两自由度变曲柄五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于农业机械领域，涉及花栽轨迹的设计方法，具体涉及一种两自由度变 曲柄五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法。
【背景技术】
[0002] 机械化移栽一般分为两步完成：取苗和栽植。按不同的取苗方式将移栽机分为全 自动和半自动两种方式，关键标志是看其是否采用机械化取苗作业。目前旱地移栽机械式 取苗方式一般有夹土式取苗和夹苗式取苗两种方式。新型行星轮系旋转式取苗机构有混合 高阶变型椭圆齿轮行星系钵苗移栽机分秧机构、自由二阶非圆齿轮行星系高速钵苗移栽机 构和旋转式水稻钵苗移栽机构，它们取苗方式为夹土式取苗，即需要秧针进入钵苗盘内夹 取秧苗，且不能破坏钵盘和伤根，故轨迹需要一个尖锐的突起，从秧针进入钵盘到完全离开 钵体，秧针需要一段接近于直线的运动轨迹，由于这个限制，造成了非圆齿轮不规则性增强 或增加"探出式"秧针，机构力学性能变差、寿命降低。当前研宄的移栽机构轨迹包括'D'形 轨迹，'P'形轨迹，'8'字形轨迹，但考虑到花丼移栽需完成从穴盘往花盘中的移栽工作，现 有的轨迹方案均不适合。
[0003] 双曲柄机构、行星齿轮机构只能形成一个环扣状轨迹，不能实现双环扣状轨迹，难 以保证以更好的姿态进入植苗工作部分和实现花丼移栽机的全自动化，为了解决这个难 题，需要在植苗机构部分也设计一个环扣状轨迹来满足花丼移栽轨迹要求。对于基质育苗 移栽，基质较轻，而部分瓜果、蔬菜、花丼作物的茎杆部分足够坚韧，允许采用夹苗的方式作 业。因此，有必要针对瓜果、蔬菜、花丼等作物，设计一种效率更高、传动更平稳的取苗机构， 使其与植苗机构配合，实现瓜果、蔬菜、花丼等作物的全自动移栽。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种两自由度变曲柄五杆驱动机构形 成移栽轨迹的设计方法，该方法首先构建变曲柄五杆驱动机构，建立第二连杆的自由端端 点形成双环扣轨迹的数学模型；然后通过所建立的数学模型反求出第一曲柄的长度变化规 律，求出滑套在第一曲柄上的滑动速度；最后校验变曲柄五杆驱动机构是否满足双曲柄的 存在条件。该方法采用变曲柄五杆驱动机构，实现双环扣轨迹，从而实现取苗和植苗动作， 不仅可以实现花丼的移栽轨迹，并且可以实现瓜果、蔬菜、花丼等多种作物的全自动移栽。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0006] 本发明的具体步骤如下：
[0007] 步骤一、构建变曲柄五杆驱动机构。
[0008] 所述的变曲柄五杆驱动机构，包括第一曲柄、第一连杆、第二曲柄、第二连杆、滑 套、旋转电机和直线电机；所述第一曲柄的一端与机架铰接，另一端与滑套通过滑动副连 接；所述第一连杆的一端与滑套铰接，另一端与第二连杆的一端铰接；所述第二曲柄的一 端与机架铰接，另一端与第二连杆的中部铰接；第二连杆的另一端自由设置；旋转电机驱 动第一曲柄以角速度《 :匀速转动，直线电机驱动滑套以速度V i在第一曲柄上滑动，第二连 杆的自由端端点处形成双环扣轨迹。
[0009] 步骤二、基于三次非均匀B样条曲线建立第二连杆的自由端端点处的双环扣轨迹 数学模型。
[0010] 选取十一个数据点q0、ql、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9和qio作为三次非均匀 B样条曲线的型值点，其中，qO和qlO重合，可唯一求解到十三个控制顶点，再选取步长为 0. 005~0. 02中的一个值插值生成拟合点坐标，进而拟合出双环扣轨迹。所述双环扣轨迹 的曲线方程为巾（t)，<i> (t)在水平方向和竖直方向的位移方程分别为<i>x(t)和<i>y(t)。
[0011] 所述的双环扣轨迹为封闭且带有两个环扣的平面圆滑曲线，包括依次顺序首尾连 接的入钵段、取苗段、运苗段、植苗段和回复段；取苗段的起始段为ql与q3之间的曲线段； 植苗段的起始段为q4与q5之间的曲线段；入钵段为取苗段的过渡段。
[0012] 步骤三、第一曲柄的角速度O1取一个定值，通过双环扣轨迹数学模型反求出第一 曲柄的长度变化规律。构造函数如下：
【主权项】
1.两自由度变曲柄五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法，其特征在于：该方法的具 体步骤如下： 步骤一、构建变曲柄五杆驱动机构； 所述的变曲柄五杆驱动机构，包括第一曲柄、第一连杆、第二曲柄、第二连杆、滑套、旋 转电机和直线电机；所述第一曲柄的一端与机架铰接，另一端与滑套通过滑动副连接；所 述第一连杆的一端与滑套铰接，另一端与第二连杆的一端铰接；所述第二曲柄的一端与机 架铰接，另一端与第二连杆的中部铰接；第二连杆的另一端自由设置；旋转电机驱动第一 曲柄以角速度ω 速转动，直线电机驱动滑套以速度V i在第一曲柄上滑动，第二连杆的自 由端端点处形成双环扣轨迹； 步骤二、基于三次非均匀B样条曲线建立第二连杆的自由端端点处的双环扣轨迹数学 模型； 选取十一个数据点q〇、ql、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9和qlO作为三次非均匀B样条 曲线的型值点，其中，q〇和ql〇重合，可唯一求解到十三个控制顶点，再选取步长为〇. 005~ 0. 02中的一个值插值生成拟合点坐标，进而拟合出双环扣轨迹；所述双环扣轨迹的曲线方 程为Φ (t)，Φ⑴在水平方向和竖直方向的位移方程分别为Φχα)和<i>y(t); 所述的双环扣轨迹为封闭且带有两个环扣的平面圆滑曲线，包括依次顺序首尾连接的 入钵段、取苗段、运苗段、植苗段和回复段；取苗段的起始段为ql与q3之间的曲线段；植苗 段的起始段为q4与q5之间的曲线段；入钵段为取苗段的过渡段； 步骤三、第一曲柄的角速度Q1取一个定值，通过双环扣轨迹数学模型反求出第一曲柄 的长度变化规律；构造函数如下：
式（1)中，Φ:为第一曲柄与水平面的初始夹角，Φ 2为第一连杆在t时刻与水平面的 夹角，β为第二连杆在t时刻与水平面的夹角；L2为第一连杆的长度，L5为第一连杆与第二 连杆的铰接点至第二曲柄与第二连杆的铰接点之间的距离，L 6为第二曲柄与第二连杆的铰 接点至第二连杆的自由端端点之间的距离；i为中间变量；可由式（1)求出第一曲柄的 长度L 1的变化规律： L1= 6[Φ x(t), Φ,α)] (2) 步骤四、求解滑套在第一曲柄上的滑动速度V1: V1=Gr [Φ x(t), Φ,α)] (3) 步骤五、校验变曲柄五杆驱动机构是否满足双曲柄的存在条件：
式（4)中，L3为第一曲柄与机架的铰接点至第二曲柄与机架的铰接点之间的距离。
2. 根据权利要求1所述的两自由度变曲柄五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法，其 特征在于：由花丼移栽农艺要求选取的十一个数据点如下：q〇和qlO确定双环扣轨迹的最 高点，ql确定双环扣轨迹的取苗开始点，q4确定双环扣轨迹的最低点，q5确定双环扣轨迹 的植苗结束点，q2、q3、q4和q6是影响栽植嘴退出垄面时轨迹姿态的关键点，q7、q8和q9 是双环扣轨迹的辅助拟合点。
3. 根据权利要求1所述的两自由度变曲柄五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法，其 特征在于：所述取苗段的起始段平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为1mm/lOmm ;植苗段的起 始段竖直设置且直线度为1mm/lOmm。
【专利摘要】本发明公开了一种两自由度变曲柄五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法。现有移栽机构轨迹不适用于花卉移栽。本发明的具体步骤如下：首先构建变曲柄五杆驱动机构，建立第二连杆的自由端端点形成双环扣轨迹的数学模型；然后通过所建立的数学模型反求出第一曲柄的长度变化规律，求出滑套在第一曲柄上的滑动速度；最后校验变曲柄五杆驱动机构是否满足双曲柄的存在条件。本发明采用变曲柄五杆驱动机构，实现双环扣轨迹，不仅可以实现花卉的移栽轨迹，并且可以实现瓜果、蔬菜、花卉等多种作物的全自动移栽。
【IPC分类】A01C11-02
【公开号】CN104641770
【申请号】CN201510053062
【发明人】赵雄, 代丽, 陈建能
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月2日