CN104657546B - 两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉移栽轨迹的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉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：首先构建两级非圆齿轮五杆驱动机构，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和第二曲柄的角速度的变化规律，设计两级非圆齿轮，并校验两级非圆齿轮五杆驱动机构是否满足双曲柄的存在条件。本发明采用两级非圆齿轮五杆驱动机构来改变第一曲柄和第二曲柄的角速度比值，实现双环扣轨迹，从而实现取苗和植苗动作，不仅可以实现花卉移栽轨迹，也可以实现瓜果、蔬菜等多种作物的全自动移栽。

Description

两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉移栽轨迹的设计方法

技术领域

本发明属于农业机械领域，涉及移栽轨迹的设计方法，具体涉及一种两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉移栽轨迹的设计方法。

背景技术

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。当前研究的移栽机构轨迹包括‘D’形轨迹，‘P’形轨迹，‘8’字形轨迹，但考虑到花卉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。

对于双曲柄机构、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卉移栽机的全自动化，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卉移栽轨迹要求。对于基质育苗移栽，基质较轻，而部分瓜果、蔬菜、花卉作物的茎秆部分足够坚韧，允许采用夹苗的方式作业。因此，有必要针对瓜果、蔬菜、花卉等作物，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、花卉等作物的全自动移栽。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉移栽轨迹的设计方法，首先构建两级非圆齿轮五杆驱动机构，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和第二曲柄的角速度的变化规律，设计两级非圆齿轮，并校验两级非圆齿轮五杆驱动机构是否满足双曲柄的存在条件。该方法采用两级非圆齿轮五杆驱动机构来实现第一曲柄和第二曲柄的角速度比值，实现双环扣轨迹，从而实现取苗和植苗动作，不仅可以实现花卉移栽轨迹，也可以实现瓜果、蔬菜等多种作物的全自动移栽。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

本发明的具体步骤如下：

步骤一、构建两级非圆齿轮五杆驱动机构。

所述的两级非圆齿轮五杆驱动机构，包括第一曲柄、第一连杆、第二曲柄、第二连杆、主动非圆齿轮、第一中间非圆齿轮、第二中间非圆齿轮和从动非圆齿轮；所述第一曲柄的一端与主动非圆齿轮固定，另一端与第一连杆的一端铰接；第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接；所述第二曲柄的一端与从动非圆齿轮固定，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；所述的主动非圆齿轮与第一中间非圆齿轮啮合，第二中间非圆齿轮与从动非圆齿轮啮合；主动非圆齿轮固定在电机的输出轴上，从动非圆齿轮与机座铰接；电机驱动主动非圆齿轮，使得第一曲柄以角速度ω₁转动，并通过两级非圆齿轮传动实现第二曲柄的角速度ω₂。

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形成的双环扣轨迹数学模型。

选取十一个数据点q0、q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9和q10作为三次非均匀B样条曲线的型值点，其中，q0和q10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φ(t)，φ(t)在水平方向和竖直方向的位移方程分别为φ_x(t)和φ_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q1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、通过所建立的双环扣轨迹数学模型反求出第一曲柄和第二曲柄的角速度变化规律，构造函数如下：

式中，φ₁为第一曲柄与水平面的初始夹角，φ₂为第一连杆在t时刻与水平面的夹角，φ₄为第二曲柄与水平面的初始夹角，β为第二连杆在t时刻与水平面的夹角；L₁为第一曲柄的长度，L₂为第一连杆的长度，L₄为第二曲柄的长度，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，L₆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F之间的距离；φ₁′和φ₄′均为中间变量；可由式(1)求出：

步骤四、设计两级非圆齿轮。

两级非圆齿轮的总传动比：

式(3)中，i_6,7为主动非圆齿轮与第一中间非圆齿轮的传动比，i_8,9为第二中间非圆齿轮与从动非圆齿轮的传动比。

给定i_6,7的变化规律，求解主动非圆齿轮和第一中间非圆齿轮的节曲线方程，其节曲线均为阿基米德螺线。主动非圆齿轮的节曲线方程为：

式中：

其中，k_a和k₀均为常数，k_a取1～1.2中的一个值、k₀取值为1；和均为中间变量；a为主动非圆齿轮与第一中间非圆齿轮的中心距，n₁为主动非圆齿轮的节曲线的曲边数，m₁为主动非圆齿轮的节曲线的曲边的内分割数，m₂为第一中间非圆齿轮的曲边的内分割数，r₆为主动非圆齿轮对应转角的向径，

第一中间非圆齿轮的节曲线方程为：

式中：

同理，通过i和i_6,7计算i_8,9，从而求解第二中间非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线方程，其节曲线均为阿基米德螺线。

步骤五、校验五杆机构是否满足双曲柄的存在条件：

式中，L₃为第一曲柄与机座的铰接点至第二曲柄与机座的铰接点之间的距离。

由花卉移栽农艺要求选取的十一个数据点如下：q0和q10确定双环扣轨迹的最高点，q1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。

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/10mm；所述植苗段的起始段竖直设置且直线度为1mm/10mm。

本发明具有的有益效果：

1、通过两级非圆齿轮五杆驱动机构，使移栽轨迹满足钵苗移栽机平入钵、直拔苗、稳投苗的移栽农艺要求；采用两级非圆齿轮机构和五杆机构的结合，柔度高,使得取苗和植苗的动作更加灵活，从而实现花卉、瓜果、蔬菜等作物的全自动移栽，为实现农作物的移栽机械通用化取得了突破。

2、实现的双环扣状轨迹，不仅可以实现花卉的取苗动作，也可以实现花卉的植苗动作，从而实现花卉移栽机的全自动化；另外植苗机构部分的环扣状轨迹不仅可以保证花卉垂直下落进入植苗机构，还可以保证花卉投苗合适的角度、速度、植苗的直立度和更好地满足花卉移栽的农艺要求。

3、采用两级非圆齿轮五杆驱动机构，既可以实现水平和竖直方向的综合位移，又可以分别实现单方向位移。

4、结构简单、紧凑、灵活度高，可以轻松实现各种农作物移栽所需运动轨迹的要求。

附图说明

图1为本发明的两级非圆齿轮五杆驱动机构在初始位置的机构简图；

图2为本发明在移栽中实现的双环扣轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉移栽轨迹的设计方法，具体步骤如下：

步骤一、构建两级非圆齿轮五杆驱动机构。

如图1所示，两级非圆齿轮五杆驱动机构，包括第一曲柄1、第一连杆2、第二曲柄4、第二连杆5、主动非圆齿轮6、第一中间非圆齿轮7、第二中间非圆齿轮8和从动非圆齿轮9；第一曲柄1的一端与主动非圆齿轮6固定，另一端与第一连杆2的一端铰接；第一连杆2的另一端与第二连杆5的一端铰接；第二曲柄4的一端与从动非圆齿轮9固定，另一端与第二连杆5的中部铰接，第二连杆5的另一端自由设置；主动非圆齿轮6与第一中间非圆齿轮7啮合，第二中间非圆齿轮8与从动非圆齿轮9啮合；主动非圆齿轮6固定在电机的输出轴上，从动非圆齿轮9与机座3铰接；电机驱动主动非圆齿轮6，使得第一曲柄1以角速度ω₁转动，并通过两级非圆齿轮传动实现第二曲柄4的角速度ω₂。

步骤二、基于三次非均匀B样条曲线建立第二连杆5的自由端端点F形成的双环扣轨迹数学模型。

如图2所示，选取十一个数据点q0、q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9和q10作为三次非均匀B样条曲线的型值点，其中，q0和q10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。

由花卉移栽农艺要求选取的十一个数据点如下：q0和q10确定双环扣轨迹的最高点，q1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；拟合出的第二连杆5的自由端端点F所形成的双环扣轨迹曲线方程为φ(t)，φ(t)在水平方向和竖直方向的位移方程分别为φ_x(t)和φ_y(t)。

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6-1、取苗段6-2、运苗段6-3、植苗段6-4和回复段6-5；取苗段6-2的起始段为q1与q3之间的曲线段，其平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为1mm/10mm，保证沿垂直土钵方向取出幼苗；植苗段6-4的起始段为q4与q5之间的曲线段，其竖直设置且直线度为1mm/10mm，保证幼苗与栽植机构只存在沿竖直方向的相对速度，利于准确投苗；入钵段6-1为取苗段6-2的过渡段；可见，双环扣轨迹可以满足花卉钵苗移栽中取苗的平入钵、直取苗及稳投苗的要求。

步骤三、通过所建立的双环扣轨迹数学模型反求出第一曲柄1和第二曲柄4的角速度变化规律，构造函数如下：

式中，φ₁为第一曲柄1与水平面的初始夹角，φ₂为第一连杆2在t时刻与水平面的夹角，φ₄为第二曲柄4与水平面的初始夹角，β为第二连杆5在t时刻与水平面的夹角；L₁为第一曲柄1的长度，L₂为第一连杆2的长度，L₄为第二曲柄4的长度，L₅为第一连杆2与第二连杆5的铰接点至第二曲柄4与第二连杆5的铰接点之间的距离，L₆为第二曲柄4与第二连杆5的铰接点至第二连杆5的自由端端点F之间的距离；φ₁′和φ₄′均为中间变量；可由式(1)求出：

步骤四、设计两级非圆齿轮。

两级非圆齿轮的总传动比：

式(3)中，i_6,7为主动非圆齿轮6与第一中间非圆齿轮7的传动比，i_8,9为第二中间非圆齿轮8与从动非圆齿轮9的传动比。

给定i_6,7的变化规律，求解主动非圆齿轮6和第一中间非圆齿轮7的节曲线方程，其节曲线均为阿基米德螺线。主动非圆齿轮6的节曲线方程为：

式中：

其中，k_a和k₀均为常数，k_a取1～1.2中的一个值、k₀取值为1；和均为中间变量；a为主动非圆齿轮6与第一中间非圆齿轮7的中心距，n₁为主动非圆齿轮6的节曲线的曲边数，m₁为主动非圆齿轮6的节曲线的曲边的内分割数，m₂为第一中间非圆齿轮7的曲边的内分割数，r₆为主动非圆齿轮6对应转角的向径，

第一中间非圆齿轮7的节曲线方程为：

式中：

同理，通过i和i_6,7计算i_8,9，从而求解第二中间非圆齿轮8和从动非圆齿轮9的节曲线方程，其节曲线均为阿基米德螺线。

步骤五、校验五杆机构是否满足双曲柄的存在条件：

式中，L₃为第一曲柄1与机座3的铰接点至第二曲柄4与机座3的铰接点之间的距离。

第二连杆5的自由端安装栽植机构即可进行栽植作业，且移栽轨迹满足花卉钵苗移栽中取苗的平入钵、直取苗及稳投苗的要求。

Claims (3)

1.两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉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、构建两级非圆齿轮五杆驱动机构；

所述的两级非圆齿轮五杆驱动机构，包括第一曲柄、第一连杆、第二曲柄、第二连杆、主动非圆齿轮、第一中间非圆齿轮、第二中间非圆齿轮和从动非圆齿轮；所述第一曲柄的一端与主动非圆齿轮固定，另一端与第一连杆的一端铰接；第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接；所述第二曲柄的一端与从动非圆齿轮固定，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；所述的主动非圆齿轮与第一中间非圆齿轮啮合，第二中间非圆齿轮与从动非圆齿轮啮合；主动非圆齿轮固定在电机的输出轴上，从动非圆齿轮与机座铰接；电机驱动主动非圆齿轮，使得第一曲柄以角速度ω₁转动，并通过两级非圆齿轮传动实现第二曲柄的角速度ω₂；

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形成的双环扣轨迹数学模型；

选取十一个数据点q0、q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9和q10作为三次非均匀B样条曲线的型值点，其中，q0和q10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φ(t)，φ(t)在水平方向和竖直方向的位移方程分别为φ_x(t)和φ_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q1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、通过所建立的双环扣轨迹数学模型反求出第一曲柄和第二曲柄的角速度变化规律，构造函数如下：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1{\mathrm{cos\φ}}_1^{\′}+L_2{\mathrm{cos\φ}}_2+(L_5+L_6)cos\mathrm{\β}={\mathrm{\φ}}_x\left(t\right)=L_4{\mathrm{cos\φ}}_4^{\′}+L_{6}cos\mathrm{\β}\\ L_1{\mathrm{sin\φ}}_1^{\′}+L_2{\mathrm{sin\φ}}_2+(L_5+L_6)\sin \mathrm{\β}={\mathrm{\φ}}_y\left(t\right)=L_4{\mathrm{sin\φ}}_4^{\′}+L_6\sin \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\φ}}_1^{\′}={\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\ω}}_1\×t\\ {\mathrm{\φ}}_4^{\′}={\mathrm{\φ}}_4+{\mathrm{\ω}}_2\×t\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，φ₁为第一曲柄与水平面的初始夹角，φ₂为第一连杆在t时刻与水平面的夹角，φ₄为第二曲柄与水平面的初始夹角，β为第二连杆在t时刻与水平面的夹角；L₁为第一曲柄的长度，L₂为第一连杆的长度，L₄为第二曲柄的长度，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，L₆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F之间的距离；φ₁′和φ′₄均为中间变量；可由式(1)求出：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1=h\[{\mathrm{\φ}}_x\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_y\left(t\right)\]\\ {\mathrm{\ω}}_2=g\[{\mathrm{\φ}}_x\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_y\left(t\right)\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤四、设计两级非圆齿轮；

两级非圆齿轮的总传动比：

$i=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}=i_{6,7}\×i_{8,9}---\left(3\right)$

式(3)中，i_6,7为主动非圆齿轮与第一中间非圆齿轮的传动比，i_8,9为第二中间非圆齿轮与从动非圆齿轮的传动比；

给定i_6,7的变化规律，求解主动非圆齿轮和第一中间非圆齿轮的节曲线方程，其节曲线均为阿基米德螺线；主动非圆齿轮的节曲线方程为：

式中：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{k_1}=\frac{m_1{n}_1}{2\mathrm{\π}}\\ \stackrel{\‾}{k_2}=\frac{m_2{n}_1}{2\mathrm{\π}}\\ m_2=\frac{m_1}{m_1-1}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，k_a和k₀均为常数，k_a取1～1.2中的一个值、k₀取值为1；和均为中间变量；a为主动非圆齿轮与第一中间非圆齿轮的中心距，n₁为主动非圆齿轮的节曲线的曲边数，m₁为主动非圆齿轮的节曲线的曲边的内分割数，m₂为第一中间非圆齿轮的节曲线的曲边的内分割数，r₆为主动非圆齿轮对应转角的向径，

第一中间非圆齿轮的节曲线方程为：

式中：

同理，通过i和i_6,7计算i_8,9，从而求解第二中间非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线方程，其节曲线均为阿基米德螺线；

步骤五、校验五杆机构是否满足双曲柄的存在条件：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1\≤L_2+L_5-L_3-L_4\\ L_1\≤L_5+L_3-L_2-L_4\\ L_1\≤L_2+L_3-L_4-L_5\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，L₃为第一曲柄与机座的铰接点至第二曲柄与机座的铰接点之间的距离。

2.根据权利要求1所述的两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉移栽轨迹的设计方法，其特征在于：由花卉移栽农艺要求选取的十一个数据点如下：q0和q10确定双环扣轨迹的最高点，q1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所述的两级非圆齿轮五杆驱动机构形成花卉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/10mm；所述植苗段的起始段竖直设置且直线度为1mm/10mm。