农业机器人是农业机械领域的研究热点之一,其中部分成熟的技术已在实际的农业生产中开始应用。国内外对农田作业(除草、施肥、喷药等)机器人移动平台的研究已取得初步成果,但对农田土壤采集机器人移动平台的研究鲜有发现。在土壤的物理力学状况研究过程中,土壤样品的采集是一个重要前提,要求尽量保证所取土样的原状度,如果取土的质量无法保障,即使之后研究所用的测试分析技术再先进,也无法得出准确的研究结果。本研究针对以上存在的问题,以实际应用需求为目的,开发了一台结构紧凑、通过性强、取土质量好、取土效率高的农田土壤采集机器人移动平台,给出了机械系统、控制系统设计方案,并开展了初步的田间试验研究。本研究的主要内容如下:(1)机器人移动平台设计方面,首先确定了差速转向的转向方式;然后进行了机械系统进行设计,包括主体框架、支撑转向机构和支撑腿;之后完成了相关硬件选型和分析;接着完成了控制系统的电路设计以及软件编写。该部分工作确定了移动平台轴距为960mm、轮距为600mm,轮毂电机功率1000W,平台最大移动速度2m/s;对控制系统的硬件电路以及软件系统进行设计,并实现了基于调速转把和遥控手柄的移动平台协调运动控制,满足试验要求。(2)使用土力学方法,对取土器入土过程中的受力情况进行了分析,确定取土器的周向阻力矩约为33N·m;通过土体贯入阻力试验确定其竖向阻力约为2888N。在此基础上,对分段原状取土装置进行了设计,通过对比分析选用液压传动作为动力源和直压旋入式入土方式。通过理论分析确定了取土器主要技术参数,并对其入土关键部件进行有限元分析,验证了其结构参数设计的合理性。对导向框架和取土滑块进行结构设计,确定减速齿轮的主要技术参数,并进行齿根弯曲强度校核,满足强度要求。对液压系统进行设计,使各液压元件能够良好配合完成取土作业。(3)通过田间试验,考察整机的移动性能、取土质量和取土效率。移动性能测试试验结果表明:垂直越障高度80mm,最大爬坡坡度约30°~35°,直线行走的偏移率约0.755%。取样回收率检测试验结果表明:取样回收率约95.8%。土样抗剪强度检测试验结果表明:在获取0~20cm深度土样时,环刀法和取土装置所取土样的内摩擦角方差,在0.05的置信水平下,P值等于0.866;在获取0~10cm和10~20cm深度土样时,环刀法和取土装置所取土样的凝聚力方差,在0.05的置信水平下,P值分别为0.145和0.717。取土效率对比试验结果表明:该取土装置完成一次取土仅需3~5min。通过田间试验验证,该小型农田土壤采集移动平台具有良好的通过性,在获取0~20cm深度土样时,该取土装置能够取得较为理想的原状土,在提高取土效率的同时降低了劳动强度。