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基于近似多位姿的轮系式钵苗移栽机构运动综合农业机械学报孙良胡艺翔邢子勤俞高红俞亚新¨咖,辎騨纁課哪竣鰑猵凇闐∥矿唧入特征向量扩大一般解空间。结合约束条件求解得到镽投俗椋菀圃曰沟墓ぷ鞣段а∪∑...浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州;憬≈种沧氨讣际踔氐闶笛槭遥贾摘要:作业轨迹形状和在特定位置移栽臂的姿态要求是移栽机构设计过程需要考虑的首要问题。为了能获得多个期望位姿且兼顾一定形状的作业轨迹,提出一种基于近似多位姿的非圆齿轮行星轮系移栽机构设计方法。基于运动学映射理论将銎谕蛔说愕男畔⒕卣笸ü脑J;恢寥占洌诙愿镁卣蠼衅嬉熘捣纸夂螅ü合适的二杆组构成四杆机构,且该机构连杆上的一点可依次近似通过所有设定的位姿点形成一条完整的“帧毙轨迹。根据其中一组二杆组的运动特点求解非圆齿轮的传动比,以非圆齿轮节曲线圆度性为目标,以封闭轨迹上的部分形状可调节段拟合点位置为变量床桓谋涔丶旒6紊闲椭档愕奈蛔,利用遗传算法优化得到一组具有较好圆度性的非圆齿轮节曲线。最后进行了水稻钵苗移栽机构的设计与试验,理论与试验的移栽姿态和轨迹形状具有一致性,且取苗试验的成功率达到设计要求,有效地验证了运动综合和设计方法的正确性。本研究可为具有多位姿要求的新型移栽机构的设计提供方法借鉴。关键词:水稻钵苗移栽机构;运动学映射理论;非圆齿轮;参数优化中图分类号:.文献标识码:文章编号:七е鈋口颉阨玻琙凡甖騩趇難·’,.,口癴￡珻:癱猟,.産,簉;猚收稿日期:—一修回日期:——基金项目:国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、浙江省重点研发计划项目作者简介:孙良,男,副教授,博士,主要从事农业机械设计与优化研究,猰簂通信作者:俞高红,男,教授,博士生导师,主要从事农业种植机械设计与机构学研究,猰簓鰅西曙瞕鷆陏,日“,瞡,;、浙江省瞬排嘌苹钅亢驼憬「咝V星嗄暄Э拼啡伺嘌钅.,甤
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引言静缫圃怨旒具有不伤根、无缓苗期、可缩短生长期等优点,对促义¨。R圃曰故撬静缫圃缘暮诵墓ぷ鞑者研究的重点。不等速轮系式机构具有结构对称、运动平稳等特点,学者将其应用在移栽机构设计中。目前,轮系式水稻钵苗移栽机构的设计方法主要有运动分析与运动综合。运动分析是选定机构、构参数,以获得理想的轨迹和姿态。俞高红等。在研究蔬菜钵苗取苗机构的基础上,采用运动分析获得一组满足水稻钵苗移栽要求的结构参数。叶秉良等。L岢鲆恢职个不完全非圆齿轮的非圆齿钵苗移栽较优工作轨迹和姿态的机构参数。左彦军影响轨迹形状与姿态优化过程的收敛性,而运动综的选取。赵雄等。采用封闭节曲线拟合技术,通过捎迷硕成浞椒ń辛似矫嫠牧嘶沟亩位姿精确综合研究。等。。”㈨辛肆嘶况下,通过扩大误差的方法获得近似解。虽然目前行运动综合,提出一种可兼顾轨迹形状和多位姿的水稻钵苗移栽机构设计方法。在求解非圆齿轮节曲线时采用遗传算法优化其圆度性。水稻钵苗移栽机构根据钵苗的取出方式可分为夹取对象又分为夹苗式和夹钵式两种,其中夹苗式水稻钵苗移栽机构首先利用夹秧片在取苗点处夹取钵苗的底部茎秆,然后夹秧片沿着拔苗段轨迹将钵移栽轨迹的最低点裁绲,松开夹秧片并通过推相比传统水稻毯面的机插技术,水稻钵苗移栽进我国水稻产量增长及扩大可适种面积具有重要意件,移栽机构创新设计及其设计理论一直是众多学建立机构运动学模型、确定机构关键参数,并优化机方法提出一种取栽一体式的水稻钵苗移栽机构。孙良等⒘思醒砥颂图獾愎旒5哪勘旰轮行星轮系水稻钵苗移栽机构,得到一组实现水稻等。提出基于三次非均匀有理跚叩姆窃齿轮行星轮系钵苗移栽机构,并通过运动学分析建立了夹秧片姿态和尖点轨迹的目标函数,得到一组满足水稻钵苗移栽要求的结构参数。在运动分析中对机构初始参数选择的盲目性会合可以在保证轨迹形状与移栽姿态的基础上,通过优化传动齿轮凸性来达到目标要求,便于初始参数给定型值点确定机构作业要求的运动轨迹,建立机构逆运动学模型,求解非圆齿轮非匀速传动比函数,设计了非圆齿轮节曲线。取Ы刑岢鲆恢只球面曲线的空间行星轮系机构运动综合方法,实现了非圆齿轮一非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构的参数反求。值得注意的是,现有轮系式移栽机构的运动综合中主要针对给定形状的轨迹求解机构参数,并获得满足凸性要求的传动比,求解模型中未考虑移栽臂的姿态因素。考虑若干位姿恢糜胱颂信息的机构运动综合问题,即刚体导引问题,在连杆机构上已有许多研究。尽薄4哟考负谓嵌瘸龇ⅲ芯苛平面连杆的、鑫蛔说木纷酆戏椒ā等。。J褂镁卣蠓ń⒘艘幌盗蟹窍咝苑匠蹋蠼馄面四杆以及平面五杆最多五位姿精确综合,并对该连杆机构进行设计。取使用连续法对平面四杆位置进行轨迹综合求解。文献构的混合多位姿综合研究,在五位姿无精确解的情基于多位姿的运动综合在连杆机构中应用较多,但应用在轮系机构中却鲜见相关报道。本文基于运动学映射理论对不等速轮系机构进顶出式和夹取式,而夹取式水稻钵苗移栽机构根据水稻钵苗移栽机构是主要研究对象。<忻缡苗从穴盘中拔出,秧苗随着机构调整姿态并运动到秧器将钵苗推入水田中以完成一次移栽。如图示,其轨迹是一条带环口的封闭曲线,而曲线的形状以及移栽臂的姿态影响秧苗的栽植效果。。根据夹苗式水稻钵苗移栽机构的农艺要求以及机构运动特点,选取的轨迹姿态点一般要满足以下要求心孩偃∶缃笥谝。且小于。。②拔苗段距离笥。③轨迹与秧箱之问的距离大于。④推苗角笥G倚∮!⑤取苗角和推苗角的差为。。⑥取苗段轨迹应与钵盘近乎垂直。⑦动轨迹允许的植苗高度恍∮。⑧移栽机构齿轮箱回转最低点高于地面不小于结合上述要求,在轨迹的规划中考虑取苗环扣处影响¨⋯,故取苗环口处预设鑫蛔说阋栽际∶缁农业机械学报移栽臂的位置和姿态对取苗成功率以及秧苗损伤率的图“帧毙鸵圃怨旒N蛔说阊∪∈疽馔。’瑃“粀薄畒【
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蓑州塞葶篾篙二裟二乏÷辏畇詈一￡:詈÷辏琧。簊号耻⋯詈舻孙踟踟办踟肋踟踟耻为门叫衛引=衛叫齦√』㈩彬历西历历历阢西艮多位姿近似综合方法日;一日::曰:剩扣的轨迹形状和相应的取苗姿态;持苗段的约束条件主要是控制轨迹与秧箱的合理间距,避免干涉,预设个位姿点;植苗段的位姿点影响立苗效果,预设鑫姿点以控制植苗角以及轨迹的整体高度。即,共用个位姿点约束整个轨迹的各关键部位:侠淼移栽轨迹形状和姿态是指满足移栽要求的一个特定的数据区间。⒎鞘茄细裨际4耍疚睦迷硕映射理论开展近似蛔说囊圃曰乖硕酆稀单行星架的轮系式移栽机构若不考虑齿轮约束,下的刚体在固定坐标系下的运动关系,如图所示。将刚体的位姿信息表示为辍#琇:,,硎居刚体相连的动坐标系,硎竟潭ㄗ晗担硕仗内点奈灰瓶梢员硎疚5阕昊蛳咦甏覯到辏辏——动坐标系脑阍诠潭ㄗ系碌淖,——点诙晗礛下的坐标,——点诠潭ㄗ晗礔下的坐标!6晗礛相对于固定坐标系男转角度,逆时针为正向间坐标曰:。,海珺,,曰。硎荆渲将式胧,可得如图荆礁銎矫娓仗逯涞南喽栽硕系可以看成是一个平面开链机构运动模型,动坐标系戈碌牡鉖满足固定坐标系下圆方程的一般形式,即参数,满足圆方程将式耸可得籮唬曰籅一石,籓.,.戈,。,#:,是约束圆的齐次坐标。另外,R籶。鱿凳肼愀郊臃匠套【一一其中曰。籮一曰式中⒙——解空间系数订历协职历阢既历艮的***皮历历歇阢西服可以简化为如图所示的开链机构。开链移栽机构中移栽臂末端点的位置和姿态即为移动坐标系淖;弧А式中给定一组笛卡尔空间的平面位姿参数。,海口闷矫嬖硕в成淅砺劭梢越渥;晃M枷窨曰一曰其中,琂,,,琾,通过对矩阵曰唤衅嬉熘捣纸猓玫个奇异向量,一般对于精确位姿求解可以选取龆杂的特征向量!,。和钩山饪占洹T诮饪占渲校向量可以表示为转式位曰定第期孙良等:基于近似多位姿的轮系式钵苗移栽机构运动综合图仗逦灰圃诹礁鲎晗导涞淖;,。,次艾姬伥门一曰。。籭。日読日。。。弧一琹曰件丌口日籶!H眨弧口拍硒%蚰帖:盆”弘¨“,踮儿引乳叭虬
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”㈣#。:海,,:#簆,:R惑蒙蟡;手粪旦卫唬~。,%。掣陬似其中莑,。、%、蚻,,组成的表达式,其中鲈然而,在许多实际应用等式中往往无法找到精确解,故允许使用更多近似解决方案进一步求解,即式飧鼋频牧憧占涫蔷哂凶钚《舜合误差的局部最优解空间,为了允许更大的容错能力,可使用更高维度的解空间,即用銎嬉煜蛄坷构造一般解空间,以将一般解空间扩展到四维,表达式为式中肛——解空间系数在四维解空间中,它包含鲆H范ǖ钠氪伪量、和约个齐次二次方程。由于通解中有一个未知数没有确定,通常可以获得无穷多个解。为了满足实际的工程要求,还可施加其他具体的限制,如,可以将谝桓鲈K厣柚梦,以便获得圆柱副连接来提供更好的支撑性,但是最终的二杆组会落入或者类型中。因此,可以考虑使固定铰链点位于某一条直线上,即固定铰链点,,束移栽轨迹的位姿点见表蠼獾玫浇饪占涞一种逐渐提高误差容忍度并扩展解空间的策略。如,。琹’口■谥毕摺辍骸￡,上。根据式箍以得到由式可得将式代入式傻洳其中式是,届,琾南咝栽际匠蹋ㄒ了所得的型二杆组固定铰链点所在的直线。该附加的线性约束方程可以与方程式械个二次约束方程组合,可得挥舭』轧’似个特征向量见表詈罄们蠼舛6畏匠套通法解得向量种结果见表将向量曜蓟⒏郊邮导实脑际跫垂定铰链点位于较呱希缓蠼岷个齐次方程梢郧蠼獬鑫粗2问齛、卢、蚿。对于Ⅳ个平面姿态,可以由制矫娑丝A蠢嘈椭的一种进行近似综合:、或依据向量梢匀范ㄆ矫娑丝A吹睦嘈停帜J轿#孩偃绻鹥。:。。,,得到的平面二杆组类型是型。②如果:,,得到的平面二杆组类型是型。③如果玫降钠矫娑俗槔嘈褪荝汀"苋缥奚述情况,生成的平面二杆组类型是型。农业机械学报弧猒■丁一韞。目卢“卢表鑫蛔说愕牟问表饪占涞个特征向量向量种结果—琾,一￡籐一一秽口一口。
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江躭!猯平面开链机构及轨迹占4纭!2?鳌猒J隆!觥篲圃曰股杓表谐隽藀的纸峁渲杏ε懦齪.。如表械组解奶厥馇榭觯蛭U饣崾得贾章闶杆组,可依次近似经过给定的鑫蛔恕?悸堑剿稻钵苗移栽机构工作范围限制,选择第二杆组将动铰链点淖戈,转换成固定坐标系下的坐标,,通过选取合适的二杆组,得到拥有龉潭ń铝吹愕囊蛔樗母嘶埂1中,输入杆的长度是,输出杆的长度是瑈,#琹,。直鹗枪潭ń铝吹愫投铝吹愕淖辍图械乃母嘶箍梢越频赝ü个给定的位姿点,其中实线部分的开链机构即为与轮系式移个点,为确定的数值点辉俨慰蓟爻潭喂旒图为可变数值点蝗缓螅谏瓒ǖ鍪档悖用畏蔷菳样条曲线拟合获得完整的角位移轮传动,由行星架动力输入,通过齿轮传动,实现两星架记为杆圃员奂俏8薌:,移栽臂端点记为!;棺艽ǘ。从而,可获得鯮投构造机构。栽机构对应的行星架和移栽臂。在获得的四杆机构轨迹中截取由龈ㄎ蛔控制的曲线作为已知段轨迹,如图荆⒔岷涎定的开链机构确定机构的相对角位移。为了得到整个运动周期的角位移曲线,先在求解的已知角位移中间隔选取若干数值点疚闹醒∪对应的角位移选定若干数值点疚难∪个点,曲线4耸保倮每A箍筛囱莩鲆条新的完整的封闭轨迹。传动比分配根据运动综合得到的开链机构,在其第一杆上添加一定的传动齿轮后,可获得移栽机构传动所需的单自由行星轮系机构。机构以与机架固定的太阳轮为中心,对称布置两套两级非圆齿移栽臂的复合运动,即移栽运动【H缤荆将行星架输入点记为P行羌苁涑龅慵俏。行显然,轮系机构的总传动比以及各级齿轮传动比可依据上一节拟合的角位移曲线竦谩对于两级非圆齿轮轮系机构,总传动比为式巾/鼍、漤逍援****睾稃≤第期孙良等:基于近似多位姿的轮系式钵苗移栽机构运动综合图平面二杆开链类型啵表母嘶共问四杆机构及其轨迹原轨迹以及截取的部分轨迹段痑痩緊图俏灰魄型猙主动轮角位移,—.................—.................—..................—.................—#甃—.............】￡。
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蟆#弧獻脎谝籸玎∑训。——太阳轮角速度Ⅲ.——一杆淙敫角速度础,——二杆涑龈角速度为⋯矗压式中ⅰ!5级非圆齿轮的传动比!5级非圆齿轮的传动比南——峰谷值调整系数其中,独立变量荩直鸨硎究杀湫椭档~暮嶙辏珹⋯!1硎竟潭ㄐ椭档中实心点暮嶙辍是优化非圆齿轮节曲线的圆度性,以提升齿轮设计可行性与运动学性能。具体函数建立方式如下:若太阳轮节曲线中一个拟合点的向径小于相邻两个拟А!L袈纸谇呱系个拟合点的向径尽ⅰⅰ海。㈡叭——第瞿夂系懔讲嗄夂系,!R惶踅谇呱夏夂系愕淖苁!#Ⅲ。。——中问轮系冢瞿夂系#!P行锹上第瞿夂系愕南蚓!"蟆、——行星轮系趈个拟合点式中,——权重系数确保两对齿轮的传动比相近,分配的传动比计算式图W艽ǘ取⒌级和第洞ǘ惹撸曲线峰值位置和整体波动趋势相近,有利于获得圆度较好的非圆齿轮节曲线。图8莩跏挤峙涞传动比求解的两对非圆齿轮节曲线。显然,从节曲线形状上看,非圆齿轮整体光滑性有待进一步改善非圆齿轮的凹凸性优化针对图镜慕俏灰魄撸赏ü谋涞、之间的隹杀涞慕俏灰撇问吹鹘诔萋纸曲线以及非关键轨迹段的形状。将非圆齿轮节曲线的凹凸性优化转变为目标函数,变量为图个建立一种通用的目标函数或评价函数,其目标合点的向径时,函数】,,表示为!#唬骸一!式中的向径第二级非圆齿轮节曲线函数问轿一籸『两侧拟合点的向径由于存在两个需要优化的目标,一般来说,分目标函数越多,对设计方案的评价就越全面,但计算也越复杂、耗时。对于多目标优化问题,通常的处理方法是将几项指标综合进行评价,即构造一个多目标函数厂,,海瑇,瑈.:匕目标函数八瑇:,⋯,由函数:蛓:组成。表@靡糯惴ㄓ呕玫降囊蛔樽钣胖担其上限值是图薪俏灰魄呱系氖敌牡暮坐标,其下限值为图薪俏灰魄呱系氖敌牡的横坐标。利用遗传算法的局部优化综合方法针对角位移曲线上的部分可变的型值点进行优化,其优化前后角位移曲线的对比如图所示。优化后的角农业机械学报七齿行星轮系水稻钵苗移栽机构简化模型以利于齿廓设计。传动比分配结果曲穒【控制点的横坐标,“!:。,,一!!一,魇油沂油猼主动轮角位移/躕躕躕躕躕蹵猚】’琺痸
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咖位移曲线在部分曲线段上相比于初始角位移曲线更为数为.。在优化中,随机产生的初始个应度如图所示,最优值为,平均值为图可知,通过遗传算法参数优化明显改善了非圆圃曰狗抡嬗胧匝数据合理性,利用软件仿真和高速摄影机样机仿真分析的轨迹基本一致。表个没定位角敫曛岱较虻募薪最大误差控制在7段冢符合近似运动综合设计要求。平缓。通过多次优化测试得到多目标函数中的权重系体为个,并包含有代遗传代数,每代的最优适,适应度函数呈收敛状态。对比图齿轮节曲线的凹凸性。图为对非圆齿轮进行参数优化前后的移栽轨迹,平面开链机构的轨迹发生了比较明显的变化,但由于变化的位置仅限于可变轨迹段,其关键轨迹段仍然近似经过龈ǖ奈蛔说悖愿霉迹依旧能够满足第谔岢龅纳杓埔G蟆为了进一步验证水稻钵苗移栽机构运动综合的系列纳悖砸圃员弁ü母鞲龉丶蛔说慵肮迹进行分析。由图、可知,实际物理样机的轨迹与虚拟姿点相对应的最接近轨迹点的位姿数据。三者姿态第期孙良等:基于近似多位姿的轮系式钵阿移栽机构运动综合表俏灰频淖钣胖优化前后的角位移曲线不同代数时的最优适应度图优化后的非圆齿轮节曲线呕昂蟮墓旒6员图仿真轨迹变量最优值上限值下限值主动轮角位移图∽图物理样机轨迹鹟、【代致“¨甀猚尽痟三⋯、一’啊
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在移栽机构试验台取苗试验中,秧苗采用格×格钵盘育苗,平均每穴株秧苗,苗龄为秧苗平均高度为。移栽机构在试验台架上痬的速度运行,每分钟能取苗危∶成功率为.%,如图所示。而后,开展田间移栽试验,如图所示。栽植的秧苗在水田中的翻倒现象有所改善,相比于现有的轮系式水稻钵苗移结论岢鲆恢只诮贫辔蛔说姆窃渤萋中行移栽机构的设计,并且实现了满足多个给定位姿点的“帧毙透丛庸旒#惶岢隽嘶谝糯惴ǖ姆窃齿轮节曲线非圆度优化方法,在不改变关键轨迹段的情况下优化得到了合理的非圆齿轮节曲线。ü抡嬗胧匝椋橹ち俗酆戏椒ǖ恼性以及移栽机构设计的可行性,室内取苗试验成功率达到了预期要求。完成了田间移栽试验,栽植的秧苗在水田中的翻倒现象有所改善。栽机构,其移栽后秧苗的立苗角度有所提升。轮系综合方法,完成了一种龇窃渤萋炙静农业机械学报表颂嵌员以罔≤硎匝参考献张洪程,┮悼蒲В:一..,赵匀,陈宝成,/┮祷笛Пǎ:—./甌俞高红,张玮炜,孙良,┮倒こ萄Пǎ甌俞高红,黄小艳,叶秉良,┮倒こ萄Пǎ:—.孙良,赵匀,俞高红,┮倒こ萄Пǎ甌叶秉良,吴国环,俞高红,/┮祷笛Пǎ:—.猻痮.:—.:∥睯川试文,,,.:—.:∥甹—.痡///—.猲&猧瓺:./甶.—,,一,,珿——.癱:琙,.—琖琘琧,琫琫“琙琘狧
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唬琷籸【:—.:∥甹畂影甌赵雄,陈建能,王英,“,,.,金也,常数数,/┮祷笛Пǎ:.甌第期孙良等:基于近似多位姿的轮系式钵苗移栽机构运动综合畂/痗痳痸猘產—猧瓺:./甶左彦军,曹鹏,赵匀,,,:,,,:.:..篤,—,,:—..:一..:“.,,:.,刘兵,陈旋,,,:—.,,:—./甌:.:∥///—產—:—.痡..吴国环,俞高红,项筱洁,┮倒こ萄Пǎ琫孙良,邢子勤,徐亚丹,/┮祷笛Пǎ:—./甌痗痳痸猘產猲—.簂痡..瓹鄋.:,俞高红,叶秉良,/┮祷笛Пǎ:.:∥甹·.痡///—.猲猨甆夏成林,邬弘毅,郑兴国,┱,,甁:—.赵雄,王川,杨茂祥,┮倒こ萄Пǎ孙良,徐亚丹,黄恒敏,/┮祷笛Пǎ—.:∥甹·.痡///—.&—.....,,,琑甋琙瑉甈琂·......簂痡..·...琖痠.......。¨屹博侈一.,,.,,,,—.綼..·,,“琘琗·“:.琒珼琫—.【甌,.,,琘·甤琀““:琑琕