地下作物采挖機器人及其控制方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)智能機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及地下作物采挖機器人及其控制方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化程度的發(fā)展越來越高，為我國糧食供應做出巨大貢獻，但機械的耕作與收成大都局限于交通平坦的地區(qū)，對于山地、丘陵等復雜地形難以開發(fā)利用，即使有小型農(nóng)作機械可通過人搬運的方式到達山地作業(yè)，看似減輕了開墾的勞動強度，卻增加了搬運機械的負擔。用大型機器在復雜地形作業(yè)，很可能在陸地上擱淺，在梯田建造公路來運機械設(shè)備將增加占用田地的面積。
[0003]農(nóng)業(yè)機器人是用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新型多功能機器人，這種新型多功能農(nóng)業(yè)機械的問世，是現(xiàn)代機械農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個亮點，促進了機器人技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展。中國對農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)歷程起步晚、投資少、發(fā)展慢，與發(fā)達國家的差距還很大，目前仍處于起步階段。20世紀90年代中期，國內(nèi)才開始了農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的研發(fā)。國外農(nóng)業(yè)機器人的研制和開發(fā)以日本為代表，其動機，一方面是為了解決勞動力不足的問題，同時使人從耗力或危險之類勞動中解脫出來。農(nóng)業(yè)機器人的不斷研制、開發(fā)并實用化，促進了新的農(nóng)作業(yè)體系的建立和發(fā)展。結(jié)球菜收獲機器人、施肥機器人、施肥機器人……。
[0004]國外的機器人起步早，發(fā)展速度快，國內(nèi)雖然起步晚，目前也取得了一些突破，但對于實現(xiàn)全自動化來說，還有較大的差距。通過國內(nèi)外的農(nóng)業(yè)機器人的對比，我國仍處于初級階段，各國普遍存在的現(xiàn)象是農(nóng)業(yè)機器人高額的開發(fā)成本，使其在于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的競爭中處于劣勢，難于在農(nóng)業(yè)上進行推廣及應用。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明的目的在于提供地下作物采挖機器人及其控制方法，該機器人具有機械體積的輕型化、行駛的自動化以及地下作物的自動裝袋等特點，以電池電力作為驅(qū)動能源，無污染，便于農(nóng)業(yè)推廣。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0007]—種地下作物采挖機器人，包括行走機構(gòu)、松土機構(gòu)、傳送機構(gòu)、裝袋機構(gòu)和控制系統(tǒng)；
[0008]所述的行走機構(gòu)包括分別設(shè)置在機架兩端的驅(qū)動輪和從動輪，驅(qū)動輪包括第一電機驅(qū)動的右驅(qū)動輪和第二電機驅(qū)動的左驅(qū)動輪；驅(qū)動輪一端為機頭；
[0009]所述的松土機構(gòu)設(shè)置在機架的底部，包括刨土鏟和松土鏟；刨土鏟和松土鏟尾部均與機架連接，頭部向機頭端傾斜；松土?產(chǎn)尾部還與偏心輪機構(gòu)連接；
[0010]所述的傳送機構(gòu)設(shè)置在機架上，包括水平傳送帶、豎直傳送帶和第三電機；第三電機驅(qū)動偏心輪機構(gòu)、水平傳送帶和豎直傳送帶轉(zhuǎn)動；水平傳送帶頭部與刨土鏟尾部接觸，尾部與豎直傳送帶底部接觸；
[0011]所述的裝袋機構(gòu)設(shè)在機架尾部，包括裝地下作物的袋子，袋子的口部與豎直傳送帶后部的上端接觸；
[0012]所述的控制系統(tǒng)設(shè)置在機架頭部，包括控制機器人工作的電路箱、給機器人工作提供電源的電池和設(shè)置在機器人右臂上的傳感控制單元，機器人右臂設(shè)置在機架的機頭上傳感控制單元與電路箱電連接。
[0013]所述的豎直傳送帶包括多個設(shè)置在傳動帶上的用于接收水平傳送帶傳送的地下作物并向上運送到袋子的料斗，與水平傳送帶接觸的一側(cè)料斗口部向上。
[0014]所述的松土鏟、料斗和水平傳送帶均由間隔設(shè)置的多個圓柱橫桿并排連接而成，所述橫桿之間的間隔可調(diào)。
[0015]所述的裝袋機構(gòu)包括夾子、彈簧、滑動支撐板和擋板，擋板設(shè)置在豎直傳送帶之后，且垂直設(shè)置在機架上；夾子設(shè)置在擋板上端的橫梁上用于夾住袋子口部，滑動支撐板一側(cè)與擋板活動連接，并通過彈簧與橫梁彈性連接，袋子放置在滑動支撐板上。
[0016]所述的電路箱包括繼電器、變壓器和設(shè)置有控制電路的電路板，變壓器與電池連接給控制電路和電機供電，控制電路包括單片機、大電流開關(guān)和手動開關(guān)，單片機通過第三繼電器控制大電流開關(guān)，單片機通過第一繼電器、第二繼電器控制第一電機和第二電機，每個繼電器輸入端還接有三極管，每個三極管的輸出端對應并聯(lián)一個二極管；第一電機和第二電機還設(shè)置第一限流電阻和第二限流電阻，第一繼電器、第二繼電器的輸出端串聯(lián)手動開關(guān)后連接第三繼電器。
[0017]所述的傳感控制單元包括第一傳感器、第二傳感器、第一 LED燈、第二 LED燈和黑線，機器人右臂由相互連接的上架和下架組成，第一傳感器和第二傳感器設(shè)置在上架上；第一 LED燈和第二 LED燈設(shè)置在下架上，并分別與第一傳感器和第二傳感器對應設(shè)置，第一傳感器均與單片機連接；黑線一端為分叉頭結(jié)構(gòu)，黑線穿過機器人右臂，分叉頭結(jié)構(gòu)一端設(shè)置在地下作物采挖方向的耕地上。
[0018]所述的地下作物為土豆、番薯或花生。
[0019]—種地下作物采挖機器人的控制方法，包括以下步驟:
[0020]步驟I)沿地下作物采挖方向鋪設(shè)黑線，黑線穿過機器人右臂，分叉頭結(jié)構(gòu)一端設(shè)置在機頭方向；
[0021]步驟2)啟動手動開關(guān)，采挖機器人在控制系統(tǒng)的傳感控制下沿黑線行駛，進行采挖工序；
[0022]步驟3)第三繼電器斷開，或出現(xiàn)失控時采用手動開關(guān)切斷電源，采挖機器人停止。
[0023]作為本發(fā)明的進一步改進，所述的采挖工序具體包括以下步驟:采挖機器人向前行駛，偏心輪機構(gòu)帶動松土鏟松土，刨土鏟犁起地下作物和泥土混合物，松土鏟的圓柱橫桿之間間隙篩掉部分泥土，經(jīng)過水平傳送帶的傳送再次篩去部分泥土，到達豎直傳送帶時，料斗第三次篩泥土，到豎直傳送帶最高點倒出地下作物裝袋子；隨著地下作物重量的增加，彈簧被拉伸，滑動支撐板向下滑動，當?shù)叵伦魑镅b滿時，滑動支撐板到達擋板底部，通過手動開關(guān)切斷電源，卸下裝滿地下作物的袋子，更換空的袋子。
[0024]作為本發(fā)明的進一步改進，所述的傳感控制步驟具體包括以下步驟:
[0025]采挖機器人向前直行時，第一 LED燈和第二 LED燈發(fā)出的光線沒有被黑線遮擋，第一傳感器和第二傳感器接受到光信號，第一電機和第二電機同步轉(zhuǎn)動，采挖機器人繼續(xù)前行；當采挖機器人向右驅(qū)動輪一側(cè)偏移時，第一 LED燈被黑線遮擋，第一傳感器接受不到信號，第二電機開始減速，第一電機速度不變，實現(xiàn)向左驅(qū)動輪一側(cè)微調(diào)整，當兩個傳感器都接受到信號時，機器人恢復向前直行方向；同樣的控制方法進行采挖機器人向左驅(qū)動輪一側(cè)偏移時的微調(diào)；當機器人右臂到達黑線分叉結(jié)構(gòu)時，兩個傳感器都被遮擋，第三繼電器切斷電機電源，機器人停止。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0027]本發(fā)明地下作物采挖機器人解決了現(xiàn)今挖地下作物機械結(jié)構(gòu)上的不足。在機構(gòu)設(shè)計中，包括行走機構(gòu)、松土機構(gòu)、傳送機構(gòu)、裝袋機構(gòu)和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單突出了地下作物機械體積的輕型化、行駛的自動化以及地下作物的自動裝袋等特點，土豆等地下農(nóng)作物形狀多為類球形，易滾動，不宜采用斜傳送帶采用水平傳送帶和豎直傳送帶兩種結(jié)合的方式，實現(xiàn)篩土和地下土豆自動裝袋的功能。另外由于達到30公分以上的土質(zhì)質(zhì)地結(jié)實，單靠刨土鏟很可能因土質(zhì)阻力過大而被弄斷，加上松土鏟后反復推敲下，起到鏟前端松土的作用，使刨土鏟順利刨起土層。以電池電力作為驅(qū)動能源，在農(nóng)業(yè)上充分展現(xiàn)了無污染的優(yōu)勢，采用傳感器控制單元自動控制，實現(xiàn)了人機分離，避免了人觸電的安全隱患。地下作物采挖機器人的出現(xiàn)，給未來的農(nóng)業(yè)電氣自動化提出了初步的構(gòu)想，將會改善傳統(tǒng)機械農(nóng)業(yè)的勞動方式，促進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
[0028]進一步，松土鏟、料斗和水平傳送帶均由間隔設(shè)置的多個圓柱橫桿并排連接而成，保證了作物的傳送的過程中完成三次篩土，保證裝袋的作物無土等雜物，節(jié)省后期處理成本。
[0029]進一步，裝袋機構(gòu)由夾子、彈簧、滑動支撐板和擋板組成，保證作物的裝袋的同時，避免了由于落差造成作物的磕碰影響采挖作物的質(zhì)量。彈簧的作物使作物緩慢的降低裝袋。
[0030]進一步，每個繼電器輸入端應該接一個