地下作物采挖机器人及其控制方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]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】】
[0002]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。
[0003]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……。
[0004]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。
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【发明内容】
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[0005]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。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0007]—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；
[0008]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；
[0009]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?产尾部还与偏心轮机构连接；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]所述的地下作物为土豆、番薯或花生。
[0019]—种地下作物采挖机器人的控制方法，包括以下步骤:
[0020]步骤I)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；
[0021]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；
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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:
[0025]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。
[0026]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]进一步，每个继电器输入端应该接一个