动轮(4)一侧微调整，当两个传感器都接受到信号时，机器人恢复向前直行方向；同样的控制方法进行采挖机器人向左驱动轮(4)一侧偏移时的微调；当机器人右臂到达黑线(31)分叉结构时，两个传感器都被遮挡，第三继电器(RL3)切断电机电源，机器人停止。