魏志強(qiáng)，宋磊，陽(yáng)尚宏，劉軍，2，謝守勇，2

1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715； 2.丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

蔬菜作為僅次于糧食的第二大作物，其種植勞動(dòng)強(qiáng)度大、人力成本高、生產(chǎn)效率低成為制約蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[1-3]．采用育苗移栽方式種植的蔬菜具有高產(chǎn)穩(wěn)定、對(duì)氣候補(bǔ)償和提高土地利用率等優(yōu)勢(shì)，占到了蔬菜種植總量的60%以上[4-5]．因此研究蔬菜移栽機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)是蔬菜產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[6-8]．目前國(guó)內(nèi)的蔬菜移栽機(jī)大多都是半自動(dòng)移栽機(jī)，取投苗作業(yè)均需人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度仍然很大，漏苗、傷苗率較高，效率較低[9]．因此，蔬菜移栽機(jī)全自動(dòng)化的關(guān)鍵問(wèn)題是能否替代人工完成缽苗的取投這一重復(fù)性勞動(dòng)，研究取投苗裝置對(duì)移栽機(jī)全自動(dòng)化具有重要意義．國(guó)外學(xué)者根據(jù)穴盤苗特點(diǎn)以及栽植模式設(shè)計(jì)了不同類型的取投苗機(jī)構(gòu)，如推苗桿式取苗裝置[10]、四自由度高速移動(dòng)移栽機(jī)器人[11]、氣動(dòng)抓取式取苗裝置[12]、五桿滑槽式取苗裝置[13]等．浙江理工大學(xué)提出了多種非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu)[14-17]，可以較好滿足蔬菜缽苗的取苗要求，取苗成功率較高．童俊華等[18]基于兩臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種三臂回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)，對(duì)比兩臂回轉(zhuǎn)取苗機(jī)構(gòu)，在相同回轉(zhuǎn)速度下，取苗效率得到了提高； 黨玉功等[19]設(shè)計(jì)了一種開式鉸鏈四連桿自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)，該裝置采用全機(jī)械裝置控制，易于適應(yīng)復(fù)雜的田間環(huán)境，且取投苗成功率較高，對(duì)缽體的破損率較低； 袁挺等[20]提出了一種氣吹振動(dòng)復(fù)合式取苗機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，取苗成功率較高； 本課題組也提出了一種斜插夾缽式取投苗機(jī)構(gòu)[21]．

現(xiàn)有的取投苗裝置，取投苗速率及成功率均有較大的提高，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為此本文提出了一種夾莖式自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)．通過(guò)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，編寫了取投苗機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化軟件，并利用該軟件得到了較優(yōu)參數(shù)組合，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證較優(yōu)參數(shù)的合理性和可行性，以期為蔬菜移栽機(jī)全自動(dòng)化研究提供理論參考．

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為穴盤苗取投苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，該機(jī)構(gòu)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和滑槽機(jī)構(gòu)組合而成．曲柄AB作為原動(dòng)件，通過(guò)鉸接在滑塊上的連桿BC帶動(dòng)滑塊做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)．連桿EG與滑塊鉸接于點(diǎn)F，兩鉸接中心F、C連線與滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡共線．滾輪與連桿EG鉸接于E點(diǎn)，在滑槽MPN中運(yùn)動(dòng)，其中滑槽是由曲率半徑為r的NP段和與之相切的直線滑槽PM段構(gòu)成．桿EG和GH為同一根桿件，且成90°角，共同組成取苗臂．當(dāng)曲柄AB逆時(shí)針作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊帶動(dòng)與之鉸接的連桿EG作平動(dòng)，使取苗臂從投苗點(diǎn)到達(dá)取苗點(diǎn)，同時(shí)連桿EG一端在滑槽MPN限制下繞F點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取苗臂以合適的角度對(duì)準(zhǔn)待取幼苗，為達(dá)到垂直取苗的要求，安裝傾角由苗盤傾角確定．滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心E點(diǎn)到達(dá)P點(diǎn)時(shí)，取苗臂取苗角調(diào)整完畢，不再發(fā)生改變，并沿當(dāng)前角度直線行進(jìn)取苗．當(dāng)曲柄AB從初始位轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，取苗臂按預(yù)定軌跡cba到達(dá)給定取苗位，安裝在取苗臂上的電機(jī)帶動(dòng)苗夾閉合夾緊幼苗莖稈； 曲柄AB再轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，此時(shí)滾輪中心E在滑槽PM段運(yùn)動(dòng)，苗夾尖端H點(diǎn)由a點(diǎn)向b點(diǎn)移動(dòng)，取苗臂將幼苗垂直于苗盤取出并移出一段距離，防止與苗盤干涉； 曲柄AB繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直至轉(zhuǎn)360°，苗夾尖端H點(diǎn)由b點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)，取苗臂不斷調(diào)整自身角度并將幼苗運(yùn)送至投苗位，取苗臂苗夾張開，幼苗在重力作用下到達(dá)下一步送苗機(jī)構(gòu)，完成取投苗動(dòng)作．

取投苗機(jī)構(gòu)按照取投苗方式的不同主要分為夾缽式和夾莖式[22-25]．本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)主要針對(duì)莖稈粗壯且不易夾傷的蔬菜幼苗進(jìn)行取投苗作業(yè)，采用夾莖式取苗方式進(jìn)行取苗，取苗臂上苗夾的張開與閉合主要是通過(guò)絲桿雙螺母副機(jī)構(gòu)完成，絲桿上兩螺母旋向相反，通過(guò)取苗臂上電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示．苗夾與左右螺母采用螺栓固定，可根據(jù)不同苗盤規(guī)格采用不同苗夾，圖2所示苗夾為針對(duì)128孔苗盤設(shè)計(jì)，一次間隔夾取4株幼苗，可分4次取完整排幼苗．

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.苗夾左頁(yè)； 2.苗夾右頁(yè)； 3.；緊固螺釘； 4.螺母①； 5.取苗臂； 6.螺母②； 7.絲桿．圖2 苗夾示意圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

為便于分析，將該機(jī)構(gòu)分為持苗段和取苗段兩個(gè)階段并對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化，如圖3所示．以滑塊運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸，垂直于該運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥軸建立參考坐標(biāo)系xAy，同時(shí)以水平方向?yàn)閤0軸，豎直方向?yàn)閥0軸建立觀測(cè)坐標(biāo)系x0Ay0．由于直接在觀測(cè)坐標(biāo)系下計(jì)算更為復(fù)雜，故先以參考坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，最后進(jìn)行轉(zhuǎn)換．滑槽由兩段構(gòu)成，故該取苗機(jī)構(gòu)可分為兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，從圖1可以看出，當(dāng)滑塊帶動(dòng)滾輪在滑槽NP段運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾輪在滑槽NP段限制下繞曲率中心D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)取苗臂平動(dòng)，對(duì)應(yīng)軌跡為cb段，為軌跡持苗段，可簡(jiǎn)化為圖3(a)所示； 當(dāng)滾輪到達(dá)滑槽P點(diǎn)時(shí)，連桿EG受滑槽段PM約束和滑塊一起做直線運(yùn)動(dòng)，取苗臂開始取苗，對(duì)應(yīng)軌跡為ba段，為軌跡取苗段，可簡(jiǎn)化為圖3(b)所示．其中θ1，θ2，θ3，θ4分別為曲柄AB、連桿BC、桿DE、滑桿EF與x軸方向夾角，γ為滑槽安裝傾角．分析時(shí)各桿件不考慮其變形以及機(jī)構(gòu)間縫隙，同時(shí)對(duì)兩個(gè)階段的機(jī)構(gòu)作出封閉矢量多邊形，設(shè)原動(dòng)件曲柄AB轉(zhuǎn)速ω1為常量．

2.1 苗夾尖點(diǎn)位移分析

(1)

其中l(wèi)1，l2為曲柄AB、連桿BC的長(zhǎng)度，θ1，θ2為曲柄AB、連桿BC與x軸方向的夾角，xB，yB為B點(diǎn)橫縱坐標(biāo)，xC，yC為C點(diǎn)橫縱坐標(biāo)．

由于yC=0，結(jié)合式(1)可知：xC，θ2均可表示為關(guān)于曲柄AB轉(zhuǎn)角θ1的表達(dá)式．

F點(diǎn)與C點(diǎn)均位于滑塊上，兩者間距固定，可得到F點(diǎn)位移方程：

(2)

其中sCF為轉(zhuǎn)動(dòng)中心F和C沿x方向的距離，xF，yF為F點(diǎn)橫縱坐標(biāo)．

(3)

其中Γ=yC-yD，Ι=xC-sCF-xD，l3，l4為桿DE、滑桿EF的長(zhǎng)度，θ4為滑桿EF與x軸方向夾角，xD，yD為D點(diǎn)橫縱坐標(biāo)．

(4)

為方便后續(xù)計(jì)算，將其表示為矩陣形式

(5)

同理，根據(jù)圖3(b)可得到軌跡取苗段ba的位移方程的矩陣形式為

[xHyH]T=[xF0]T+[-ab]T

(6)

由式(3)，桿EGH上EF段轉(zhuǎn)角θ4可表示為曲柄AB轉(zhuǎn)角θ1的表達(dá)式，而曲柄為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，即：

θ1=θ1(t)=ω1t

(7)

其中ω1為原動(dòng)件曲柄AB轉(zhuǎn)速．

將各式依次代入即可得到苗夾尖點(diǎn)H的運(yùn)動(dòng)軌跡cba的位移方程：

[xHyH]T=[f1(θ1(t))f2(θ1(t))]T

(8)

在實(shí)際觀測(cè)坐標(biāo)系x0Ay0下，苗夾尖點(diǎn)的位移方程為

[x0Hy0H1]=[xHyH1]TR

(9)

2.2 苗夾尖點(diǎn)速度與加速度分析

對(duì)苗夾尖點(diǎn)位移方程求時(shí)間t的一階導(dǎo)數(shù)，可得到其速度方程：

(10)

(11)

而曲柄AB為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，即：d(θ1(t))/dt=ω1，代入即可得到以曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為自變量的速度方程．同理，在觀測(cè)坐標(biāo)系下的速度方程矩陣為

(12)

根據(jù)苗夾尖點(diǎn)速度方程式，對(duì)其求時(shí)間t的一階導(dǎo)數(shù)可得到苗夾尖點(diǎn)軌跡的加速度方程，將其用矩陣形式表示為

(13)

(14)

而d2θ1(t)/dt2=0，代入即可得到以曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為自變量的加速度方程．

同理，在觀測(cè)坐標(biāo)系下的加速度方程為

(15)

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)及軌跡優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量

圖4 取投苗示意圖

根據(jù)旱地移栽機(jī)移栽農(nóng)藝要求以及穴盤尺寸，要得到符合要求的取投苗運(yùn)動(dòng)軌跡，需對(duì)該取投苗機(jī)構(gòu)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，最終獲得一組能滿足取投苗要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且該取投苗機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性．取投苗示意圖如圖4所示．

對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)主要為實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1) 由于穴盤采用傾斜放置，為實(shí)現(xiàn)順利取苗，取投苗軌跡高度H一般應(yīng)大于180 mm，即：H=y0H(max)-y0H(min)>180 mm；

3) 苗夾取出幼苗過(guò)程中應(yīng)不與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，保證持苗段軌跡與移盤機(jī)構(gòu)距離h應(yīng)大于50 mm(穴盤下方應(yīng)預(yù)留安裝擋板空間)，即：h=(xH(π)-xH(θ1))min+38>50 mm；

4) 取苗段軌跡應(yīng)接近于直線，且垂直于穴盤取苗，故存在關(guān)系：δ=π/2-γ．穴盤傾斜角度存在一定限制，過(guò)大時(shí)幼苗容易在重力狀態(tài)下脫落，過(guò)小時(shí)不利于苗夾順利從穴盤中取出幼苗．經(jīng)過(guò)課題組前期研究，結(jié)合參考文獻(xiàn)，可知穴盤傾斜角度應(yīng)在35°～65°之間；

5) 取投苗軌跡的長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)的取投苗軌跡會(huì)造成移盤機(jī)構(gòu)與取投苗機(jī)構(gòu)間存在較大的距離，整個(gè)裝置不夠緊湊，同時(shí)取投苗的時(shí)間更長(zhǎng)．取投苗軌跡寬度：W=x0H(π)-x0H(0)；

6) 為保證投苗效果，軌跡在投苗點(diǎn)時(shí)，幼苗莖稈與豎直方向夾角越小越好，夾角：α=arctan((y0E(2π)-y0F(2π))/(x0E(2π)-x0F(2π)))-π/2(反正切函數(shù)在0～2π計(jì)算)； 同時(shí)考慮到投苗時(shí)掛苗情況，投苗時(shí)苗夾姿態(tài)應(yīng)有一定的傾斜角度，且與水平軸成銳角．

影響取投苗軌跡的參數(shù)較多，其中取苗臂苗夾處的長(zhǎng)度不影響軌跡的形狀，只影響軌跡的位置，故不對(duì)其進(jìn)行分析．本文選取的優(yōu)化變量有：曲柄AB的長(zhǎng)度l1、連桿BC的長(zhǎng)度l2、取苗臂上EF段長(zhǎng)度l4、滑槽曲線段曲率半徑r以及曲率中心橫坐標(biāo)xD、取苗機(jī)構(gòu)安裝傾角γ．

3.2 軟件優(yōu)化過(guò)程

該取投苗機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題同樣是一個(gè)多目標(biāo)、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題[26]，考慮到傳統(tǒng)優(yōu)化方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化，故采用人機(jī)交互的優(yōu)化方法[27]．根據(jù)建立的穴盤苗取投苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用MATLAB GUI模塊編寫取投苗機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化軟件，其人機(jī)交互界面如圖5所示．在面板左側(cè)參數(shù)輸入欄輸入不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合可得到不同取投苗軌跡及對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，結(jié)合右側(cè)參數(shù)輸出對(duì)該軌跡進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)是否符合設(shè)計(jì)要求．根據(jù)專家意見(jiàn)和設(shè)計(jì)要求對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)賦予初值，隨后在保持其他設(shè)計(jì)變量不變的情況下，不斷調(diào)整單個(gè)設(shè)計(jì)變量的相應(yīng)參數(shù)，得到單設(shè)計(jì)變量對(duì)取投苗軌跡和運(yùn)動(dòng)特性的影響．對(duì)比各變量對(duì)目標(biāo)的影響程度，明確重要參數(shù)以及次要參數(shù)，優(yōu)先確立重要參數(shù)，然后不斷調(diào)整次要參數(shù)，調(diào)整方向根據(jù)參數(shù)影響方向確定．設(shè)計(jì)人員按照設(shè)計(jì)要求遵循變量影響規(guī)律不斷調(diào)整參數(shù)，通過(guò)對(duì)繪圖窗口實(shí)時(shí)反饋出的取投苗軌跡及對(duì)應(yīng)參數(shù)輸出評(píng)價(jià)，直至設(shè)計(jì)軌跡符合目標(biāo)要求，最終得到一組符合穴盤苗自動(dòng)取投苗作業(yè)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)．初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為：γ=45°，l1=100 mm，l2=270 mm，l4=50 mm，r=115 mm，xD=-327 mm．

圖5 人機(jī)交互界面

3.3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)取苗軌跡影響分析

苗夾尖點(diǎn)軌跡整體形狀大致已由機(jī)構(gòu)確定，各參數(shù)的變化主要是對(duì)軌跡的空間位置、姿態(tài)以及軌跡各段長(zhǎng)度產(chǎn)生影響．在輔助優(yōu)化軟件中分別改變各結(jié)構(gòu)參數(shù)，其他參數(shù)輸入設(shè)置為初始參數(shù)，可分別得到安裝傾角γ、曲柄AB長(zhǎng)度l1、連桿BC長(zhǎng)度l2、滑桿EF長(zhǎng)度l4、滑槽曲線段半徑r、曲率中心橫坐標(biāo)xD的變化對(duì)軌跡形狀和空間位姿的影響，依次如圖6(a)～(f)所示，通過(guò)分析可總結(jié)出單一變量對(duì)軌跡的影響規(guī)律，進(jìn)而可確定各參數(shù)的重要程度與優(yōu)化方向．

圖6 各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軌跡的影響

分析圖6可得出：安裝傾角γ不影響軌跡形狀，但影響軌跡空間位姿； 曲柄AB長(zhǎng)度l1、連桿BC長(zhǎng)度l2只影響軌跡形狀，且l2值對(duì)軌跡影響較為顯著； 滑桿EF長(zhǎng)度l4、滑槽曲線段半徑r、曲率中心橫坐標(biāo)xD對(duì)軌跡形狀和空間位姿均有影響，其中xD值對(duì)軌跡影響最為顯著，優(yōu)化時(shí)宜優(yōu)先確定其數(shù)值，r值和l4值影響并不顯著，r值僅對(duì)持苗段軌跡有影響，l4值可作為后續(xù)調(diào)整投苗點(diǎn)的因素．軌跡形狀和空間位姿對(duì)取投苗的影響如下：取苗點(diǎn)與投苗點(diǎn)縱向距離過(guò)小時(shí)，不利于苗盤輸送裝置的布置，同時(shí)苗盤輸送裝置的傾斜角度太小，不利于缽苗的取出； 反之，苗盤傾斜角度過(guò)大，田間作業(yè)時(shí)缽苗易從穴盤中脫落； 軌跡的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)取投苗機(jī)構(gòu)占用更大的空間； 投苗點(diǎn)附近的軌跡凹陷時(shí)，苗夾容易和送苗杯發(fā)生干涉不利于投苗動(dòng)作的進(jìn)行； 取苗段軌跡(直線段)過(guò)小時(shí)，不利于苗夾將幼苗從穴盤中完全取出．

根據(jù)上述內(nèi)容和圖6(a)～(f)的趨勢(shì)，分別分析出各結(jié)構(gòu)參數(shù)的值過(guò)大和過(guò)小時(shí)對(duì)軌跡形狀和空間位姿的影響，可得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方向如下：增加l2值時(shí)對(duì)應(yīng)軌跡更符合優(yōu)化目標(biāo)，r值增加時(shí)持苗段軌跡更符合要求，曲率中心位置向原點(diǎn)方向靠近為優(yōu)化方向，γ值、l1值不能確定其優(yōu)化方向，l4值僅作為后續(xù)調(diào)整投苗點(diǎn)的因素．

3.4 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性影響分析

對(duì)取投苗軌跡影響分析并不能確定所有參數(shù)的優(yōu)化方向，因此需要結(jié)合各參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響來(lái)確定優(yōu)化方向．同時(shí)為使該取投苗機(jī)構(gòu)在滿足取投苗過(guò)程中平穩(wěn)的同時(shí)效率提高，可以降低苗夾取苗過(guò)程的速度以及加速度(分析時(shí)不同參數(shù)的繪圖取投苗總時(shí)間一致，即取投苗頻率一致)，以保證提高取投苗頻率，同時(shí)苗夾尖點(diǎn)的速度與加速度不會(huì)過(guò)大，取投苗過(guò)程更為平穩(wěn)．

以曲柄AB轉(zhuǎn)過(guò)的角度為橫坐標(biāo)，作出了曲柄運(yùn)動(dòng)一周對(duì)應(yīng)的苗夾尖點(diǎn)的水平和豎直方向速度曲線．由于滑槽安裝傾角變化對(duì)苗夾合速度并無(wú)影響，故這里不作對(duì)應(yīng)分析，曲柄AB長(zhǎng)度l1、連桿BC長(zhǎng)度l2、滑桿EF長(zhǎng)度l4、滑槽曲線段半徑r、曲率中心橫坐標(biāo)xD的變化對(duì)苗夾尖點(diǎn)的水平和豎直速度的影響如圖7(a)～(e)所示．

圖7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下速度變化曲線

由此可分析出從運(yùn)動(dòng)特性角度得到的各參數(shù)優(yōu)化方向：l1值優(yōu)化方向?yàn)闇p小方向；l2值優(yōu)化方向?yàn)樵龃蠓较颍?曲率中心橫坐標(biāo)xD靠近曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心更符合優(yōu)化效果；l4值變化對(duì)軌跡運(yùn)動(dòng)特性影響不顯著，僅對(duì)軌跡處于持苗段運(yùn)動(dòng)特性有輕微影響；r值的變化對(duì)持苗段軌跡影響較小，但顯著性高于l4值的變化，r值增大時(shí)持苗段軌跡水平速度、水平加速度均小幅減?。?/p>

3.5 參數(shù)優(yōu)化方法

采用軌跡為先、運(yùn)動(dòng)特性改善為后的原則，將結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軌跡及其運(yùn)動(dòng)特性的影響進(jìn)行總結(jié)，得出了各結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化時(shí)的調(diào)整方向：曲柄AB的長(zhǎng)度沿減小的方向調(diào)整、連桿BC的長(zhǎng)度沿增大的方向調(diào)整、滑桿EF用于后續(xù)調(diào)整、滑槽曲線段曲率半徑沿增大方向調(diào)整、滑槽曲線段曲率中心沿接近曲柄中心方向調(diào)整．滑槽安裝傾角是決定整個(gè)裝置最重要的一個(gè)參數(shù)，決定著軌跡的姿態(tài)和移盤機(jī)構(gòu)的傾角，但不決定軌跡的形狀，故先結(jié)合課題組之前的研究在要求范圍內(nèi)確定了安裝傾角[16]，安裝傾角選定為40°．

3.6 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與分析

初始結(jié)構(gòu)參數(shù)是設(shè)計(jì)時(shí)在三維軟件中根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定的值，將機(jī)構(gòu)參數(shù)初始值輸入人機(jī)交互面板，可得到在參數(shù)初始值(lqm=41.89 mm，H=188.88 mm，W=554.94 mm，投苗點(diǎn)斜率為0.427，對(duì)應(yīng)夾角α=60.56°，h=56.24 mm)下，通過(guò)和優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，顯然該軌跡不能全部符合設(shè)計(jì)要求．根據(jù)參數(shù)優(yōu)化原則，使用取投苗機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化軟件，最后得到一組符合軌跡設(shè)計(jì)目標(biāo)并且運(yùn)動(dòng)特性較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)．符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的參數(shù)為：l1=94 mm，l2=278 mm，l4=45 mm，a=235 mm，b=198 mm，r=130 mm，γ=40°，xD=-326 mm，sCF=50 mm．在該組結(jié)構(gòu)參數(shù)下，lqm=50.96 mm，H=220.93 mm，W=409.67 mm，投苗點(diǎn)處軌跡斜率為-0.028，對(duì)應(yīng)夾角α=32°，幼苗以與地面近乎垂直的角度進(jìn)行投苗．

優(yōu)化前后的軌跡和運(yùn)動(dòng)特性的對(duì)比如圖8所示．參數(shù)優(yōu)化后，軌跡整體寬度減小，取投苗機(jī)構(gòu)與移盤機(jī)構(gòu)之間布置會(huì)更加緊湊，且取苗段軌跡長(zhǎng)度相比初始軌跡增加了約9 mm，保證幼苗能完全從穴盤中取出．軌跡在投苗點(diǎn)附近向下凹陷情況減輕，持苗段到穴盤的最小距離h增大．投苗點(diǎn)處幼苗莖稈與豎直方向傾角減小，保證更好的投苗效果．在持苗段的運(yùn)動(dòng)特性有了較好的改變，水平方向速度、加速度大幅度降低，豎直方向加速度明顯更小，有利于增加投苗的成功率．

圖8 優(yōu)化前后對(duì)比圖

4 虛擬仿真與試驗(yàn)

4.1 建模與仿真

根據(jù)以上分析優(yōu)化得到的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，在CREO 3.0中建立了各部件模型并進(jìn)行虛擬裝配，利用CREO 3.0自帶的分析功能進(jìn)行仿真，仿真設(shè)定曲柄速度為90°/min，曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng)一周，苗夾完成一次取投苗．選擇苗夾尖點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，可得到取投苗仿真軌跡圖如圖9(a)所示以及仿真速度曲線圖如圖9(b)所示．與前述理論分析得到的軌跡和速度曲線進(jìn)行對(duì)比，兩軌跡曲線一致，表明了理論設(shè)計(jì)的正確性．

圖9 仿真結(jié)果

4.2 軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)

取投苗機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡將直接影響取投苗的表現(xiàn)，因此必須驗(yàn)證實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和理論軌跡、仿真軌跡是否一致[28-29]．按照設(shè)計(jì)好的各結(jié)構(gòu)參數(shù)加工出取投苗機(jī)構(gòu)，搭載在自制的試驗(yàn)臺(tái)上并調(diào)整取投苗機(jī)構(gòu)處于初始位置，利用高速攝像機(jī)(型號(hào)為M310-12G)對(duì)取投苗機(jī)構(gòu)取投苗過(guò)程進(jìn)行記錄，并利用MATLAB軟件對(duì)連續(xù)圖片進(jìn)行處理，以苗夾尖點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)每幀圖像進(jìn)行標(biāo)記，最后得到取投苗機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡[30]，如圖10所示．可以看出，取投苗實(shí)際軌跡與理論軌跡、仿真軌跡基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的正確性以及該取投苗機(jī)構(gòu)的實(shí)際可行性．同時(shí)由于試驗(yàn)時(shí)裝置存在振動(dòng)以及在MATLAB中對(duì)每幀圖片進(jìn)行取點(diǎn)存在一定誤差，導(dǎo)致軌跡細(xì)微波動(dòng)，故實(shí)際軌跡與理論、仿真軌跡有一定誤差．

圖11 取投苗試驗(yàn)

4.3 臺(tái)架取投苗試驗(yàn)

為驗(yàn)證自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)的實(shí)際取投苗性能，選用苗齡為54 d的辣椒苗作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行取投苗試驗(yàn)，該辣椒苗為滄州津科力豐種苗有限責(zé)任公司生產(chǎn)銷售的牛角椒幼苗，辣椒苗的平均株高為17.4cm，莖粗平均值為3.5 mm，葉片數(shù)為4～5片，幼苗莖稈粗壯且不易夾傷，適合采用夾莖式方式進(jìn)行取投苗作業(yè)[31]，試驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示．本次取投苗所用苗盤為臺(tái)州隆基塑業(yè)有限公司生產(chǎn)的Q128型穴盤，上穴口尺寸為29 mm×29 mm，下穴口尺寸為13 mm×13 mm，穴深38 mm，育苗基質(zhì)為草炭、蛭石、珍珠巖，比例為3∶1∶1．以取苗成功率、投苗成功率和傷苗率作為試驗(yàn)指標(biāo)，分別以取投苗頻率60，70，80株/min進(jìn)行取投苗試驗(yàn)，并以旱地栽植機(jī)械試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為參考[32]，每種取苗速率下完成3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)連續(xù)取投苗128株(一盤)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示．

表1 取投苗試驗(yàn)結(jié)果

由取投苗試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)取投苗頻率為60株/min時(shí)，取苗成功率均值為92.44%，投苗成功率均值為98%，平均傷苗率為1.40%； 當(dāng)取投苗頻率為70株/min時(shí)，平均取苗成功率為90.10%，投苗成功率為95.7%，傷苗率為1.73%； 當(dāng)取投苗頻率為80株/min時(shí)，平均取苗成功率為89.84%，投苗成功率為94.2%，傷苗率為2.89%．3種取投苗頻率下的平均取苗成功率均大于89%，平均投苗成功率均大于90%，平均傷苗率小于3%，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的取投苗機(jī)構(gòu)能夠較好地完成取投苗作業(yè)．

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種夾莖式自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，建立了自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型．

2) 結(jié)合農(nóng)藝要求，按照實(shí)際取投苗軌跡需求，提出了優(yōu)化目標(biāo)，利用MATLAB GUI模塊編寫了取投苗機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化軟件，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)取投苗軌跡的影響，并得到一組滿足要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)．

3) 利用CREO3.0建立了取投苗機(jī)構(gòu)虛擬裝配模型并進(jìn)行了仿真分析，得到了仿真軌跡．加工裝配出試驗(yàn)樣機(jī)，采用高速攝像機(jī)(M310-12G)進(jìn)行取投苗高速攝影試驗(yàn)，得到了實(shí)際軌跡．對(duì)比理論軌跡、仿真軌跡與實(shí)際軌跡，軌跡形狀基本一致，表明了理論分析的正確性．

4) 搭建了自動(dòng)取投苗試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了取投苗試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置在3種取投苗頻率下其平均取苗成功率均大于89%，平均投苗成功率大于90%，平均傷苗率小于3%，表明本文所設(shè)計(jì)的蔬菜穴盤苗取投苗機(jī)構(gòu)能夠較好地完成取投苗作業(yè)，取苗效率可達(dá)80株/min．