單自由度四連桿取投苗機(jī)械臂設(shè)計(jì)

黨玉功，金 鑫，李衡金，王 俊，盧楊奔，丁博文，李 雪

單自由度四連桿取投苗機(jī)械臂設(shè)計(jì)

黨玉功1,3，金 鑫2※，李衡金4，王 俊2，盧楊奔4，丁博文1，李 雪2

（1. 河南科技大學(xué)車(chē)輛與交通工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003；2. 河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003；3. 河南科技大學(xué)機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽(yáng) 471003；4. 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003）

針對(duì)目前蔬菜穴盤(pán)苗自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高等問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一種單自由度開(kāi)式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)取投苗機(jī)械臂。首先通過(guò)對(duì)缽苗力學(xué)特性進(jìn)行分析，為取苗爪的外形設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。其次根據(jù)人工取投苗和現(xiàn)有取苗機(jī)構(gòu)的作業(yè)過(guò)程，制定了取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。然后對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑和各運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出一種單自由度全機(jī)械式的取投苗機(jī)械臂，顯著降低了成本。試驗(yàn)結(jié)果表明：取苗爪抓取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和設(shè)計(jì)要求與理論仿真結(jié)果相一致，移栽試驗(yàn)中取苗成功率為96.7%，缽體破損率為3.13%，投苗成功率為97.74%，總體成功率為91.32%，機(jī)構(gòu)的可靠性較高。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種全自動(dòng)取投苗方法，可為開(kāi)展移栽裝備的全自動(dòng)化研究提供參考。

機(jī)械化；移栽；設(shè)計(jì)；取投苗機(jī)構(gòu)；鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)；行星輪系；凸輪機(jī)構(gòu)

0 引 言

隨著中國(guó)人民生活水平的提高，蔬菜產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)糧食產(chǎn)量，居農(nóng)產(chǎn)品首位，并且有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。育苗移栽技術(shù)憑借著對(duì)作物具有氣候補(bǔ)償和使作物生長(zhǎng)提前的優(yōu)勢(shì)，已成為保證蔬菜增產(chǎn)的主要手段，是未來(lái)蔬菜生產(chǎn)的主要種植方式[2-4]。但是育苗移栽屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，這些因素嚴(yán)重制約了蔬菜移栽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此實(shí)行蔬菜移栽機(jī)械化作業(yè)是使移栽技術(shù)得以大規(guī)模推廣的必然趨勢(shì)[5-7]。目前國(guó)內(nèi)主要以半自動(dòng)移栽機(jī)械為主，采用人工取投苗+機(jī)械栽植的模式，取苗、運(yùn)苗、投苗仍需要人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度仍然很大，漏苗、傷苗率較高，效率較低[8-12]。因此提高移栽效率顯然取決于能否替代人工完成穴盤(pán)缽苗的取投，這是一項(xiàng)大量重復(fù)性勞動(dòng)，需要快速、準(zhǔn)確、較完整的將缽苗取出同時(shí)要保證投苗過(guò)程中缽體不散坨，幼苗無(wú)傷害。取投苗機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)械的關(guān)鍵部件，已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[13-15]。

意大利Ferrari全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)采用頂出夾取式取苗機(jī)構(gòu)，雖然損傷率低，作業(yè)效率高，但其整套取苗機(jī)構(gòu)由自動(dòng)控制系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[16]。日本井關(guān)農(nóng)機(jī)公司所研制的水稻缽苗栽植機(jī)，不僅采用高成本的半硬塑膠穴盤(pán)，而且移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)育苗要求也很高，因此并未在國(guó)內(nèi)推廣使用[17]。竹山智洋[18]發(fā)明的蔬菜移植機(jī)取投苗機(jī)構(gòu)栽植爪采用2套串聯(lián)的行星輪系驅(qū)動(dòng)，取苗軌跡復(fù)雜，制造成本高，未能實(shí)際應(yīng)用。Choi等[19]設(shè)計(jì)了一種曲柄滑道導(dǎo)桿取苗機(jī)構(gòu)，該裝置取苗成功率較低，而且隨著曲柄轉(zhuǎn)速提高，機(jī)構(gòu)效率下降、沖擊振動(dòng)顯著增大?；輺|志[20]提出了一種曲柄雙滑塊取苗機(jī)構(gòu)，用于煙草缽苗的取投，該機(jī)構(gòu)隨著效率的提高，取苗成功率顯著降低。王蒙蒙等[16]提出了曲柄連桿式夾苗機(jī)構(gòu)，但需要與穴盤(pán)苗頂出裝置配合才能完成取苗和投苗工作，整體結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。曹衛(wèi)彬等[21]發(fā)明了一種基于頂桿式的番茄穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗裝置，采用16 根平行布置的頂桿從穴盤(pán)底部頂出穴盤(pán)苗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損傷穴盤(pán)苗。葉秉良等[22-24]提出了2種非圓齒輪行星系旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)，這2種取苗機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，取苗效率高，但制造成本高，作業(yè)時(shí)有剛性沖擊。俞高紅等[25]對(duì)非圓齒輪行星系旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，消除了剛性沖擊，但高速作業(yè)時(shí)可能導(dǎo)致力學(xué)性能變差。韓綠化等[26-27]發(fā)明了多指針氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，其取苗靈活可控、速度快，但是需要配置空壓機(jī)和氣動(dòng)控制裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推廣受到限制。李華等[28]提出了一種齒輪-連桿組合式夾取取苗機(jī)構(gòu)，用于辣椒苗的移栽作業(yè)，其采用行星輪系對(duì)多余自由度進(jìn)行約束，但是取苗臂的夾苗、推苗動(dòng)作由凸輪撥桿機(jī)構(gòu)及雙搖桿機(jī)構(gòu)完成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要設(shè)置動(dòng)力輸入裝置。

本文提出一種開(kāi)式鉸鏈四連桿蔬菜穴盤(pán)苗自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求、工作原理和運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，采用全機(jī)械的方式對(duì)多余的自由度進(jìn)行約束，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性。

1 取投苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)的取投苗機(jī)構(gòu)要求能夠模擬人工移栽時(shí)的取、投苗作業(yè)過(guò)程，即從苗盤(pán)穴中取苗后，運(yùn)苗至栽植器正上方，然后投苗，接著再進(jìn)行取苗、運(yùn)苗、投苗這樣的一個(gè)工作過(guò)程[29]。通過(guò)分析人工取苗、運(yùn)苗、投苗作業(yè)過(guò)程和現(xiàn)有的取投苗機(jī)構(gòu)，對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出以下要求：

1）取苗、運(yùn)苗和投苗過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡

取苗爪進(jìn)入苗盤(pán)取苗和取完苗退出苗盤(pán)時(shí)，取苗爪要盡量和苗盤(pán)保持垂直，以降低取苗過(guò)程中對(duì)基質(zhì)的損傷；運(yùn)苗過(guò)程中，取苗爪要調(diào)整姿態(tài)，最終使取苗爪和栽植器鴨嘴方向一致，都為豎直狀態(tài)，從而使穴盤(pán)苗能向下落入栽植器中；投苗過(guò)程中，取苗爪姿態(tài)要保持不變[30]。

2）取投苗過(guò)程取苗爪的張合狀態(tài)

a）取苗爪在進(jìn)入苗盤(pán)穴口之前要完全張開(kāi)；b）在抵至苗盤(pán)穴口底部時(shí)，完全加緊；c）運(yùn)苗過(guò)程中取苗爪保持夾緊狀態(tài)；d）運(yùn)動(dòng)到栽植器鴨嘴上方時(shí)迅速?gòu)堥_(kāi)取苗爪，在推苗器的作用下使缽苗脫離取苗爪并豎直落入栽植器鴨嘴中；e）在開(kāi)始返回到下一次進(jìn)入苗盤(pán)穴口之前取苗爪保持張開(kāi)狀態(tài)[28]。

1.2 機(jī)構(gòu)選型與工作原理

本文取投苗機(jī)構(gòu)采用開(kāi)式鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）適用于傳遞較大的動(dòng)力，常用于動(dòng)力機(jī)械；2）能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡曲線和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，工程上常用來(lái)作為直接完成某種軌跡要求的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；3）依靠運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形面保持構(gòu)件間的相互接觸，且易于制造，易于保證所要求的制造精度；4）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳遞的操縱機(jī)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的單自由度四連桿取投苗機(jī)械臂作業(yè)示意圖如圖1所示，機(jī)架、連桿1、連桿2和連桿3分別通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連。取苗爪由左右兩部分組成，分別通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副和連桿3相連，取苗爪和連桿3的連接如圖1中A向的局部視圖所示，它們繞轉(zhuǎn)動(dòng)副中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)取苗爪的開(kāi)啟和閉合，抓取過(guò)程類(lèi)似于筷子夾取食物的過(guò)程。當(dāng)機(jī)構(gòu)占據(jù)圖1中實(shí)線位置時(shí)，取苗爪抵至苗盤(pán)穴口底部，取苗爪完全夾緊，此位置是取苗點(diǎn)；取苗爪取到苗后，機(jī)構(gòu)帶動(dòng)取苗爪向投苗點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)取苗爪調(diào)整投苗姿態(tài)，這是運(yùn)苗過(guò)程；在運(yùn)苗過(guò)程中取苗爪要始終保持閉合狀態(tài)，避免缽苗掉落；在到達(dá)投苗點(diǎn)附近至投苗點(diǎn)這一段時(shí)間內(nèi)，取苗爪和栽植器鴨嘴方向保持一致；當(dāng)機(jī)構(gòu)占據(jù)圖1中虛線位置時(shí)，機(jī)構(gòu)到達(dá)投苗點(diǎn)，推苗器推動(dòng)缽苗使其脫離取苗爪并豎直落入栽植器鴨嘴中；接著機(jī)構(gòu)帶動(dòng)取苗爪原路返回取苗點(diǎn)，取苗爪保持張開(kāi)狀態(tài)，到達(dá)去苗點(diǎn)后重新開(kāi)始下一個(gè)工作循環(huán)。

圖1 單自由度四連桿取投苗機(jī)械臂取投苗示意圖

1.3 取苗爪的參數(shù)設(shè)計(jì)

由于在取苗過(guò)程中，取苗爪直接接觸缽苗并進(jìn)行相互作用，取苗爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和缽體自身的力學(xué)特性會(huì)對(duì)缽體的完整性和取苗成功率產(chǎn)生影響，因此本文通過(guò)研究缽苗的力學(xué)特性，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)取苗爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以降低取苗過(guò)程中缽體的破損情況，提高取苗成功率[31-33]。

1）缽苗力學(xué)特性試驗(yàn)

以番茄苗為研究對(duì)象，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)蔬菜穴盤(pán)育苗實(shí)際情況，本研究所用苗盤(pán)采用128孔穴盤(pán)（聚苯乙烯材料），尺寸規(guī)格為590 mm×300 mm。苗穴的形狀為方錐形，穴孔上口尺寸為30 mm，穴孔底部尺寸為18 mm，穴孔深度為42 mm。育苗基質(zhì)采用FNZ材料（泥炭和珍珠巖的體積比=2:1，壓實(shí)填充滿(mǎn)穴盤(pán)，播種后采用蛭石覆蓋）。苗齡40 d左右，成苗時(shí)，每株秧苗的根系都完全自行盤(pán)結(jié)在各自的穴孔內(nèi)，將穴盤(pán)苗從穴孔中拉拔出來(lái)不會(huì)出現(xiàn)散坨現(xiàn)象[31]。缽苗抗壓力試驗(yàn)設(shè)備主要有：SMS英國(guó)TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀；由于番茄苗缽缽體為方錐形狀，其錐度約19°，所以構(gòu)建傾斜角為19°的缽苗載物臺(tái)；一對(duì)不銹鋼材料的夾持苗爪；P100平板探頭；剪刀；標(biāo)簽等。

從培育好的番茄秧苗中，隨機(jī)選取110株進(jìn)行苗缽抗壓力試驗(yàn)研究，基質(zhì)含水率55%。由于番茄缽苗缽體的形狀為方錐棱柱，因此需要將苗缽預(yù)先放置在傾斜載物臺(tái)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，以保持缽體的表面與平板探頭水平。試驗(yàn)時(shí)，采用苗爪夾持的方式夾住苗缽側(cè)壁進(jìn)行番茄缽苗抗壓試驗(yàn)，一根苗爪固接于質(zhì)構(gòu)儀P100平板探頭上，另一根苗爪與苗缽傾斜載苗臺(tái)固定，平板探頭從上往下進(jìn)行加載，設(shè)定加載速度為1 mm/s，試驗(yàn)測(cè)量缽體不破裂情況下番茄缽苗缽體的抗壓力變化過(guò)程，番茄穴盤(pán)苗缽體抗壓力試驗(yàn)如圖2a所示。圖3a為缽苗抗壓力與位移間的關(guān)系曲線圖，當(dāng)平板探頭上的苗爪剛接觸缽體時(shí)，隨著壓縮位移不斷增加，缽體的抗壓力也逐漸增加；當(dāng)平板探頭完全壓實(shí)在缽體上時(shí)，隨著壓縮位移不斷增加，缽體的抗壓力緩慢增加，此階段當(dāng)苗爪返回時(shí)，被壓縮的缽體會(huì)緩慢恢復(fù)一些，缽體被壓位置會(huì)留有苗爪留下的淺凹痕，但不會(huì)影響缽體成活率；然后當(dāng)缽體破裂時(shí)，抗壓力會(huì)突然減小。由抗壓力與位移間的關(guān)系曲線可知壓縮位移至13.45 mm，苗缽抗壓力達(dá)到最大為4.70 N。

圖2 番茄穴盤(pán)苗缽體抗壓力試驗(yàn)與拉拔力試驗(yàn)

缽苗拉拔力試驗(yàn)設(shè)備主要有：Instron 5544萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力2 000 N，精確度等級(jí)0.5%；剪刀，標(biāo)簽等。

試驗(yàn)所用的番茄穴盤(pán)苗與進(jìn)行抗壓力試驗(yàn)的番茄苗為同一批次，基質(zhì)含水率55%。隨機(jī)選取60株長(zhǎng)勢(shì)良好的番茄缽苗進(jìn)行穴盤(pán)取苗試驗(yàn)；將穴盤(pán)苗平放置試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)，使用夾具夾住缽苗的莖稈，垂直向上拉取缽苗，番茄穴盤(pán)苗苗缽拉拔力試驗(yàn)如圖2b所示。圖3b為拉拔力與位移間的關(guān)系曲線，取苗過(guò)程中所受的拉拔力先增大后減小，將苗缽取出的拉拔力F最大為2.67 N。

a. 抗壓力與位移間的關(guān)系曲線

a. Relationship between resist pressure and compression displacement

b. 拉拔力與位移間的關(guān)系曲線

2）取苗爪的參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)

取苗爪在進(jìn)入苗盤(pán)時(shí)，以一定的角度插入穴盤(pán)中，當(dāng)2個(gè)取苗爪的入缽深度達(dá)到取苗要求后，兩取苗爪以角度夾緊缽體，最后在取苗機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下將穴盤(pán)苗從苗盤(pán)穴格中取出。如圖4所示為苗缽被夾緊時(shí)的受力圖，其中兩取苗爪對(duì)缽體產(chǎn)生的夾持力為1、2，接觸面產(chǎn)生的靜摩擦力為1、2，從苗盤(pán)穴格里將缽體拉拔出來(lái)所需要的力為F，假設(shè)取苗方向向上，不考慮缽體蠕變及不均勻等影響，則1=2，為缽體與取苗爪之間的靜摩擦系數(shù)。

注：F1、F2為兩取苗爪對(duì)缽體產(chǎn)生的夾持力，N；f1、f2為接觸面產(chǎn)生的靜摩擦力，N；β為兩取苗爪所夾的角度，(°)；α為取苗爪與豎直方向夾角，(°)；FP為所需拉拔力，N。

若要成功的將穴盤(pán)苗從苗盤(pán)中取出需要滿(mǎn)足的條件是

從式（1）中可以看出，克服穴盤(pán)苗的拉拔力F，取決于夾持力1、靜摩擦因數(shù)、夾持角度。其中夾持力1是作用力，其最大值為

式中為缽體的最大許用抗壓強(qiáng)度，Pa；1為夾持缽體的面積，mm2。

缽體抗壓強(qiáng)度為

式中為缽苗力學(xué)特性試驗(yàn)中最大缽體抗壓力，N；為缽苗力學(xué)特性試驗(yàn)所用取苗爪夾持缽體的面積（116.46 m2）

將公式1=2=1、式（2）和式（3）帶入式（1）整理可得

根據(jù)苗缽抗壓和拉拔力試驗(yàn)研究結(jié)果，當(dāng)取苗爪進(jìn)入苗盤(pán)時(shí)的姿態(tài)（即β角）確定后，可以由式（4）確定夾持缽體的最小面積A1 min。取苗爪尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)原則是：在取苗機(jī)構(gòu)與苗盤(pán)不發(fā)生干涉的情況下，取苗爪的尖端應(yīng)盡量扁平，以增大與缽體的接觸面積。設(shè)計(jì)好的取苗爪如圖5所示。

1.4 運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃及各運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

為了便于實(shí)現(xiàn)連桿1和連桿2的運(yùn)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副1和轉(zhuǎn)動(dòng)副2都施加一個(gè)勻速整周轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)副1和轉(zhuǎn)動(dòng)副2如圖6所示。如圖6所示，連桿1和連桿2處于實(shí)線位置時(shí)，二者共線，取投苗機(jī)構(gòu)處于取苗位置，而連桿1和連桿2處于虛線位置時(shí)，兩者也共線，取投苗機(jī)構(gòu)處于投苗位置。在由取苗點(diǎn)到投苗點(diǎn)這個(gè)過(guò)程中，連桿1和連桿2相對(duì)于機(jī)架分別轉(zhuǎn)動(dòng)了180°，接下來(lái)由投苗點(diǎn)返回到取苗點(diǎn)時(shí)，它們相對(duì)于機(jī)架又運(yùn)動(dòng)了180°，完成了一個(gè)工作循環(huán)。為了在取苗點(diǎn)和接苗點(diǎn)連線的垂直方向上減小機(jī)構(gòu)的尺寸，節(jié)省整個(gè)移栽裝備的空間，應(yīng)使連桿1和連桿2的運(yùn)動(dòng)速度大小相等，方向相反，這樣在由取苗點(diǎn)運(yùn)苗到投苗點(diǎn)和返回取苗點(diǎn)的過(guò)程中，連桿1和連桿2會(huì)逐漸折疊起來(lái)，顯著減小機(jī)構(gòu)在橫向占據(jù)的空間。使連桿1和連桿2的長(zhǎng)度相等，這樣連桿2末端點(diǎn)走過(guò)的軌跡是一個(gè)直線，此時(shí)由取苗點(diǎn)到投苗點(diǎn)的路徑最短。連桿1相對(duì)于機(jī)架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿2相對(duì)連桿1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)苗中某2個(gè)時(shí)刻連桿1和連桿2的位置如圖6中相應(yīng)虛線所示，返回取苗點(diǎn)某時(shí)刻連桿1和連桿2的位置如圖6中相應(yīng)虛線所示。在整個(gè)工作循環(huán)中，連桿2的末端點(diǎn)始終處于取苗點(diǎn)和投苗點(diǎn)的連線上，走過(guò)的路經(jīng)是一條直線。

注：ω1為連桿1的角速度，rad·s-1；ω2為連桿2的角速度，rad·s-1。

連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)采用行星輪系驅(qū)動(dòng)，連桿2行星齒輪系驅(qū)動(dòng)示意圖如圖7所示。中心輪齒數(shù)1=24，行星輪2齒數(shù)2=18，行星輪3齒數(shù)3=12，中心輪固定，行星輪2鉸接在連桿1上，行星輪3和連桿2剛性固連在一起，鉸接在連接連桿2和連桿1的轉(zhuǎn)動(dòng)副上，連桿1充當(dāng)系桿的作用。連桿1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為ω，那么行星輪3和連桿2的速度為

式中3為行星輪3的角速度，rad/s。

通過(guò)計(jì)算可知連桿2和連桿1的速度大小相等，方向相反，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在取苗爪即將進(jìn)入苗盤(pán)取苗和取完苗完全退出苗盤(pán)的過(guò)程中，取苗爪和苗盤(pán)保持垂直狀態(tài)，連桿3相對(duì)于機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)速度為零。在運(yùn)苗過(guò)程中，連桿3相對(duì)于機(jī)架有一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)，在到達(dá)投苗點(diǎn)附近時(shí)，取苗爪和栽植器鴨嘴方向一致。在接下來(lái)在直至投苗點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，取苗爪姿態(tài)保持不變，即連桿3相對(duì)于機(jī)架的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也為零。在由投苗點(diǎn)返回取苗點(diǎn)的過(guò)程中，連桿3相對(duì)于機(jī)架首先保持不動(dòng)，接下來(lái)相對(duì)于機(jī)架有一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)，使取苗爪即將到達(dá)苗盤(pán)時(shí)和苗盤(pán)處于垂直狀態(tài)，然后又保持不動(dòng)，直至取完苗完全退出苗盤(pán)為止。在一個(gè)完整的工作循環(huán)中，連桿3相對(duì)于機(jī)架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度之和為零，即逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度等于順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。連桿3的轉(zhuǎn)動(dòng)擬采用凸輪高副約束。擺桿和連桿3做成一個(gè)整體，由前面分析可知，連桿2末端也即轉(zhuǎn)動(dòng)副3轉(zhuǎn)動(dòng)中心的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線，在取苗點(diǎn)和投苗點(diǎn)附近連桿3相對(duì)于機(jī)架的姿態(tài)保持不變，所以滑道始末兩端都是直線段。在運(yùn)苗至投苗點(diǎn)和返回取苗點(diǎn)的過(guò)程中，連桿3相對(duì)于機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，用以調(diào)整取苗爪的姿態(tài)，所以滑道中間是一個(gè)曲線段。

注：ωH為連桿1的角速度，rad·s-1。

取苗爪的張合和推苗器推苗動(dòng)作采用凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，取苗爪張合和推苗器控制機(jī)構(gòu)如圖8所示。凸輪利用成形連接安裝到連桿2末端的軸上，連桿2末端的軸和連桿2剛性連接，所以凸輪隨連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)工作循環(huán)凸輪正好轉(zhuǎn)動(dòng)一周。凸輪由端面凸輪和盤(pán)狀凸輪兩部分組成，端面凸輪分為左右對(duì)稱(chēng)的兩部分，用來(lái)驅(qū)動(dòng)直動(dòng)從動(dòng)件，盤(pán)狀凸輪驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)從動(dòng)件。直動(dòng)從動(dòng)件和取苗爪剛性連接，帶動(dòng)取苗爪繞著其與連桿3組成的鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閉合，取苗爪的開(kāi)啟則是利用彈簧1的拉力。推苗器和擺動(dòng)從動(dòng)件鉸接在一起，隨擺動(dòng)從動(dòng)件上下運(yùn)動(dòng)，從而使缽苗脫離苗爪并豎直落入栽植器中，擺動(dòng)從動(dòng)件滾子和凸輪的閉合則是利用彈簧2的拉力。

由以上設(shè)計(jì)可知，本文提出的機(jī)械臂主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：①取苗和投苗時(shí)姿態(tài)可以保持不變，夾苗和推苗動(dòng)作由凸輪機(jī)構(gòu)控制，動(dòng)作比較精準(zhǔn)；②該機(jī)械臂只有一個(gè)自由度，因此只需要一個(gè)原動(dòng)件就能完成確定的復(fù)雜動(dòng)作，比較容易控制；③機(jī)械臂的所有的約束都是由機(jī)械裝置控制，可以適應(yīng)農(nóng)田惡劣的工作環(huán)境，此外由于去掉了所有的電控和氣動(dòng)裝置，顯著降低了成本，有助于蔬菜移栽的推廣。

圖8 取苗爪張合和推苗器控制機(jī)構(gòu)

2 取投苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 取投苗機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系的建立

建立取投苗四連桿機(jī)械臂坐標(biāo)系統(tǒng)如圖9所示，基礎(chǔ)坐標(biāo)系0000固連于機(jī)架，坐標(biāo)系原點(diǎn)0位于連接連桿1和機(jī)架的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心，0為旋轉(zhuǎn)軸，連桿1和0軸所夾的初始角度為10。坐標(biāo)系1111固連于連桿1末端，坐標(biāo)系原點(diǎn)1位于連接連桿1和連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心，1軸沿著連桿1的方向，1為旋轉(zhuǎn)軸，連桿2和1軸所夾的初始角度為20。坐標(biāo)系2222固連于連桿2末端，坐標(biāo)系原點(diǎn)2位于連接連桿2和連桿3的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心，2軸沿著連桿2的方向，2為旋轉(zhuǎn)軸，連桿3和2軸所夾的初始角度為30。取苗爪和連桿3鉸接在一起，隨連桿3一起運(yùn)動(dòng)，為了研究取苗爪尖端點(diǎn)（即取苗爪末端點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)軌跡，這里把連桿3和取苗爪視為一體，撇開(kāi)連桿3的實(shí)際外形，用圖9中23線表示連桿3。坐標(biāo)系3333固連于連桿3末端，坐標(biāo)系原點(diǎn)3位于取苗爪末端尖端點(diǎn)上，3軸沿著連桿3的方向。

注：θ10為連桿1和X0軸所夾的初始角度，(°)；θ20連桿2和X1軸所夾的初始角度，(°)；θ30連桿3和X2軸所夾的初始角度，(°)；ω3為連桿3的角速度，rad·s-1。

2.2 連桿2末端點(diǎn)坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算

連桿1長(zhǎng)度1為45 mm，其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度1為6.28 rad/s，連桿1和0軸所夾的初始角度10為315°。連桿2長(zhǎng)度2為45 mm，其順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度2為6.28 rad/s，連桿2和1軸所夾的初始角度20為0。假定逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針為負(fù)。

坐標(biāo)系1111到坐標(biāo)系0000的變換矩陣為

式中0、0、0為坐標(biāo)系0000的坐標(biāo)軸單位向量，1、1、1為坐標(biāo)系1111的坐標(biāo)軸單位向量，1=10+10，1為連桿1桿長(zhǎng)，mm，10為連桿1相對(duì)于機(jī)架的轉(zhuǎn)速，為6.28 rad/s，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

坐標(biāo)系2222到坐標(biāo)系1111的變換矩陣為

式中2、2、2為坐標(biāo)系2222的坐標(biāo)軸單位向量，2=2021，2為連桿2桿長(zhǎng)，mm，21為連桿2相對(duì)于連桿1的轉(zhuǎn)速，大小為12.56 rad/s，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

連桿3長(zhǎng)度3為122 mm，連桿3相對(duì)于連桿2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，速度32為6.28 rad/s，連桿3和2軸所夾的初始角度30為35°。在機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)0.08后到0.38 s這段時(shí)間內(nèi)，連桿3同時(shí)相對(duì)于機(jī)架有一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)3，在機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)0.62到0.92 s這段時(shí)間內(nèi)，連桿3自身有一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)3。連桿3相對(duì)于連桿2在0至0.5 s時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)了125°，連桿3相對(duì)于連桿2在0.5至1 s時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)了235°。

坐標(biāo)系3333到坐標(biāo)系2222的變換矩陣為

式中3、3、3為坐標(biāo)系3333的坐標(biāo)軸單位向量，在0～0.08 s內(nèi)，3=30+32；在0.08～0.38 s內(nèi)，3=30+0.0832+(32?3)(?0.08)；在0.38～0.5 s內(nèi)，3=30+0.0832+0.3(32?3)+32(?0.38)；在0.5～0.62 s內(nèi)，3=30+0.0832+0.3(32?3)+0.1232+32(?0.5)；在0.62～0.92 s內(nèi)，3=30+0.0832+0.3(32?3)+0.1232+ 0.1232+(32+3)(?0.62)；在0.92～1 s內(nèi)，3=30+0.0832+ 0.3(32?3)+0.1232+0.1232+0.3(32+3)+32(0.92)；3為連桿3的桿長(zhǎng)，mm。

連桿2末端點(diǎn)在坐標(biāo)系2222的齊次坐標(biāo)為

式中上角標(biāo)表示坐標(biāo)系，下角標(biāo)表示連桿編號(hào)。

那么連桿2末端點(diǎn)在坐標(biāo)系0000的坐標(biāo)為

連桿3末端點(diǎn)在坐標(biāo)系3333的齊次坐標(biāo)為

那么連桿3末端點(diǎn)在坐標(biāo)系0000的坐標(biāo)為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，畫(huà)出連桿3末端點(diǎn)走過(guò)的軌跡，其軌跡如圖10所示，連桿3末端點(diǎn)軌跡始末兩端為直線，中間為曲線，這個(gè)軌跡和設(shè)計(jì)的軌跡相吻合。

圖10 連桿3末端點(diǎn)走過(guò)的軌跡

Fig.10 Trajectory of end point of connecting rod 3

2.3 滑道廓線計(jì)算

擺桿和連桿3做成一體，擺桿長(zhǎng)度4為60 mm。以圖11中點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系OXYZ，擺桿和連桿3的夾角為168°，連桿3與坐標(biāo)軸a所夾的角度為，擺桿和坐標(biāo)軸X所夾的角度為。根據(jù)前面的計(jì)算，可以得到點(diǎn)和點(diǎn)在基礎(chǔ)坐標(biāo)系0000的坐標(biāo)x、y、z和x、y、z，在圖示坐標(biāo)系OXYZ中，點(diǎn)的坐標(biāo)為（0,0），點(diǎn)的坐標(biāo)為（x?x,y?y），那么

式中x、y是點(diǎn)在基礎(chǔ)坐標(biāo)系0000的坐標(biāo)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以求得點(diǎn)即滾子中心的坐標(biāo)，然后可以畫(huà)出點(diǎn)和滾子的軌跡，如圖12所示。

注：δ為擺桿和連桿3的夾角，(°)；λ為連桿3與坐標(biāo)軸Xa所夾的角度，(°)；γ為擺桿和坐標(biāo)軸Xa所夾的角度，(°)。

注：c點(diǎn)軌跡即滾子中心的軌跡。

3 取投苗機(jī)械手三維模型和試驗(yàn)

根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求進(jìn)行各個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，取投苗機(jī)械手三維模型的爆炸視圖如圖13所示，取苗爪夾取和張開(kāi)動(dòng)作采用取苗爪凸輪2驅(qū)動(dòng)，凸輪固裝在連桿2上，連桿2轉(zhuǎn)動(dòng)一周，抓取張開(kāi)一次。

1.取苗爪 2.取苗爪凸輪 3.連桿3 4.滑道 5.連桿2 6.行星齒輪2 7.行星齒輪1 8.中心輪 9.機(jī)架 10.齒輪箱

加工裝配完畢的移載裝備如圖14所示，對(duì)取投苗機(jī)構(gòu)取苗爪抓取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行高速攝影成像分析。抓取點(diǎn)的軌跡曲線形狀與圖10連桿3末端點(diǎn)的軌跡曲線形狀類(lèi)似，取苗和投苗時(shí)為近似直線段，保證抓取和投苗姿態(tài)不變，運(yùn)苗時(shí)為曲線段，在此過(guò)程中調(diào)整投苗姿態(tài)。但是二者也存在一些差異，由取苗點(diǎn)到投苗點(diǎn)的軌跡和返回時(shí)的軌跡沒(méi)有完全重合，主要原因有以下幾點(diǎn)：①加工時(shí)滑道和滾子的間隙較大，應(yīng)該提高加工精度，避免此類(lèi)誤差；②為防止移栽裝備中其他零件對(duì)栽植機(jī)構(gòu)的遮擋，高速攝影設(shè)備稍微有所傾斜。

以培育的番茄穴盤(pán)苗為對(duì)象，進(jìn)行移栽試驗(yàn)，移栽速度設(shè)定為60株/min。試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行3組，每組進(jìn)行3盤(pán)穴盤(pán)苗連續(xù)抓取作業(yè)，統(tǒng)計(jì)取苗、運(yùn)苗、投苗的成功情況，計(jì)算成功率，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖14 取投苗機(jī)械臂取苗爪抓取點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡高速攝影成像

表1 取投苗試驗(yàn)結(jié)果

從統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，當(dāng)移栽速度為60株/min時(shí)，取苗成功率為96.70%，缽體破損率為3.13%，投苗成功率為97.74%，總體成功率為91.32%，抓取和投苗成功率平均值達(dá)到90%，抓取成功的缽苗中缽體的破損率為3.13%，達(dá)到了預(yù)期的效果。對(duì)提取失敗的穴盤(pán)苗，使用柱塞從穴孔排水口向上頂出，發(fā)現(xiàn)這些缽苗的根系發(fā)育較差，沒(méi)有包裹住基質(zhì)，因此育苗質(zhì)量是影響取苗成功與否的一個(gè)重要因素。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)對(duì)移栽機(jī)取投苗機(jī)構(gòu)作業(yè)過(guò)程的分析，制定了設(shè)計(jì)要求，提出了一種開(kāi)式鉸鏈四連桿型取投苗機(jī)械臂。通過(guò)研究缽苗的力學(xué)特性，對(duì)取苗爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低取苗時(shí)缽體的破損情況，提高取苗成功率。對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑和各運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，用行星輪系和凸輪高副對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行約束，用凸輪機(jī)構(gòu)控制取苗爪張合和推苗器推苗動(dòng)作，最終設(shè)計(jì)了一種單自由度全機(jī)械式的取投苗機(jī)構(gòu)，只需要一個(gè)原動(dòng)件就可以完成確定的復(fù)雜動(dòng)作，操作控制簡(jiǎn)單。

2）建立取投苗機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系和數(shù)學(xué)模型，用MATLAB對(duì)各連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果證明仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)要求相一致。

3）對(duì)取投苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作試驗(yàn)樣機(jī)。對(duì)取苗爪抓取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行高速攝影成像分析，成像結(jié)果顯示取苗爪抓取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和理論仿真結(jié)果軌跡都為兩直線一曲線形狀，二者輪廓基本吻合。利用樣機(jī)進(jìn)行移栽試驗(yàn)，共組織3組試驗(yàn)，每組連續(xù)抓取投放3盤(pán)苗，平均總體成功率為91.32%，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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Design of single-degree-of-freedom four-bar seedling-taking and throwing manipulator

Dang Yugong1,3, Jin Xin2※, Li Hengjin4, Wang Jun2, Lu Yangben4, Ding Bowen1, Li Xue2

(1.,,471003,; 2.,,471003,; 3.,,,471003,; 4.471003,)

With the demand for vegetables is increasing, and by the advantages of climate compensation and early growth of crops, seedling transplanting technology has become the main means to ensure the increase of vegetable production. But seedling raising and transplanting belong to labor-intensive operation, which is time-consuming and labor-consuming, low efficiency and high cost. Therefore, in order to promote seedling transplanting technology, vegetable transplanting mechanization must be carried out. As a key component of transplanting machinery, seedling taking and throwing mechanism has become the focus of research by scholars at home and abroad. Aiming at the problems of the complex structure and high manufacturing cost of the automatic seedling-picking mechanism of vegetable seedlings, in this paper, an open hinge four-bar mechanism for seedling taking and throwing manipulator was designed. Through the analysis of mechanical characteristics of seedlings, the basis for shape design of seedling claws was provided. According to the working process of artificial seedling taking and throwing and the existing seedling taking and throwing mechanism, the design requirements of seedling fetching mechanism were formulated. The motion path of the mechanism and the motion of each pair were planned and designed，the planetary gear train was used to restrain the rotating pair consisting of connecting rod 1 and connecting rod 2, cam high pair mechanism was used to restrain the rotating pair consisting of connecting rod 2 and connecting rod 3, cam mechanism was also used to control the movement of seedling claw opening and closing and the seedling pusher. Finally, a single-degree-of-freedom fully mechanical seedling taking and throwing mechanism was designed, which significantly reduced the cost and improved the reliability of the work, and made the seedling taking and throwing mechanism suitable for harsh working environment of farmland. The coordinate system and mathematical model of the seedling-taking mechanism were established, and the trajectory of each connecting rod was calculated with MATLAB, and the motion trajectory of the mechanism was simulated and analyzed. The simulated results showed that the simulation results were consistent with the design requirements. Detailed structural design of the seedling taking and throwing mechanism was carried out, and the experimental prototype was made. The motion trajectory of the grasping point of the seedling claw of the seedling-feeding mechanism was analyzed by high-speed camera, and the imaging results showed that the trajectory of the grasping point of the seedling claw was similar to the trajectory of the theoretical simulation results. The transplanting experiment was carried out with the prototype, and 3 groups of experiments were organized and 3 plates of seedlings were continuously grabbed and put in each group. The overall success rate of transplanting seedlings was 91.32%, the damage rate of bowl was 3.13%, and the reliability of the mechanism was high. The design of this mechanism provides a fully automatic method for seedling taking and throwing, and provides a reference for the full automation research of transplanting equipment.

mechanization; transplants; design; seedling taking and throwing mechanism; hinged four-bar mechanism; planetary gear train; cam mechanism

2019-05-12

2019-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（51875175）

黨玉功，講師，博士，主要從事機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。Email：dang_2000@163.com

金 鑫，副教授，博士，主要從事種苗高速栽插裝備與農(nóng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究。Email：jx.771@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.005

S223.94

A

1002-6819(2019)-14-0039-09

黨玉功，金 鑫，李衡金，王 俊，盧楊奔，丁博文，李 雪. 單自由度四連桿取投苗機(jī)械臂設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(14)：39－47. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.005 http://www.tcsae.org

Dang Yugong, Jin Xin, Li Hengjin, Wang Jun, Lu Yangben, Ding Bowen, Li Xue. Design of single-degree-of-freedom four-bar seedling-taking and throwing manipulator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 39－47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.005 http://www.tcsae.org