CN106886647B - 混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法。旱地穴盘苗移栽通常由取苗和植苗机构配合完成移栽工作，一套机构实现取苗和植苗动作的设计难度大。本发明根据花卉移栽工作要求拟定机构初始轨迹，反求混合驱动五杆花卉盘栽机构的角位移规律，确定常速电机和可调速电机的控制参数；以变速电机的角加速度波动最小为目标基于遗传算法优化混合驱动五杆花卉盘栽机构参数，得到设计变量运算结果。本发明基于遗传算法来优化五杆机构的尺寸、机架所处的位置、取苗凸轮所需的角位移以及两个原动件的角位移转动规律，综合设计出适合于全自动花卉移栽取苗和植苗轨迹姿态要求的混合驱动五杆花卉盘栽机构，为全自动化花卉移栽提供另一种设计思路。

Description

混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法。

背景技术

目前的半自动移栽机械发展已经基本成熟，移栽机械自动植苗部分能达到农艺要求，但是移栽机械的取苗部分真正效率高，结构简单，能让农民接受并且可以大面积推广的还没有研制成功。而现有的全自动移栽机依靠机电与液压系统实现，成本造价高，机械复杂，动作的完成需要多套机构协调配合，并没有能广泛推广的成熟机型。

美国和澳大利亚研究的取苗机构是由机、电、气共同构成，具有独立的机械部分与控制部分，采用四针气缸驱动式；徐明丽等人研发了一种应用于玉米移栽的四杆式取苗机构，由于该机构为纯粹的杆机构，高速时动力性能非常差；非圆齿轮驱动的单自由度双曲柄五杆机构，缺乏柔性，只能实现水田作物移栽，不适合用于旱地农作物移栽；非圆齿轮行星轮系高速钵苗移栽机构为双臂布置，取苗效率高，需要满足轮系中太阳轮转角的单调性，导致设计方法对于轨迹的精细化调整困难。同时全自动化移栽轨迹的形状往往会比半自动化移栽的轨迹要大，通过逆向设计计算出的非圆齿轮轮系尺寸比较庞大，机构的动力学性能也很差。

可见，当前花卉盘栽机多为由气缸、液压杆及电磁阀组成的复杂系统，整机的价格昂贵不利于推广，旱地穴盘苗移栽通常由取苗和植苗机构配合完成移栽工作，用一套机构实现取苗和植苗动作则机构的设计难度更大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为实现移栽机构的轻简化和运动设计的灵活性，提供混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法：根据花卉移栽工作要求拟定机构初始轨迹，反求混合驱动五杆花卉盘栽机构的角位移规律，确定常速电机和可调速电机的控制参数；以变速电机的角加速度波动最小为目标基于遗传算法优化混合驱动五杆花卉盘栽机构参数，得到设计变量运算结果。

本发明具体如下：

1构建混合驱动五杆花卉盘栽机构

混合驱动五杆花卉盘栽机构包括常速电机、可调速电机、摇杆、连杆一、曲柄、机座和T形移栽臂；所述的T形移栽臂包括移栽凸轮、拨叉、弹簧座、弹簧、转动片、秧针、推苗爪、推苗杆和壳体；移栽凸轮、拨叉、弹簧座和弹簧均设置在壳体内；所述曲柄的一端固定在常速电机的输出轴上，另一端与T形移栽臂的壳体底部铰接于点D；常速电机的底座固定在机座上；曲柄与T形移栽臂壳体铰接的那端固定移栽凸轮；所述摇杆的一端固定在可调速电机的输出轴上，另一端与连杆一的一端铰接于点B；可调速电机的底座固定在机座上；所述连杆一的另一端与T形移栽臂壳体的内端铰接于点C；常速电机驱动曲柄，曲柄的角速度大小和方向不变；常速电机由单片机控制转速、转向和启停；可调速电机采用伺服电机，可调速电机通过控制单片机发出的脉冲调节摇杆的角速度大小和方向。所述拨叉的中部与壳体铰接，底部与移栽凸轮构成凸轮副，顶部弧形块与弹簧座构成摩擦力方向与推苗杆成一夹角的滚动摩擦副；所述弹簧座与推苗杆固定；推苗杆与壳体构成滑动副；推苗杆尾部与壳体通过弹簧连接，头部与推苗爪固定；两片转动片对称铰接在壳体外，且分别与一根秧针的尾部固定；两根秧针的头部分别穿过推苗爪两侧的安装孔。

2构建混合驱动五杆花卉盘栽机构的逆向设计模型

2.1：将T形移栽臂等效为连杆二和连杆三，则连杆一和曲柄与T形移栽臂的装配关系等效为：曲柄的另一端与连杆三的内端铰接于点D；连杆一的另一端与连杆二的一端铰接于点C；连杆二的另一端与连杆三的内端固联；连杆三的外端自由设置，连杆三的外端端点等效为秧针的头部尖点。

2.2：建立直角坐标系，设计混合驱动五杆花卉盘栽机构的目标移栽轨迹，给定目标移栽轨迹上的数据点，首末数据点重合，通过三次非均匀B样条拟合控制点，并根据德布尔递推公式计算得到目标移栽轨迹曲线上的其它点坐标。

2.3：反求混合驱动五杆花卉盘栽机构的角位移规律。目标移栽轨迹点坐标即为连杆三外端端点F的运动轨迹点坐标，根据常速电机的输出轴中心E横坐标x_E、纵坐标y_E以及连杆三外端端点F的运动轨迹点与常速电机的输出轴中心E的最大距离和最小距离求得：

式(1)中，L₄为曲柄长度、L₅为连杆三长度。

在求得L₄和L₅的基础上，利用反正切和反余弦函数求得曲柄与水平轴x的夹角θ₄：

式(2)中，连杆三外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中，取负号。

在求得θ₄的基础上，计算连杆三内端铰接点D坐标：

利用反正切直接求得连杆三与水平轴x的夹角θ₅：

利用杆长关系可求得连杆二的铰接点C坐标：

式(5)中，β为连杆二与连杆三之间的夹角。

根据可调速电机的输出轴中心A横坐标x_A、纵坐标y_A、摇杆长度L₁和连杆一长度L₂求解摇杆与水平轴x的夹角θ₁：

式(6)中，连杆三外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中取负号。

在求得θ₁的基础上，利用三角函数求得连杆一的铰接点B坐标：

利用反正切直接求得连杆一与水平轴x的夹角θ₂：

2.4：求得目标移栽轨迹上每一点对应的θ₁值与θ₄值后，确定θ₁与θ₄的函数关系，得到摇杆和曲柄的运动规律，即得到常速电机和可调速电机的控制参数。

3参数优化设计

通过优化摇杆长度L₁、连杆一长度L₂、可调速电机的输出轴中心坐标、常速电机的输出轴中心坐标、连杆二与连杆三的夹角β，使得可调速电机避免过大的角加速度波动，参数优化具体如下：

首先，遗传算法的参数为：遗传种群大小设置为80，最大进化代数设置为100，变异概率设置为0.01，交叉概率设置为0.8。

其次，减小遗传算法优化时间：目标移栽轨迹上每间隔十个点定义为一个优化点i，i＝1,2,3，···。

最后，根据曲柄的转动规律需要满足角位移单调性的要求，并且需要满足动力学要求和电机控制要求，以及减小摇杆的加速度要求，混合驱动五杆花卉盘栽机构具体优化设计为：

目标：F＝min[max(θ₁(i+1)-θ₁(i))]；

变量：X＝[x_E,y_E,x_A,y_A,L₁,L₂,β]；

约束：1)L₄+L₅≥max(s₁)；

2)|L₄-L₅|≥min(s₁)；

4)j₁(m)＝α+π/2+γ；

5)j₁(n)＝π/2+γ；

6)L₁+L₂≥max(s₂)；

7)|L₁-L₂|≥min(s₂)；

8)L₁-L₂+L₃+L₄-L₅≤0；

9)L₁+L₂-L₃+L₄-L₅≤0；

10)L₁-L₂-L₃+L₄+L₅≤0；

11)δ＝[θ₅(m)-θ₄(m)]-[θ₅(n)-θ₄(n)]≥20°；

其中，秧盘的倾角为α＝50°，γ为取苗点处T形移栽臂秧针与钵苗的夹角，这里γ＝0，这样可以得到取苗时T形移栽臂的角位移；j₁(m)为T形移栽臂秧针在取苗点处与水平轴x的夹角，j₁(n)为T形移栽臂秧针在植苗点处与水平轴x的夹角；由于这里限定了γ＝0，则j₁(m)＝140°，

δ为T形移栽臂在取苗点运动到植苗点的过程中移栽凸轮的转角。

另外，只要约束j₁(m)和j₁(n)就可确保花卉移栽时的姿态目标，m为max(x_f)对应的优化点，即取苗点；n为min(y_f)对应的优化点，即植苗点。

遗传算法优化结果：X＝[x_E,y_E,x_A,y_A,L₁,L₂,β]

＝[0,-150.00,-267.20,61.87,152.8,324.55,1.19]；

所述的目标移栽轨迹曲线上横坐标最大值点即取苗点，纵坐标最小值点即植苗点，取苗开始点即环扣内端点。

单片机连接按钮，按钮实现混合驱动五杆花卉盘栽机构初始位置设定。单片机的具体控制原理如下：

①通过按钮使混合驱动五杆花卉盘栽机构回到初始位置；

②单片机根据参数优化设计目标计算可调速电机的转动规律，并根据可调速电机的转动规律计算常速电机的转速；

③单片机控制可调速电机按转动规律转动，并控制常速电机按设计转速转动，单片机控制脉冲个数实现电机转动定位，控制脉冲频率实现电机单圈所需的运行时间；单片机启动定时器、常速电机和变速电机，变速电机达到设定脉冲个数时停止，该脉冲个数为混合驱动五杆花卉盘栽机构达到一个移栽周期时变速电机所需的脉冲个数；常速电机继续运行，定时器继续延时；定时器到达设定时间后，即混合驱动五杆花卉盘栽机构一个移栽周期的时间后重新计时，且变速电机启动。

④混合驱动五杆花卉盘栽机构进行下一个移栽周期，即重复步骤③，直到单片机控制定时器、常速电机和变速电机停止。

所述的单片机选用STC15系列芯片。

本发明具有的有益效果：

本发明开展混合驱动五杆花卉盘栽机构的优化设计，基于遗传算法来优化五杆机构的尺寸、机架所处的位置、取苗凸轮所需的角位移以及两个原动件的角位移转动规律，综合设计出适合于全自动花卉移栽取苗和植苗轨迹姿态要求的混合驱动五杆花卉盘栽机构；同时由于混合驱动五杆机构柔度高，可以根据其它农作物不同的移栽轨迹来反求此时两个原动件的转动规律，在机构尺寸不变的情况下，仅需要调整电机的控制参数即可实现其它类型的轨迹，为全自动化花卉移栽提供另一种设计思路，另外也为其它农作物移栽提供借鉴。本发明拓展了混合驱动的应用领域，为全自动花卉盘栽装备的研发提供了新的选择。

附图说明

图1为本发明的机构简图；

图2为本发明的机构等效图；

图3为本发明的机构参数优化设计时迭代次数与目标值的关系曲线图；

图4为本发明机构实现的实际移栽轨迹与鹰嘴型移栽轨迹及水稻毯状苗移栽轨迹的对比图；

图5为本发明的单片机控制原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法，具体如下：

1构建混合驱动五杆花卉盘栽机构

混合驱动五杆花卉盘栽机构简图如图1所示，包括常速电机M1、可调速电机M2、摇杆1、连杆一2、曲柄4、机座6和T形移栽臂8；T形移栽臂8包括移栽凸轮4-1、拨叉8-1、弹簧座8-2、弹簧8-3、转动片8-4、秧针8-5、推苗爪8-6、推苗杆8-7和壳体；移栽凸轮4-1、拨叉8-1、弹簧座8-2和弹簧8-3均设置在壳体内；曲柄4的一端固定在常速电机M1的输出轴上，另一端与T形移栽臂8的壳体底部铰接于点D；常速电机的底座固定在机座6上；曲柄4与T形移栽臂8壳体铰接的那端固定移栽凸轮4-1；摇杆1的一端固定在可调速电机M2的输出轴上，另一端与连杆一2的一端铰接于点B；可调速电机M2的底座固定在机座6上；连杆一2的另一端与T形移栽臂8壳体的内端铰接于点C；常速电机M1驱动曲柄4，曲柄4的角速度大小和方向不变；常速电机M1由单片机控制转速、转向和启停；可调速电机M2采用伺服电机，可调速电机M2通过控制单片机发出的脉冲调节摇杆1的角速度大小和方向。拨叉8-1的中部与壳体铰接，底部与移栽凸轮4-1构成凸轮副，顶部弧形块与弹簧座8-2构成摩擦力方向与推苗杆8-7成一夹角的滚动摩擦副；弹簧座8-2与推苗杆8-7固定；推苗杆8-7与壳体构成滑动副；推苗杆8-7尾部与壳体通过弹簧8-3连接，头部与推苗爪8-6固定；两片转动片8-4对称铰接在壳体外，且分别与一根秧针8-5的尾部固定；两根秧针8-5的头部分别穿过推苗爪8-6两侧的安装孔。

2构建混合驱动五杆花卉盘栽机构的逆向设计模型

2.1：如图2所示，将T形移栽臂8等效为连杆二3和连杆三5，则连杆一2和曲柄4与T形移栽臂8的装配关系等效为：曲柄4的另一端与连杆三5的内端铰接于点D；连杆一2的另一端与连杆二3的一端铰接于点C；连杆二3的另一端与连杆三5的内端固联；连杆三5的外端自由设置，连杆三5的外端端点等效为秧针8-5的头部尖点。

2.2：如图1所示，建立直角坐标系XOY，设计混合驱动五杆花卉盘栽机构的目标移栽轨迹，给定目标移栽轨迹上的数据点，首末数据点重合，通过三次非均匀B样条拟合控制点，并根据德布尔递推公式计算得到目标移栽轨迹曲线上的其它点坐标。本实施中的18个数据点坐标分别为(394.89,-69.81)，(383.17,-62.81)，(371.58,-56.73)，(274.72,-42.28)，(238.35,-58.97)，(201.97,-161.79)，(195.48,-284.64)，(195.25,-307.89)，(195.36,-327.25)，(196.80,-339.29)，(207.69,-325.16)，(221.90,-289.69)，(235.56,-250.42)，(265.43,-171.89)，(295.35,-107.20)，(343.69,-52.87)，(361.38,-54.29)，(387.48,-65.97)；其中，横坐标最大值点即取苗点为(394.89,-69.81)，纵坐标最小值点即植苗点为(196.80,-339.29)，取苗开始点即环扣内端点为(387.48,-65.97)。

2.3：反求混合驱动五杆花卉盘栽机构的角位移规律。目标移栽轨迹点坐标即为连杆三5外端端点F的运动轨迹点坐标，根据常速电机M1的输出轴中心E横坐标x_E、纵坐标y_E以及连杆三5外端端点F的运动轨迹点与常速电机M1的输出轴中心E的最大距离和最小距离求得：

式(1)中，L₄为曲柄长度、L₅为连杆三长度。

在求得L₄和L₅的基础上，利用反正切和反余弦函数求得曲柄与水平轴x的夹角θ₄：

式(2)中，连杆三5外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中，取负号。

在求得θ₄的基础上，计算连杆三5内端铰接点D坐标：

利用反正切直接求得连杆三与水平轴x的夹角θ₅：

利用杆长关系可求得连杆二3的铰接点C坐标：

式(5)中，β为连杆二3与连杆三之间的夹角。

根据可调速电机M2的输出轴中心A横坐标x_A、纵坐标y_A、摇杆长度L₁和连杆一2长度L₂求解摇杆1与水平轴x的夹角θ₁：

式(6)中，连杆三5外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中取负号。

在求得θ₁的基础上，利用三角函数求得连杆一2的铰接点B坐标：

利用反正切直接求得连杆一与水平轴x的夹角θ₂：

2.4：求得目标移栽轨迹上每一点对应的θ₁值与θ₄值后，确定θ₁与θ₄的函数关系，得到摇杆和曲柄的运动规律，即得到常速电机M1和可调速电机M2的控制参数。

由于开链二杆机构(摇杆1和连杆一2)为输入两自由度机构，逆向设计求解方法有多种，此种求解方法易于得到满足单调性转角的角位移曲线，故选用此种算法。

3参数优化设计

在设计目标移栽轨迹时，由于混合驱动当中有常速电机驱动，即需要满足角位移单调性；同时可调速电机由于速度在不停的波动，需要将角速度波动量尽可能降低；这两点可通过优化混合驱动五杆花卉盘栽机构的杆长、可调速电机M2的输出轴中心A坐标、常速电机M1的输出轴中心E坐标、连杆二3与连杆三5的夹角β，使得可调速电机M2易于实现移栽机构传动的控制要求，从而避免过大的角加速度波动。针对花卉移栽工作要求，参数优化具体如下：

首先，遗传算法的参数为：遗传种群大小设置为80，最大进化代数设置为100，变异概率设置为0.01，交叉概率设置为0.8。

其次，减小遗传算法优化时间：目标移栽轨迹上每间隔十个点定义为一个优化点i，i＝1,2,3，···，循环次数减少，遗传算法优化时间也相对减少。

最后，根据曲柄的转动规律需要满足角位移单调性的要求，并且需要满足动力学要求和电机控制要求，以及减小摇杆的加速度要求，混合驱动五杆花卉盘栽机构具体优化设计为：

目标：F＝min[max(θ₁(i+1)-θ₁(i))]；

变量：X＝[x_E,y_E,x_A,y_A,L₁,L₂,β]；

约束：1)L₄+L₅≥max(s₁)；

2)|L₄-L₅|≥min(s₁)；

4)j₁(m)＝α+π/2+γ；

5)j₁(n)＝π/2+γ；

6)L₁+L₂≥max(s₂)；

7)|L₁-L₂|≥min(s₂)；

8)L₁-L₂+L₃+L₄-L₅≤0；

9)L₁+L₂-L₃+L₄-L₅≤0；

10)L₁-L₂-L₃+L₄+L₅≤0；

11)δ＝[θ₅(m)-θ₄(m)]-[θ₅(n)-θ₄(n)]≥20°；

其中，秧盘的倾角为α＝50°，γ为取苗点处T形移栽臂秧针与钵苗的夹角，这里γ＝0，这样可以得到取苗时T形移栽臂的角位移；j₁(m)为T形移栽臂秧针在取苗点处与水平轴x的夹角，j₁(n)为T形移栽臂秧针在植苗点处与水平轴x的夹角；由于这里限定了γ＝0，则j₁(m)＝140°，

δ为T形移栽臂在取苗点运动到植苗点的过程中移栽凸轮的转角。

另外，只要约束j₁(m)和j₁(n)就可确保花卉移栽时的姿态目标，m为max(x_f)对应的优化点，即取苗点；n为min(y_f)对应的优化点，即植苗点。

遗传算法优化结果：X＝[x_E,y_E,x_A,y_A,L₁,L₂,β]

＝[0,-150.00,-267.20,61.87,152.8,324.55,1.19]；

如图3所示为进化代数与目标值的对应曲线图。如图4所示，中间线宽值对应的线条轨迹为鹰嘴型移栽轨迹，最大线宽值对应的线条轨迹为水稻毯状苗移栽轨迹，最小线宽值对应的线条轨迹为本实施例混合驱动五杆花卉盘栽机构的实际移栽轨迹。可见，混合驱动五杆花卉盘栽机构的实际移栽轨迹7在高度上较其它两种轨迹有很大的提升，同时取苗段轨迹的形状也有较大改善，轨迹尖端的环扣也相对较小，有利于提高取苗成功率，也可以减少移栽时花卉苗木的损伤。而实际移栽轨迹与本实施中的18个数据点拟合出的目标移栽轨迹完全一致，实际移栽轨迹中取苗点和植苗点在竖直方向上投影的距离为265mm，取苗环扣宽度小于3mm，因此，实际移栽轨迹可以很好实现花卉自动盘栽功能，且曲柄的转动规律需要满足角位移单调性的要求，满足动力学要求和电机控制要求，以及减小摇杆的加速度要求。

单片机选用STC15系列芯片，实现高速脉冲的输出，使其输出合适的脉冲个数以及频率参数来驱动可调速电机M2。单片机连接按钮，按钮实现混合驱动五杆花卉盘栽机构初始位置设定。由于单片机采用离散的时间间隔产生脉冲波形，变速电机整周运行的时间与常速电机整周运行的时间存在微小差异，会导致两电机轴在一个移栽周期中角度不能完全匹配，从而使移栽轨迹与理论值产生误差，若该误差累积则会造成无法实现花卉移栽动作，因而选用定时器来辅助两台电机同步，确保每一个移栽周期内两电机轴角度误差控制在微小范围内，如图5所示，具体控制原理如下：

①通过按钮使混合驱动五杆花卉盘栽机构回到初始位置；

②单片机根据参数优化设计目标计算可调速电机M2的转动规律，并根据可调速电机M2的转动规律计算常速电机的转速(本实施例中计算出的常速电机转速为60rpm)；

③单片机控制可调速电机M2按转动规律转动，并控制常速电机按设计转速转动，单片机控制脉冲个数实现电机转动到精确的位置，控制脉冲频率实现电机单圈所需的运行时间；由于单片机采用离散的时间间隔产生脉冲波形，变速电机整周运行的时间与常速电机整周运行的时间存在微小差异，存在变速电机整周运行的时间大于常速电机整周运行的时间或者变速电机整周运行的时间小于常速电机整周运行的时间的情况(本实施例中通过调整脉冲频率使得变速电机整周运行的时间小于常速电机整周运行的时间)；单片机启动定时器、常速电机和变速电机，变速电机达到设定脉冲个数时停止，该脉冲个数为混合驱动五杆花卉盘栽机构达到一个移栽周期时变速电机所需的脉冲个数；常速电机继续运行，定时器继续延时；定时器到达设定时间(本实施例中为1s)后，即混合驱动五杆花卉盘栽机构一个移栽周期的时间后重新计时，且变速电机启动。

④混合驱动五杆花卉盘栽机构进行下一个移栽周期，即重复步骤③，直到单片机控制定时器、常速电机和变速电机停止。

Claims (4)

1.混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法，其特征在于：该方法具体如下：

1构建混合驱动五杆花卉盘栽机构

混合驱动五杆花卉盘栽机构包括常速电机、可调速电机、摇杆、连杆一、曲柄、机座和T形移栽臂；所述的T形移栽臂包括移栽凸轮、拨叉、弹簧座、弹簧、转动片、秧针、推苗爪、推苗杆和壳体；移栽凸轮、拨叉、弹簧座和弹簧均设置在壳体内；所述曲柄的一端固定在常速电机的输出轴上，另一端与T形移栽臂的壳体底部铰接于点D；常速电机的底座固定在机座上；曲柄与T形移栽臂壳体铰接的那端固定移栽凸轮；所述摇杆的一端固定在可调速电机的输出轴上，另一端与连杆一的一端铰接于点B；可调速电机的底座固定在机座上；所述连杆一的另一端与T形移栽臂壳体的内端铰接于点C；常速电机驱动曲柄，曲柄的角速度大小和方向不变；常速电机由单片机控制转速、转向和启停；可调速电机采用伺服电机，可调速电机通过控制单片机发出的脉冲调节摇杆的角速度大小和方向；所述拨叉的中部与壳体铰接，底部与移栽凸轮构成凸轮副，顶部弧形块与弹簧座构成摩擦力方向与推苗杆成一夹角的滚动摩擦副；所述弹簧座与推苗杆固定；推苗杆与壳体构成滑动副；推苗杆尾部与壳体通过弹簧连接，头部与推苗爪固定；两片转动片对称铰接在壳体外，且分别与一根秧针的尾部固定；两根秧针的头部分别穿过推苗爪两侧的安装孔；

2构建混合驱动五杆花卉盘栽机构的逆向设计模型

2.1：将T形移栽臂等效为连杆二和连杆三，则连杆一和曲柄与T形移栽臂的装配关系等效为：曲柄的另一端与连杆三的内端铰接于点D；连杆一的另一端与连杆二的一端铰接于点C；连杆二的另一端与连杆三的内端固联；连杆三的外端自由设置，连杆三的外端端点等效为秧针的头部尖点；

2.2：建立直角坐标系，设计混合驱动五杆花卉盘栽机构的目标移栽轨迹，给定目标移栽轨迹上的数据点，首末数据点重合，通过三次非均匀B样条拟合控制点，并根据德布尔递推公式计算得到目标移栽轨迹曲线上的其它点坐标；

2.3：反求混合驱动五杆花卉盘栽机构的角位移规律；目标移栽轨迹点坐标即为连杆三外端端点F的运动轨迹点坐标，根据常速电机的输出轴中心E横坐标x_E、纵坐标y_E以及连杆三外端端点F的运动轨迹点与常速电机的输出轴中心E的最大距离和最小距离求得：

式(1)中，L₄为曲柄长度、L₅为连杆三长度；

在求得L₄和L₅的基础上，利用反正切和反余弦函数求得曲柄与水平轴x的夹角θ₄：

式(2)中，连杆三外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中，取负号；

在求得θ₄的基础上，计算连杆三内端铰接点D坐标：

利用反正切直接求得连杆三与水平轴x的夹角θ₅：

利用杆长关系可求得连杆二的铰接点C坐标：

式(5)中，β为连杆二与连杆三之间的夹角；

根据可调速电机的输出轴中心A横坐标x_A、纵坐标y_A、摇杆长度L₁和连杆一长度L₂求解摇杆与水平轴x的夹角θ₁：

式(6)中，连杆三外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中取负号；

在求得θ₁的基础上，利用三角函数求得连杆一的铰接点B坐标：

利用反正切直接求得连杆一与水平轴x的夹角θ₂：

2.4：求得目标移栽轨迹上每一点对应的θ₁值与θ₄值后，确定θ₁与θ₄的函数关系，得到摇杆和曲柄的运动规律，即得到常速电机和可调速电机的控制参数；

3参数优化设计

通过优化摇杆长度L₁、连杆一长度L₂、可调速电机的输出轴中心坐标、常速电机的输出轴中心坐标、连杆二与连杆三的夹角β，使得可调速电机避免过大的角加速度波动，参数优化具体如下：

首先，遗传算法的参数为：遗传种群大小设置为80，最大进化代数设置为100，变异概率设置为0.01，交叉概率设置为0.8；

其次，减小遗传算法优化时间：目标移栽轨迹上每间隔十个点定义为一个优化点i，i＝1,2,3，···；

最后，根据曲柄的转动规律需要满足角位移单调性的要求，并且需要满足动力学要求和电机控制要求，以及减小摇杆的加速度要求，混合驱动五杆花卉盘栽机构具体优化设计为：

目标：F＝min[max(θ₁(i+1)-θ₁(i))]；

变量：X＝[x_E,y_E,x_A,y_A,L₁,L₂,β]；

约束：1)L₄+L₅≥max(s₁)；

2)|L₄-L₅|≥min(s₁)；

3)

4)j₁(m)＝α+π/2+γ；

5)j₁(n)＝π/2+γ；

6)L₁+L₂≥max(s₂)；

7)|L₁-L₂|≥min(s₂)；

8)L₁-L₂+L₃+L₄-L₅≤0；

9)L₁+L₂-L₃+L₄-L₅≤0；

10)L₁-L₂-L₃+L₄+L₅≤0；

11)δ＝[θ₅(m)-θ₄(m)]-[θ₅(n)-θ₄(n)]≥20°；

其中，秧盘的倾角为α＝50°，γ为取苗点处T形移栽臂秧针与钵苗的夹角，这里γ＝0，这样可以得到取苗时T形移栽臂的角位移；j₁(m)为T形移栽臂秧针在取苗点处与水平轴x的夹角，j₁(n)为T形移栽臂秧针在植苗点处与水平轴x的夹角；由于这里限定了γ＝0，则j₁(m)＝140°，

δ为T形移栽臂在取苗点运动到植苗点的过程中移栽凸轮的转角；

另外，只要约束j₁(m)和j₁(n)就可确保花卉移栽时的姿态目标，m为max(x_f)对应的优化点，即取苗点；n为min(y_f)对应的优化点，即植苗点；

遗传算法优化结果：X＝[x_E,y_E,x_A,y_A,L₁,L₂,β]

＝[0,-150.00,-267.20,61.87,152.8,324.55,1.19]。

2.根据权利要求1所述的混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法，其特征在于：所述的目标移栽轨迹曲线上横坐标最大值点即取苗点，纵坐标最小值点即植苗点，取苗开始点即环扣内端点。

3.根据权利要求1所述的混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法，其特征在于：单片机连接按钮，按钮实现混合驱动五杆花卉盘栽机构初始位置设定；单片机的具体控制原理如下：

①通过按钮使混合驱动五杆花卉盘栽机构回到初始位置；

②单片机根据参数优化设计目标计算可调速电机的转动规律，并根据可调速电机的转动规律计算常速电机的转速；

③单片机控制可调速电机按转动规律转动，并控制常速电机按设计转速转动，单片机控制脉冲个数实现电机转动定位，控制脉冲频率实现电机单圈所需的运行时间；单片机启动定时器、常速电机和变速电机，变速电机达到设定脉冲个数时停止，该脉冲个数为混合驱动五杆花卉盘栽机构达到一个移栽周期时变速电机所需的脉冲个数；常速电机继续运行，定时器继续延时；定时器到达设定时间后，即混合驱动五杆花卉盘栽机构一个移栽周期的时间后重新计时，且变速电机启动；

④混合驱动五杆花卉盘栽机构进行下一个移栽周期，即重复步骤③，直到单片机控制定时器、常速电机和变速电机停止。

4.根据权利要求1或3所述的混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法，其特征在于：所述的单片机选用STC15系列芯片。

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