两自由度五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法.pdf

本发明公开了一种两自由度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。本发明通过常速电机设定第一曲柄的角速度w1，并通过控制电路调节可调速电机，使得第二曲柄的角速度 ；其中，w1取50～70r/min中的一个定值，取π/4～π/2中的一个定值；角速度w2的方向在周期T=2π内满足如下变化规律：时刻t=0～T/3时，与角速度w1的方向保持一致；时刻t=T/3～T时，与角速度w1的方向相反，从而在第二连杆的自由端尖点形成双环扣移栽轨迹。本发明采用两自由度五杆驱动机构，实现双环扣移栽轨迹，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。

权利要求书
1.   两自由度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、构建两自由度五杆驱动机构；两自由度五杆驱动机构包括第一曲柄、第一连杆、第二曲柄、第二连杆、常速电机和可调速电机；所述第一曲柄的一端固定在常速电机的输出轴上，另一端与第一连杆的一端铰接；所述第二曲柄的一端固定在可调速电机的输出轴上，另一端与第二连杆的中部铰接；第二连杆的一端与第一连杆的另一端铰接，另一端自由设置；所述的可调速电机与控制电路连接；
步骤二、通过常速电机设定第一曲柄的角速度w1，并通过控制电路调节可调速电机，使得第二曲柄的角速度                                               ；其中，w1取50～70r/min中的一个定值，取π/4～π/2中的一个定值；角速度w2的方向在周期T=2π内满足如下变化规律：时刻t=0～T/3时，与角速度w1的方向保持一致；时刻t=T/3～T时，与角速度w1的方向相反，从而在第二连杆的自由端尖点形成双环扣移栽轨迹；双环扣移栽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；第二连杆的自由端尖点在t=0～T/3时处于入钵段，在t=T/3～2T/3时处于取苗段和运苗段，在t=2T/3～T时处于植苗段和回复段；取苗段的起始部位为第一个环扣的起点；植苗段的起始点为第二个环扣的起点；入钵为取苗段的过渡段。

2.  根据权利要求1所述的两自由度五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法，其特征在于：所述常速电机和可调速电机的底座均与机座固定。

3.  根据权利要求1所述的两自由度五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法，其特征在于：所述第一曲柄、第一连杆、第二曲柄和第二连杆的杆长关系满足：

式中，为第一曲柄的长度，为第一连杆的长度，为第二曲柄的长度，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，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。

4.  根据权利要求1所述的两自由度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为平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为1mm/10mm的直线段；所述植苗段的起始段为竖直设置且直线度为1mm/10mm的直线段。

说明书两自由度五杆驱动机构形成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，具体涉及一种两自由度五杆驱动机构形成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：取苗和植苗。按不同的取苗方式将移栽机分为半自动和全自动，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取苗爪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。
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，提供一种两自由度五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法，该方法采用两自由度五杆驱动机构，实现双环扣移栽轨迹，从而实现取苗和植苗动作；两自由度五杆驱动机构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。
本发明的具体步骤如下：
步骤一、构建两自由度五杆驱动机构。两自由度五杆驱动机构包括第一曲柄、第一连杆、第二曲柄、第二连杆、常速电机和可调速电机；所述第一曲柄的一端固定在常速电机的输出轴上，另一端与第一连杆的一端铰接；所述第二曲柄的一端固定在可调速电机的输出轴上，另一端与第二连杆的中部铰接；第二连杆的一端与第一连杆的另一端铰接，另一端自由设置；所述的可调速电机与控制电路连接。
步骤二、通过常速电机设定第一曲柄的角速度w1，并通过控制电路调节可调速电机，使得第二曲柄的角速度                                               ；其中，w1取50～70r/min中的一个定值，取π/4～π/2中的一个定值；角速度w2的方向在周期T=2π内满足如下变化规律：时刻t=0～T/3时，与角速度w1的方向保持一致；时刻t=T/3～T时，与角速度w1的方向相反，从而在第二连杆的自由端尖点形成双环扣移栽轨迹；双环扣移栽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；第二连杆的自由端尖点在t=0～T/3时处于入钵段，在t=T/3～2T/3时处于取苗段和运苗段，在t=2T/3～T时处于植苗段和回复段；取苗段的起始部位为第一个环扣的起点；植苗段的起始点为第二个环扣的起点；入钵为取苗段的过渡段。
所述常速电机和可调速电机的底座均与机座固定。
所述第一曲柄、第一连杆、第二曲柄和第二连杆的杆长关系满足：

式中，为第一曲柄的长度，为第一连杆的长度，为第二曲柄的长度，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，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。
所述取苗段的起始段为平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为1mm/10mm的直线段；所述植苗段的起始段为竖直设置且直线度为1mm/10mm的直线段。
本发明的有益效果：
1、通过混合驱动两自由度五杆机构，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；采用常速电机与可调速电机的结合，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，不仅可以实现取苗动作，也可以实现植苗动作，从而实现移栽机的全自动化；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，还可以保证投苗时合适的角度、速度、植苗的直立度，从而更好地满足移栽的农艺要求。
3、采用两自由度五杆驱动机构，使得取苗轨迹更利于机构实现，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，两自由度五杆机构的自由度恰好满足移栽机所需运动轨迹的自由度数量。
4、机构结构简单、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为本发明中两自由度五杆驱动机构的机构简图；
图2为本发明实现的双环扣移栽轨迹的示意图。
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，两自由度五杆驱动机构形成移栽轨迹的设计方法，具体步骤如下：
步骤一、构建两自由度五杆驱动机构。两自由度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、常速电机M1和可调速电机M2；第一曲柄1的一端固定在常速电机的输出轴上，另一端与第一连杆2的一端铰接；第二曲柄4的一端固定在可调速电机M2的输出轴上，另一端与第二连杆5的中部铰接；第二连杆5的一端与第一连杆2的另一端铰接，另一端自由设置；常速电机M1和可调速电机M2的底座均与机座3固定；可调速电机M2与控制电路连接，可以调节第二曲柄4的角速度w2的大小和方向。第一曲柄1、第一连杆2、第二曲柄4和第二连杆5的杆长关系满足：
                                       （1）
式中，为第一曲柄1的长度，为第一连杆2的长度，为第二曲柄4的长度，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，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。
步骤二、通过常速电机M1设定第一曲柄1的角速度w1，并通过控制电路调节可调速电机M2，使得第二曲柄4的角速度；其中，w1取50～70r/min中的一个定值，取π/4～π/2中的一个定值；角速度w2的方向在周期T=2π内满足如下变化规律：时刻t=0～T/3时，与角速度w1的方向保持一致；时刻t=T/3～T时，与角速度w1的方向相反，从而在第二连杆5的自由端尖点F形成双环扣移栽轨迹；双环扣移栽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；第二连杆5的自由端尖点F在t=0～T/3时处于入钵段6-1，在t=T/3～2T/3时处于取苗段6-2和运苗段6-3，在t=2T/3～T时处于植苗段6-4和回复段6-5；取苗段6-2的起始部位为第一个环扣的起点，其起始段为平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为1mm/10mm的直线段，保证沿垂直土钵方向取出幼苗；植苗段6-4的起始点为第二个环扣的起点，其起始段为竖直设置且直线度为1mm/10mm的直线段，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，该双环扣移栽轨迹可以满足钵苗移栽中取苗的平入钵、直取苗及稳投苗的要求。
第二连杆5的自由端安装栽植机构即可进行栽植作业，且移栽轨迹满足钵苗移栽中取苗的平入钵、直取苗及稳投苗的要求。