闭链五杆花卉移栽机构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了闭链五杆花卉移栽机构及其设计方法。行星轮系移栽机构能实现轨迹的灵活性受限；双环扣轨迹的杆机构设计和调节参数困难。本发明专利技术机构的第一曲柄和第二曲柄底端焊接；第一曲柄的顶端与第二连杆的一端铰接，第二曲柄的顶端与第三连杆的中部铰接；叉形摆杆包括底端铰接的第一摆杆和第二摆杆；叉形摆杆的底端铰接于机架；第二连杆的另一端与第一摆杆的顶端铰接；第一连杆的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆的一端铰接；第三连杆的另一端自由设置。本发明专利技术设计方法：由第三连杆的自由端端点形成单环扣轨迹的数学模型、叉形摆杆与机架铰接点坐标及已知杆长条件反求其余各杆杆长。本发明专利技术实现单环扣状轨迹，机构简单，易于控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业机械领域，涉及花卉移栽机构，具体涉及一种闭链五杆花卉移栽机构及其设计方法。
技术介绍
花卉移栽技术可以减少作物的生长周期，保持作物的品质统一，达到增产增收的目的，已成为现代温室盆栽花卉生产中主要的种植措施。发展自动化盆栽花卉移栽技术是顺应盆栽花卉生产高增长率的趋势，解决现有的低生产率和推进我过农业现代化的重要举措。随着我国花卉生产和设施农业技术发展，目前已具备了大力发展自动化盆栽花卉移栽技术的基础和条件。现有的单自由度间歇齿轮行星轮系和连续非圆齿轮行星轮系移栽机构受齿轮传动比的限制所能实现轨迹的灵活性受限，欲利用一套机构实现穴盘取苗和往花盘中植苗工作机构设计的难度大；混合驱动机构虽然由于存在两个自由度，轨迹设计的灵活性大，但机器的控制系统不易设计。杆机构的轨迹设计较灵活，若通过机构参数的优化，利用一套多杆机构实现从穴盘取苗和植入花盘功能则能大大简化机械结构。为了设计可以完成植苗、取苗动作的机构，从而需要在花卉移栽轨迹上进行改进，双环扣轨迹的杆机构设计和调节参数较困难，往往需要双自由度或复杂的传递机构，然而可以通过改变取苗轨迹的方向(取苗机构由顺时针运动改为逆时针运动)和形状设计新的机构，也能很好地完成花卉植苗、取苗动作。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种闭链五杆花卉移栽机构及其设计方法，该闭链五杆花卉移栽机构采用闭链五杆的方式，通过改变机构参数来控制摇杆的运动规律，并且摆杆满足在花卉移栽周期内单次摆动，实现单环扣轨迹，从而实现取苗和植苗动作，使得机构轨迹更利于机构实现，且柔度高，并且可以实现瓜果、蔬菜、花卉等其他作物的全自动移栽。该设计方法首先构建闭链五杆花卉移栽机构，建立第三连杆的自由端端点形成单环扣轨迹的数学模型；通过所建立的单环扣轨迹数学模型反求出叉形摆杆的角位移，再通过叉形摆杆的角位移联立推导出第二连杆的杆长；然后校验闭链五杆花卉移栽机构是否满足杆长条件。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：本专利技术的闭链五杆花卉移栽机构，包括叉形摆杆、第一连杆、第二连杆、叉形曲柄和第三连杆；所述的叉形曲柄包括底端焊接在一起的第一曲柄和第二曲柄；叉形曲柄的底端铰接于机架，并由电机驱动；所述第一曲柄的顶端与第二连杆的一端铰接，第二曲柄的顶端与第三连杆的中部铰接；所述的叉形摆杆包括底端铰接在一起的第一摆杆和第二摆杆；叉形摆杆的底端铰接于机架；所述第二连杆的另一端与第一摆杆的顶端铰接；所述第一连杆的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆的一端铰接；所述第三连杆的另一端自由设置并形成单环扣轨迹。所述的单环扣轨迹为封闭且带有单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；所述取苗段的起始点和结束点均为单环扣的开始点，其结束段为平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为1mm/10mm的直线段；所述植苗段的起始点为植苗开始点，其起始段为竖直设置且直线度为1mm/10mm的直线段；所述的入钵段为取苗段的过渡段。本专利技术的闭链五杆花卉移栽机构设计方法，具体如下：步骤一、构建闭链五杆花卉移栽机构。叉形曲柄的底端铰接于机架，并由电机驱动；叉形曲柄包括底端焊接在一起的第一曲柄和第二曲柄；第一曲柄的顶端与第二连杆的一端铰接，第二曲柄的顶端与第三连杆的中部铰接；叉形摆杆的底端铰接于机架；叉形摆杆包括底端铰接在一起的第一摆杆和第二摆杆；第二连杆的另一端与第一摆杆的顶端铰接；第一连杆的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆的一端铰接；第三连杆的另一端自由设置。步骤二、基于三次非均匀B样条曲线建立第三连杆的自由端端点所形成的单环扣轨迹数学模型。选取n个数据点作为三次非均匀B样条曲线的型值点，可唯一求解到n+2个控制顶点，其中，n≥11；再选取步长为0.005～0.02中的一个值插值生成拟合点坐标，进而拟合出单环扣轨迹；建立第三连杆的自由端端点在坐标系XOY中所形成的位移方程φf(t)，其中，叉形曲柄与机架铰接点为坐标系原点O；φf(t)在X和Y轴方向的位移分别为φfx(t)和φfy(t)，t为沿取苗轨迹运动方向依次编号的拟合点序号，t＝1时，第三连杆的自由端端点处于初始位置。步骤三、通过所建立的单环扣轨迹数学模型反求出第二摆杆的角位移j1，具体为：由步骤二中拟合出的φfx(t)、φfy(t)，并设定L3、xa、ya的值，通过下式求得L1、L2、L4、L5、j1、j2、j3、j4。构造函数如下：L4+L5=max(φ2fx(t)+φ2fy(t))L5-L4=min(φ2fx(t)+φ2fy(t))L4·cosj3+L5·cosj4=φfx(t)L4·sinj3+L5·sinj4=φfy(t)L1+L2=max((L4·cosj3+L3·cosj4-xa)2+(L4·sinj3+L3·sinj4-ya)2)L2-L1=min((L4·cosj3+L3·cosj4-xa)2+(L4·sinj3+L3·sinj4-ya)2)xa+L1·cosj1+L2·cosj2=L4·cosj3+L3·cosj4ya+L1·sinj1+L2·sinj2=L4·sinj3+L3·sinj4---(1)]]>式(1)中，L1为第二摆杆的杆长，L2为第一连杆的杆长，L3为第一连杆与第三连杆的铰接点至第三连杆与第二曲柄铰接点的距离，L4为第二曲柄的杆长，L5为第三连杆与第二曲柄的铰接点至第三连杆自由端端点的距离，xa、ya分别为叉形摆杆与机架铰接点的横坐标和纵坐标，j1为第二摆杆的角位移，j2为第一连杆的角位移，j3为第二曲柄的角位移，j4为第三连杆的角位移。步骤四、通过第二摆杆的角位移j1联立推导出第二连杆的杆长L8，具体为：设定L7、L9的值，通过下式求得L8和j5。xa+L7·cosj1+L8·cosj5+L9·cosj4=0ya+L7·sinj1+L8·sinj5+L9本文档来自技高网...

【技术保护点】
闭链五杆花卉移栽机构，其特征在于：包括叉形摆杆、第一连杆、第二连杆、叉形曲柄和第三连杆；所述的叉形曲柄包括底端焊接在一起的第一曲柄和第二曲柄；叉形曲柄的底端铰接于机架，并由电机驱动；所述第一曲柄的顶端与第二连杆的一端铰接，第二曲柄的顶端与第三连杆的中部铰接；所述的叉形摆杆包括底端铰接在一起的第一摆杆和第二摆杆；叉形摆杆的底端铰接于机架；所述第二连杆的另一端与第一摆杆的顶端铰接；所述第一连杆的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆的一端铰接；所述第三连杆的另一端自由设置并形成单环扣轨迹；所述的单环扣轨迹为封闭且带有单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；所述取苗段的起始点和结束点均为单环扣的开始点，其结束段为平行于穴盘盘口下侧壁且直线度为1mm/10mm的直线段；所述植苗段的起始点为植苗开始点，其起始段为竖直设置且直线度为1mm/10mm的直线段；所述的入钵段为取苗段的过渡段。

【技术特征摘要】
1.闭链五杆花卉移栽机构，其特征在于：包括叉形摆杆、第一连杆、第
二连杆、叉形曲柄和第三连杆；所述的叉形曲柄包括底端焊接在一起的第一
曲柄和第二曲柄；叉形曲柄的底端铰接于机架，并由电机驱动；所述第一曲
柄的顶端与第二连杆的一端铰接，第二曲柄的顶端与第三连杆的中部铰接；
所述的叉形摆杆包括底端铰接在一起的第一摆杆和第二摆杆；叉形摆杆的底
端铰接于机架；所述第二连杆的另一端与第一摆杆的顶端铰接；所述第一连
杆的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆的一端铰接；所述第三
连杆的另一端自由设置并形成单环扣轨迹；
所述的单环扣轨迹为封闭且带有单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；所述取苗段的起始
点和结束点均为单环扣的开始点，其结束段为平行于穴盘盘口下侧壁且直线
度为1mm/10mm的直线段；所述植苗段的起始点为植苗开始点，其起始段为竖
直设置且直线度为1mm/10mm的直线段；所述的入钵段为取苗段的过渡段。
2.闭链五杆花卉移栽机构的设计方法，其特征在于：该方法的具体步骤
如下：
步骤一、构建闭链五杆花卉移栽机构；
叉形曲柄的底端铰接于机架，并由电机驱动；叉形曲柄包括底端焊接在
一起的第一曲柄和第二曲柄；第一曲柄的顶端与第二连杆的一端铰接，第二
曲柄的顶端与第三连杆的中部铰接；叉形摆杆的底端铰接于机架；叉形摆杆
包括底端铰接在一起的第一摆杆和第二摆杆；第二连杆的另一端与第一摆杆
的顶端铰接；第一连杆的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆的
一端铰接；第三连杆的另一端自由设置；
步骤二、基于三次非均匀B样条曲线建立第三连杆的自由端端点所形成
的单环扣轨迹数学模型；
选取n个数据点作为三次非均匀B样条曲线的型值点，可唯一求解到n+2
个控制顶点，其中，n≥11；再选取步长为0.005～0.02中的一个值插值生成
拟合点坐标，进而拟合出单环扣轨迹；建立第三连杆的自由端端点在坐标系
XOY中所形成的位移方程φf(t)，其中，叉形曲柄与机架铰接点为坐标系原点
O；φf(t)在X和Y轴方向的位移分别为φfx(t)和φfy(t)，t为沿取苗轨迹运
动方向依次编号的拟合点序号，t＝1时，第三连杆的自由端端点处于初始位置；
步骤三、通过所建立的单环扣轨迹数学模型反求出第二摆杆的角位移j1，
具体为：由步骤二中拟合出的φfx(t)、φfy(t)，并设定L3、xa、ya的值，通过
下式求得L1、L2、L4、L5、j1、j2、j3、j4；...

【专利技术属性】
技术研发人员：代丽，赵雄，陈建能，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33