CN111853162B - 二自由度不等速轮系移栽机构及方法 - Google Patents

二自由度不等速轮系移栽机构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二自由度不等速轮系移栽机构及方法，属于农业机械领域。包括行星架、非圆内齿轮和非圆行星轮；行星架和非圆内齿轮分别以转速n1和转速n2同向差速转动，非圆行星轮铰接在行星架上，且非圆行星轮与非圆内齿轮啮合。栽植臂固接在非圆行星轮上，栽植臂一方面随行星架作周转运动，另一方面通过非圆行星轮和非圆内齿轮的啮合相对行星架不等速转动，两个运动合成栽植臂插秧所需的轨迹和位姿；可根据需要配置多个栽植臂，结构紧凑，传动平稳，降低伤苗率，提高移栽精准性；二自由度不等速轮系移栽机构可通过优化设计，实现水稻毯状苗插秧和水稻钵苗移栽轨迹和位姿，也将栽植臂替换为栽植器并通过参数优化实现经济作物栽植轨迹和位姿。

Description

二自由度不等速轮系移栽机构及方法
技术领域
本发明属于农业机械领域。具体涉及一种二自由度不等速轮系移栽机构及方法。
背景技术
水稻等经济作物的移栽是种植过程中重要的环节，目前水稻移栽机械主要有插秧机、水稻抛秧机和钵苗栽值机。插秧机采用毯状苗，缓苗期较长，伤根；水稻抛秧机容易使秧苗倒伏、直立性不好；而钵苗栽植直立性好，无缓苗期。
移栽机构是移栽机的核心工作部件，完成取苗、输送和栽植等动作。现有移栽机构多采用平面杆机构或单自由度K-H-V型非圆齿轮行星轮系，平面杆机构仅适用于低速移栽作业，而单自由度K-H-V型非圆齿轮行星轮系结构复杂，且两级不等速传动比相互制约，存在侧隙积累问题，无法精准地实现移栽轨迹和姿态。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种二自由度不等速轮系移栽机构，通过设计二自由度不等速轮系移栽机构，基于非圆内齿轮和行星架的同向差速转动及非圆齿轮副的不等速传动，可通过优化设计实现作物移栽的轨迹和姿态，避免了多级不等速传动比相互制约和侧隙积累，结构简单、成本低，降低伤苗率，提高移栽成功率，从而达到实现水稻或经济作物精准、高效率移栽的目的。
为了达到本发明的目的，本发明的技术方案是：
一种二自由度不等速轮系，包括行星架、非圆内齿轮和非圆行星轮；所述行星架和非圆内齿轮分别以转速n1和转速n2同向差速转动，非圆行星轮铰接在行星架上，且非圆行星轮与非圆内齿轮啮合。
进一步的，所述行星架和非圆内齿轮均铰接在机架上。
进一步的，所述非圆行星轮上固定连接有移栽臂或者载植臂。
进一步的，所述非圆行星轮有数个，且数个所述非圆行星轮的齿数和模数均相同。
进一步的，所述非圆行星轮包括圆行星轮Ⅰ、非圆行星轮Ⅱ和非圆行星轮Ⅲ。
进一步的，所述非圆内齿轮的齿数Z内、非圆行星轮Ⅰ的齿数Z行Ⅰ、非圆行星轮Ⅱ的齿数Z行Ⅱ、非圆行星轮Ⅲ的齿数Z行Ⅲ和栽植臂数量N应满足Z内/Z行Ⅰ＝Z内/Z行Ⅱ＝Z内/Z行Ⅲ＝N+1。
进一步的，行星架的转速n1、非圆内齿轮的转速n2和栽植臂数量N应满足n1/n2＝(N+1)/N。
二自由度不等速轮系的方法，行星架和非圆内齿轮分别以转速n1和n2同向差速转动，行星架带动非圆行星轮做圆周运动，非圆行星轮同时与非圆内齿轮啮合，非圆行星轮上安装的移栽臂或者载植臂一方面随行星架作圆周运动，一方面相对行星架作不等速转动，两个运动合成，从而实现移栽或者载植的轨迹和姿态。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
1.二自由度不等速轮系移栽机构采用单级非圆齿轮内啮合不等速传动，避免了单自由度两级非圆齿轮副不等速传动机构由于中间轮同时与太阳轮和行星轮啮合造成的不等速传动比相互制约和侧隙积累等问题，机构可行解域大，设计灵活度大，可精准地实现更理想的移栽轨迹和姿态。
2.二自由度不等速轮系移栽机构可通过优化设计配置多个栽植臂，降低伤秧率，提高插秧效率。
3.二自由度不等速轮系移栽机构可通过优化设计使栽植臂实现水稻毯状苗插秧轨迹或水稻钵苗移栽轨迹，亦可替换栽植臂为栽植器实现蔬菜等经济作物栽植，为作物机械化移栽提供高效轻简化实施方案。
4.二自由度不等速轮系移栽机构的原动件为非圆内齿轮和行星架，通过非圆齿轮副的不等速传动可使栽植臂实现作物移栽轨迹和姿态。二自由度不等速轮系移栽机构可为水稻毯状苗插秧、水稻钵苗移栽和蔬菜等经济作物栽植提供机械化实施方案。
5.二自由度不等速轮系移栽机构为单级非圆齿轮传动机构，结构简单，机构可行解域大，设计灵活度大，可实现更优、更精准的移栽轨迹和姿态。
附图说明
图1是本发明涉及到的一种二自由度不等速轮系移栽机构的示意图；
图2是本发明实施例涉及到的一种水稻毯状苗插秧机构及轨迹的示意图；
图3是本发明图2的中涉及到的一种水稻钵苗移栽轨迹的示意图；
图4是本发明实施例涉及到的一种二臂插秧机构的示意图；
图5是本发明实施例涉及到的一种四臂插秧机构的示意图；
图6是本发明实施例涉及到的一种三臂水稻钵苗移栽机构的三维结构图；
图7是本发明实施例涉及到的一种三臂水稻毯状苗插秧机构的三维结构图；
图8是本发明实施例涉及到的一种四栽植器栽植机构及其相对运动轨迹的示意图；
图9是本发明实施例涉及到的一种三栽植器栽植机构及其绝对运动轨迹的示意图。
附图标记如下：
1-行星架、2-非圆内齿轮、3-非圆行星轮Ⅰ、4-栽植臂Ⅰ、5-非圆行星轮Ⅱ、6-栽植臂Ⅱ、7-栽植臂Ⅲ、8-非圆行星轮Ⅲ、9-毯状苗插秧轨迹、10-毯状苗秧箱、11-水稻毯状苗、12水稻钵苗移栽轨迹、13-钵苗秧箱、14-水稻钵苗、15-非圆行星轮Ⅳ、16-栽植臂Ⅳ、17-栽植器Ⅰ、18-栽植器Ⅱ、19-栽植器Ⅲ、20-栽植器Ⅳ、21-四栽植器栽植机构的相对运动轨迹、22-地面、23-三栽植器栽植机构的绝对运动轨迹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
一种二自由度不等速轮系移栽机构，包括行星架1、非圆内齿轮2、非圆行星轮Ⅰ3、栽植臂Ⅰ4、非圆行星轮Ⅱ5、栽植臂Ⅱ6、栽植臂Ⅲ7和非圆行星轮Ⅲ8；所述行星架1和非圆内齿轮2同轴铰接在机架上，行星架1和非圆内齿轮2分别以转速n1和n2同向差速转动，非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8分别铰接在行星架1上，非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8分别与非圆内齿轮2啮合，栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6和栽植臂Ⅲ7分别固定在非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8上。非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8齿数和模数均相同。
本发明中，二自由度不等速轮系移栽机构的原动件为非圆内齿轮和行星架，通过非圆齿轮副的不等速传动可使栽植臂实现作物移栽轨迹和姿态；二自由度不等速轮系移栽机构可为水稻毯状苗插秧、水稻钵苗移栽和蔬菜等经济作物栽植提供机械化实施方案。
其中，非圆内齿轮2的齿数Z内、非圆行星轮Ⅰ3的齿数Z行Ⅰ、非圆行星轮Ⅱ5的齿数Z行Ⅱ、非圆行星轮Ⅲ8的齿数Z行Ⅲ和栽植臂数量N应满足Z内/Z行Ⅰ＝Z内/Z行Ⅱ＝Z内/Z行Ⅲ＝N+1；行星架1的转速n1、非圆内齿轮2的转速n2和栽植臂数量N应满足n1/n2＝(N+1)/N。
结合本发明附图可以看出，比如结合附图1，可以看出，通过非圆内齿轮2与非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8啮合，从而带动栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6和栽植臂Ⅲ7工作。
结合附图2和3，为水稻毯状苗插秧机构及轨迹图，从图中可以看出，在非圆内齿轮2和行星架1的带动下，带动栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6和栽植臂Ⅲ7运行的运行轨迹。
结合附图4，从图4中可以看出，行星架1上安装有两个非圆行星轮，与附图1的区别在于非圆行星轮比附图1中少一个，同样的，图5与图1和图4都有相似之处。
结合附图6和7，具体连接关系和具体实施例的结构相似，不再赘述。
结合附图8和9是在图1和2的基础上，将栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6、栽植臂Ⅲ7和栽植臂Ⅳ16换成了栽植器Ⅰ17、栽植器Ⅱ18、栽植器Ⅲ19和栽植器Ⅳ20。
本发明的工作过程是：二自由度不等速轮系移栽机构的原动件为行星架1和非圆内齿轮2，行星架1和非圆内齿轮2分别以转速n1和n2同向差速转动，非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8分别铰接在行星架1上，行星架1带动非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8做圆周运动，同时非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8分别与非圆内齿轮2啮合，栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6和栽植臂Ⅲ7分别固定在非圆行星轮Ⅰ3、非圆行星轮Ⅱ5和非圆行星轮Ⅲ8上，栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6和栽植臂Ⅲ7一方面随行星架1作圆周运动，一方面相对行星架1作不等速转动，两个运动合成，实现水稻插秧轨迹和姿态。对于水稻毯状苗插秧，栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6和栽植臂Ⅲ7形成毯状苗插秧轨迹9，分别从毯状苗秧箱10上撕下水稻毯状苗11的秧块，栽植到水田中。对于水稻钵苗插秧，栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6和栽植臂Ⅲ7形成水稻钵苗移栽轨迹12，分别从钵苗秧箱13上夹取水稻钵苗14，输送至地面并栽植到稻田中。二自由度不等速轮系移栽机构可根据需要配置多个栽植臂，对于四臂插秧机构，非圆行星轮Ⅳ15铰接在行星架1上，移栽臂Ⅳ16与非圆行星轮Ⅳ15固接，各个栽植臂轨迹相同，依次实现水稻插秧动作。对于经济作物栽植，可将栽植臂Ⅰ4、栽植臂Ⅱ6、栽植臂Ⅲ7和移栽臂Ⅳ16分别替换为栽植器Ⅰ17、栽植器Ⅱ18、栽植器Ⅲ19和栽植器Ⅳ20，通过机构参数优化，使栽植器Ⅰ17、栽植器Ⅱ18、栽植器Ⅲ19和栽植器Ⅳ20在轨迹上部接苗，运动至地面22完成栽植，实现经济作物栽植要求的相对运动轨迹21和绝对运动轨迹23。
栽植臂固接在非圆行星轮上，栽植臂一方面随行星架作圆周运动，另一方面通过非圆行星轮和非圆内齿轮的啮合相对行星架不等速转动，两个运动合成栽植臂插秧所需的轨迹和位姿；可根据需要配置多个栽植臂，结构紧凑，传动平稳，降低伤苗率，提高移栽精准性；二自由度不等速轮系移栽机构可通过优化设计，实现水稻毯状苗插秧和水稻钵苗移栽轨迹和位姿，也将栽植臂替换为栽植器并通过参数优化实现经济作物栽植轨迹和位姿。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种二自由度不等速轮系，其特征在于，包括行星架(1)、非圆内齿轮(2)和非圆行星轮；所述行星架(1)和非圆内齿轮(2)分别以转速n1和转速n2同向差速转动，非圆行星轮铰接在行星架(1)上，且非圆行星轮与非圆内齿轮(2)啮合；所述行星架(1)和非圆内齿轮(2)均铰接在机架上；所述非圆行星轮上固定连接有移栽臂或者载植臂。
2.根据权利要求1所述的二自由度不等速轮系，其特征在于，所述非圆行星轮有数个，且数个所述非圆行星轮的齿数和模数均相同。
3.根据权利要求2所述的二自由度不等速轮系，其特征在于，所述非圆行星轮包括非圆行星轮Ⅰ(3)、非圆行星轮Ⅱ(5)和非圆行星轮Ⅲ(8)。
4.根据权利要求3所述的二自由度不等速轮系，其特征在于，所述非圆内齿轮(2)的齿数Z内、非圆行星轮Ⅰ(3)的齿数Z行Ⅰ、非圆行星轮Ⅱ(5)的齿数Z行Ⅱ、非圆行星轮Ⅲ(8)的齿数Z行Ⅲ和栽植臂数量N应满足Z内/Z行Ⅰ＝Z内/Z行Ⅱ＝Z内/Z行Ⅲ＝N+1。
5.根据权利要求1所述的二自由度不等速轮系，其特征在于，行星架(1)的转速n1、非圆内齿轮(2)的转速n2和栽植臂数量N应满足n1/n2＝(N+1)/N。
6.权利要求1-5任一项保护的二自由度不等速轮系用于移栽机构。
7.根据权利要求1所述的二自由度不等速轮系的方法，其特征在于，行星架(1)和非圆内齿轮(2)分别以转速n1和n2同向差速转动，行星架(1)带动非圆行星轮做圆周运动，非圆行星轮同时与非圆内齿轮(2)啮合，非圆行星轮上安装的移栽臂或者载植臂一方面随行星架(1)作圆周运动，一方面相对行星架(2)作不等速转动，两个运动合成，从而实现移栽或者载植的轨迹和姿态。
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