摘要：針對(duì)丘陵山地桑葉采收機(jī)收集裝置自動(dòng)取袋過程實(shí)現(xiàn)困難的問題， 通過桑葉取袋裝袋過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 對(duì)取袋機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)． 首先通過分析整機(jī)結(jié)構(gòu)與取袋機(jī)構(gòu)工作原理， 建立了取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型； 以最大橫向取袋距離和取袋瞬間角度為目標(biāo)， 建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)模型， 并開發(fā)了輔助分析設(shè)計(jì)軟件， 確定了取袋機(jī)構(gòu)參數(shù)的取值范圍； 采用帶基因策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-II）對(duì)模型求解， 獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)． 其次根據(jù)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)建立了三維模型， 利用ANSYS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析， 結(jié)果表明取袋機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器位移圖像和速度曲線與設(shè)計(jì)要求一致， 可滿足取袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求． 最后研制出桑葉采收機(jī)與取袋機(jī)構(gòu)樣機(jī)， 對(duì)取袋機(jī)構(gòu)樣機(jī)開展高速攝像試驗(yàn)， 驗(yàn)證了取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡與理論仿真結(jié)果基本一致． 以曲柄轉(zhuǎn)速、 噸口袋種類、 磁吸石外圓尺寸為試驗(yàn)因素， 取袋開袋成功率為指標(biāo)開展桑葉取袋開袋正交試驗(yàn)， 并根據(jù)最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)． 試驗(yàn)結(jié)果表明： 曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s、 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm、 磁吸石外圓尺寸為20 mm時(shí)， 取袋開袋成功率為97.50%， 表明該機(jī)構(gòu)能完成取袋作業(yè)， 可實(shí)現(xiàn)桑葉采收機(jī)的取袋開袋功能．

關(guān) 鍵 詞：桑葉采收； 取袋機(jī)構(gòu)； 連桿設(shè)計(jì)； NSGA-II算法； 取袋試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：

TH122； S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16739868（2024）07013712

Optimized Design and Experiment for Bag Pickup Mechanism of

Mulberry Leaf Harvesting Machine in Hilly Mountainous Area

TANG Hualin ，3， LI Li ，3， LU Lei ，

LU Shibo ZHANG Yunfeng

1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China；

2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Equipment for Hilly and Mountainous Regions， Chongqing 400715， China；

3. Yibin Academy of Southwest University， Yibin Sichuan 644000， China

Abstract： Aiming at the problem of difficult to realize bag pickup process of collection device of mulberry leaf harvester in hilly and mountainous area， based on the kinematic analysis of mulberry leaf bag pickup and loading process， the bag pickup mechanism is optimally designed and tested． Initially， by analyzing the overall structure and working principles of the machine， a kinematic analysis model of the bag pickup mechanism was established． With the objectives of maximizing the lateral bag pickup distance and optimizing the angle at the bag pickup moment， an optimization design model was constructed． Additionally， an auxiliary analysis design software was developed to determine the parameter range of the bag pickup mechanism． The optimization process utilized a non-dominated sorting genetic algorithm （NSGA-II） with a gene strategy to obtain the optimal design parameters． Subsequently， a three-dimensional model was created based on the optimal design， and kinematic simulation analysis was conducted using ANSYS． The results demonstrated that the displacement image and velocity curve of the end effector of the bag pickup mechanism were in accordance with the design requirements， satisfying the design criteria for the bag pickup mechanism． Finally， a mulberry leaf harvester and a bag pickup mechanism prototype were developed． The bag pickup mechanism prototype was subjected to high-speed camera test， and the results verified that the bag pickup mechanism trajectory was basically the same as that of theory and simulation． The orthogonal test was carried out with crank rotation speed， the ton pocket type， the magnetic suction stone outer size as the test factors， and the success rate of bag opening as the index， and validation test was conducted according to the optimal combination． The test results show that with crank rotation speed of 0.1 r/s， the ton pocket shape and size of cube 550 mm， and the magnetic suction stone outer size of 20 mm， the success rate of bag opening was 97.50%， indicating that the mechanism can complete the bag pickup operation， and it can realize the bag opening function of the mulberry leaf harvester．

Key words： mulberry leaf harvesting； bag pickup mechanism； linkage design； NSGA-II algorithm； bag pickup test

中國(guó)是世界蠶桑商品出口大國(guó)， 具有悠久的蠶桑養(yǎng)殖文化． 國(guó)家出臺(tái)了一系列政策促進(jìn)蠶桑產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展［1-2］． 桑葉是蠶桑產(chǎn)業(yè)前端原料， 其機(jī)械化采收是目前該產(chǎn)業(yè)的“卡脖子”問題． 針對(duì)丘陵山地桑葉采收人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、 采收作業(yè)成本高等問題［3］， 研究丘陵山地桑葉自動(dòng)采收機(jī)對(duì)蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義．

目前一些學(xué)者開展了桑葉采摘方面的研究， 提出了搖桿式與往復(fù)式采摘機(jī)［4-5］， 并將視覺技術(shù)引入桑葉采摘［6］， 但相關(guān)研究仍然偏少． 茶葉采摘機(jī)械與銀杏葉采摘裝置［7-9］對(duì)桑葉采收機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值， 但沒有將采摘與收集裝袋兩者結(jié)合起來； 廖凱等［10］根據(jù)蘆葦筍受力特點(diǎn)與生物特點(diǎn)研制了蘆葦筍自動(dòng)化采摘與收集作業(yè)裝置， 為桑葉采摘與收集裝袋相結(jié)合提供了思路．

取袋機(jī)構(gòu)是桑葉自動(dòng)采收機(jī)實(shí)現(xiàn)收集功能的關(guān)鍵核心部分． 工業(yè)上常見的取袋方式是利用吸盤對(duì)編織袋進(jìn)行抓取與展開［11］， 但作業(yè)環(huán)境單一、 占地面積大， 難以直接應(yīng)用于丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備的自動(dòng)采收． 許多學(xué)者對(duì)取料機(jī)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了研究， 將連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用在開袋與取料裝置上［12-14］， 這對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械取袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考． 由于桑葉采收機(jī)整體尺寸受限以及取袋機(jī)構(gòu)的連桿機(jī)構(gòu)需滿足運(yùn)動(dòng)特性要求， 因此通過設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)輔助分析軟件與參數(shù)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)不同裝置特定功能的連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［15-19］， 在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)能更好地完成預(yù)期設(shè)計(jì)要求與特定工作需要， 基于此本文采用多連桿機(jī)構(gòu)完成桑葉自動(dòng)采收機(jī)的取袋與開袋功能．

綜上分析， 本文研究了一種丘陵山地桑葉自動(dòng)采收機(jī)取袋機(jī)構(gòu)， 按照設(shè)計(jì)要求， 建立了多連桿數(shù)學(xué)分析運(yùn)動(dòng)學(xué)模型， 根據(jù)分析輔助軟件與非支配排序遺傳算法（NSGA-II）完成優(yōu)化設(shè)計(jì)， 并建立三維模型， 完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真， 最后進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)， 驗(yàn)證了取袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和正確性．

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與取袋機(jī)構(gòu)工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與取袋機(jī)構(gòu)

我國(guó)大部分桑園位于丘陵山地， 行寬為2 m， 坡度為0°～25°， 因此采用履帶式底盤作為桑葉自動(dòng)采收機(jī)的行駛工具． 丘陵山地桑葉采收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示， 整體裝置主要由桑葉采摘裝置、 桑葉采摘機(jī)架、 桑葉收集裝置、 履帶車底盤組成．

桑葉收集裝置包括底板、 接料機(jī)構(gòu)、 導(dǎo)料機(jī)構(gòu)、 送袋機(jī)構(gòu)和取袋機(jī)構(gòu)， 其中取袋機(jī)構(gòu)是其核心部分， 取袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示． 當(dāng)桑葉采摘裝置完成桑葉采摘后， 接料機(jī)構(gòu)開始工作將桑葉運(yùn)到收集部分． 桑葉進(jìn)入料倉后， 導(dǎo)料機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)撥料的方式， 將桑葉具有方向性地轉(zhuǎn)運(yùn)入袋； 該采摘機(jī)采用鏈條式送袋機(jī)構(gòu)， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)噸口袋的定向輸送； 取袋機(jī)構(gòu)上配置有電磁吸鐵， 根據(jù)吸合原理取出安裝在送袋機(jī)構(gòu)上的噸口袋（設(shè)有磁吸石）， 噸口袋通過取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)袋口的展開， 最終實(shí)現(xiàn)桑葉的采收及裝袋功能．

1.2 取袋機(jī)構(gòu)的工作原理

鑒于桑葉采摘收集作業(yè)環(huán)境限制， 為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確取袋功能及結(jié)構(gòu)輕量化， 本文提出了一種多連桿取袋機(jī)構(gòu)， 該機(jī)構(gòu)由曲柄、 連桿、 搖桿、 機(jī)架、 連動(dòng)桿、 連動(dòng)桿附桿、 末端執(zhí)行器電磁鐵組成． 工作原理圖如圖3所示， 其中T為送袋機(jī)構(gòu)， v為送袋方向， M為待取袋位置， M1為待輸送袋位置， θP1為取袋時(shí)刻曲柄與水平軸的正向夾角， θK1為裝袋時(shí)刻曲柄與水平軸的正向夾角． 取袋機(jī)構(gòu)的工作過程可分為取袋、 開袋與裝袋過程．

在多連桿取袋機(jī)構(gòu)中， OC為固定機(jī)架， 在圖3a取袋瞬間時(shí)刻， 送袋機(jī)構(gòu)T保持靜止， 曲柄轉(zhuǎn)角為θP 末端執(zhí)行器電磁鐵DE在通電狀態(tài)下與待取袋磁吸石相接觸， 實(shí)現(xiàn)吸合并完成取袋過程． 為保證末端執(zhí)行器順利與磁吸石貼合， 在取袋時(shí)刻E點(diǎn)速度應(yīng)盡量小． 經(jīng)測(cè)試， 電磁鐵末端平面為斜45°時(shí)， 取袋效果最佳． 通過優(yōu)化取袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)， 可得到末端電磁鐵在取袋瞬間極限位置DE時(shí)刻的取袋夾角最優(yōu)值．

如圖3b所示， 當(dāng)曲柄持續(xù)旋轉(zhuǎn)到θK1時(shí)， 曲柄停止轉(zhuǎn)動(dòng)并完成開袋過程． 為了確保開袋效果的平穩(wěn)性， 末端執(zhí)行器速度幅值波動(dòng)應(yīng)較?。?在取袋與開袋過程中， 送袋機(jī)構(gòu)保持靜止?fàn)顟B(tài)． 開袋完成后進(jìn)行桑葉采收裝袋． 桑葉裝袋作業(yè)一定時(shí)間后， 電磁鐵斷電， 送袋機(jī)構(gòu)沿著指定方向運(yùn)動(dòng)， 使得袋口自動(dòng)脫落， 完成裝袋過程． 曲柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 電磁鐵通電， 逐漸回到圖3a取袋瞬間時(shí)刻， 從而完成一次循環(huán)并開始重復(fù)作業(yè)．

在前期開袋試驗(yàn)后， 選取型號(hào)為KK-P34/25吸盤式電磁鐵作為執(zhí)行件， 其基本尺寸參數(shù)為圓外徑34 mm、 長(zhǎng)度25 mm、 吸力25 kg． 考慮電磁鐵實(shí)際尺寸參數(shù)與電磁鐵支撐座尺寸， 最終確定末端執(zhí)行器DE總長(zhǎng)度為50 mm．

2 取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

取袋機(jī)構(gòu)主要由連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與末端執(zhí)行器電磁鐵2部分組成． 圖4為取袋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析圖， 以曲柄動(dòng)力輸入位置O為坐標(biāo)原點(diǎn)， 水平右方向?yàn)閤軸正方向， 豎直向上方向?yàn)閥軸正方向建立笛卡爾直角坐標(biāo)系．

根據(jù)封閉圖形OABC構(gòu)建解析方程為：

l1cos θ1+l2cos θ2=l4cos β+l3cos θ3

l1sin θ1+l2sin θ2=-l4sin β+l3sin θ3

（1）

引入輔助線連接AC， 可得：

cos （θ1+β）=l21+l24-l2AC2l1l4（2）

φ1=arcsin l1lACsin （θ1+β）（3）

φ2=arccos l2AC+l23-l222lACl3（4）

進(jìn)而求得CB桿件角位移θ3與AB桿件角位移θ2為：

θ3=π-φ1-φ2-β（5）

θ2=arccos l22+l2AC-l232lACl2-π+θ3+φ2（6）

在封閉圖形ADB中可以求得D點(diǎn)位移方程：

xD=l1cos θ1+l5cos （α1+θ2）

yD=l1sin θ1+l5sin （α1+θ2）

（7）

式中： xD， yD為D點(diǎn)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)， mm． 其中α1由余弦定理得到：

cos α1=l22+l25-l262l2l5（8）

由幾何關(guān)系可得：

θ4=α2+arccos xD-l1cos θ1-l2cos θ2l6-π（9）

由式（9）得E點(diǎn)的位移方程為：

xE=xD+lDEcos θ4

yE=yD+lDEsin θ4

（10）

式中： xE， yE為E點(diǎn)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)， mm． 在式（9）位移方程中對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)， 得到E點(diǎn)的速度方程：

vEx=x·E=x·D-θ·4lDEsin θ4

vEy=y·E=y·D+θ·4lDEcos θ4

（11）

式中： x·E， y·E為E點(diǎn)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的速度分量， mm/s．

3 取袋機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

3.1 目標(biāo)函數(shù)

通過對(duì)連桿長(zhǎng)度、 安裝角度的合適選擇與設(shè)計(jì)， 可確保在有限作業(yè)空間內(nèi)， 更好地完成取袋和開袋過程， 并確保取袋機(jī)構(gòu)電磁鐵在右極限位置順利完成取袋動(dòng)作． 因此對(duì)多連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程提出了設(shè)計(jì)要求， 確定了2個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1） 為了在限定作業(yè)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大取袋距離， 并實(shí)現(xiàn)多連桿機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)， 選定合適的連桿設(shè)計(jì)參數(shù)范圍后， 使E點(diǎn)在圖3中兩極限工作時(shí)刻擁有最大橫向位移． 為了更好地觀測(cè)帕累托前沿結(jié)果， 選擇將最大橫向平移添加負(fù)號(hào)形式表達(dá)， 即用E點(diǎn)最小值位移減去最大值位移， 計(jì)算公式如下：

min f1（dxE）=xKE-xPE（12）

式中： xPE為取袋時(shí)刻末端執(zhí)行器E點(diǎn)的x軸線性位移， mm； xKE為裝袋時(shí)刻末端執(zhí)行器E點(diǎn)的x軸線性位移， mm； dxE為開袋距離， mm．

2） 末端執(zhí)行器電磁鐵與待取袋上設(shè)置的磁吸石在取袋瞬間相互貼合， 經(jīng)過測(cè)試， 末端取袋與水平夾角為45°時(shí)， 取袋效果最佳， 則有：

min f2（θ4）=θP4+π4（13）

式中： θP4為取袋時(shí)刻θ4的角度．

3.2 優(yōu)化變量

通過建立機(jī)構(gòu)模型與優(yōu)化目標(biāo)分析， 確定取袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量為曲柄OA的長(zhǎng)度l1、 連桿AB的長(zhǎng)度l2、 搖桿BC的長(zhǎng)度l3、 機(jī)架OC的長(zhǎng)度l4、 連動(dòng)桿AD的長(zhǎng)度l5、 連動(dòng)桿附桿BD的長(zhǎng)度l6， 末端執(zhí)行器DE與連桿l6之間的夾角α2．

3.3 約束條件

1） 根據(jù)格拉霍夫定理， 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)OABC需要滿足桿長(zhǎng)條件， 即最短桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其他兩桿的長(zhǎng)度之和， 曲柄為最短桿且與機(jī)架相鄰， 可得：

l1+l3≤l2+l4（14）

2） 根據(jù)三角不等式， 三角形ADB需要滿足兩邊之和大于第三邊， 即最短桿與中間桿長(zhǎng)度之和大于最長(zhǎng)桿， 可得：

l2+l6＞l5（15）

3） 為確保裝袋順利進(jìn)行并保證機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性， E點(diǎn)在取袋瞬間與裝袋時(shí)刻兩極限位置的y軸坐標(biāo)值之差不宜過大． 此外， 末端執(zhí)行器DE與連動(dòng)桿附桿l6之間的夾角α2將決定末端執(zhí)行器最終取袋時(shí)的姿態(tài)位置．

根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 基于Matlab App Designer編寫了取袋機(jī)構(gòu)輔助分析設(shè)計(jì)軟件， 界面如圖5所示． 其中包括參數(shù)輸入?yún)^(qū)、 圖像輸出區(qū)、 按鍵控制區(qū)和信息輸出區(qū)4個(gè)模塊， 用于分析連桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、 E點(diǎn)軌跡圖像、 E點(diǎn)速度、 合位移和關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸出， 可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程， 縮短開袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)周期［20-22］． 在設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行參數(shù)調(diào)試， 當(dāng)曲柄長(zhǎng)度增大時(shí)， 機(jī)構(gòu)整體尺寸也會(huì)隨之變大； 曲柄長(zhǎng)度太短則取袋距離過小， 不滿足設(shè)計(jì)要求． 為控制取袋過程中末端執(zhí)行器y軸幅度不宜過大且能實(shí)現(xiàn)開袋最大距離， 參考霍肯連桿近似直線機(jī)構(gòu)， 調(diào)試各桿件參數(shù)， 最后確定各桿件li與α2的取值范圍， β取值為30°， DE由上文得知為50 mm．

3.4 基于NSGA-II非支配排序遺傳算法的模型求解

帶基因策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-II）是一種全局優(yōu)化算法， 因其符合自然迭代規(guī)律及收斂速度較快而被廣泛應(yīng)用于各種優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域［23-25］． 本文采用NSGA-II優(yōu)化算法對(duì)多連桿機(jī)構(gòu)的桿件長(zhǎng)度及末端執(zhí)行器安裝角度建立優(yōu)化模型求解， 其中每個(gè)染色體代表了多連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)及末端執(zhí)行器安裝角度的一個(gè)設(shè)計(jì)方案， 每個(gè)染色體具有交叉與變異能力（產(chǎn)生新染色體）， 并安排其等級(jí)制度與支配關(guān)系（優(yōu)勝劣汰）， 以及一個(gè)目標(biāo)函數(shù)（最大開袋距離與取袋角度）． 父代種群中的每個(gè)個(gè)體都有突變與交叉能力， 產(chǎn)生子代種群， 同時(shí)整合種群， 依據(jù)等級(jí)制度淘汰掉不夠“優(yōu)秀”的染色體， 生成新的父代種群， 從而在較短的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)解．

3.5 優(yōu)化結(jié)果分析

本文NSGA-II算法的基本設(shè)置為： 種群規(guī)模100、 最大迭代次數(shù)600、 交叉概率0.8、 變異概率0.15． 所得優(yōu)化解集如圖6所示．

結(jié)果顯示， 最大橫向位移取值較大時(shí)， 取袋位置夾角也偏大， 兩者不能同時(shí)滿足． 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 要求對(duì)取袋過程中末端執(zhí)行器DE與水平之間的夾角θP4更接近45±0.5°， 并在此基礎(chǔ)上保證最大橫向開袋距離， 綜合考慮下選擇取袋距離dxE=537.82 mm， θP4=44.996°的最優(yōu)解． 根據(jù)實(shí)際加工條件， 最終選擇表1所示實(shí)際參數(shù)結(jié)果．

驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理性， 將最終得到的連桿參數(shù)輸入取袋機(jī)構(gòu)輔助分析軟件， 通過輔助交互界面得到最大取袋距離dxE=539.16 mm， θP4=44.69°， 滿足設(shè)計(jì)要求； 得到多連桿機(jī)構(gòu)姿態(tài)位置特征與末端執(zhí)行器E點(diǎn)速度與軌跡圖像， 如圖7所示．

分析圖7中取袋、 開袋與裝袋過程． a點(diǎn)為靜止初始位置， 此時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角θ1=0°， 末端執(zhí)行器位置為（496.6 mm， 253.3 mm）， 曲柄開始以0.1 r/s速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)旋轉(zhuǎn)到b點(diǎn)時(shí)為取袋瞬間， 達(dá)到右極限位置， 末端執(zhí)行器速度緩慢降到0.016 m/s， 滿足取袋瞬間低速要求， 此時(shí)末端執(zhí)行器位置為（540.8 mm， 212.7 mm）， 末端執(zhí)行器電磁鐵與水平之間的夾角為44.69°， 完成取袋動(dòng)作． 隨后曲柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 進(jìn)入bc段， 該過程為開袋過程， E點(diǎn)速度波動(dòng)不大， 符合開袋過程設(shè)計(jì)要求． 當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)到達(dá)c點(diǎn)時(shí)， 速度不斷減小， 末端執(zhí)行器同時(shí)移動(dòng)到最大距離， 此時(shí)電磁鐵的位置為（1.6 mm， 263.2 mm）， 曲柄停止旋轉(zhuǎn)， 曲柄轉(zhuǎn)角為θ1=281°， 此時(shí)為裝袋時(shí)刻． 最后回到cb段， 即取袋階段， 此階段利用連桿機(jī)構(gòu)急回特性， 可縮短取袋回程時(shí)間， 提高工作效率．

3.6 取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

根據(jù)參數(shù)選擇結(jié)果， 利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件建立了多連桿取袋機(jī)構(gòu)的三維模型， 并將裝配體導(dǎo)入ANSYS仿真分析軟件的剛體動(dòng)力學(xué)模塊中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析． 在仿真中， 設(shè)置零件之間的相關(guān)約束條件， 設(shè)置動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速為0.1 r/s， 通過仿真分析得到末端執(zhí)行器電磁鐵E點(diǎn)的軌跡圖像與速度圖像． 圖8為桑葉采收機(jī)收集裝置三維模型與E點(diǎn)軌跡及速度仿真圖．

比較圖7與圖8b之間末端執(zhí)行器電磁鐵E點(diǎn)軌跡圖像、 圖7與圖8c之間E點(diǎn)速度圖像， 可知仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本一致， 驗(yàn)證了多連桿取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立的正確性和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性．

4 取袋機(jī)構(gòu)樣機(jī)試驗(yàn)

完成桑葉采收機(jī)取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證后， 加工出物理樣機(jī)， 如圖9所示．

4.1 高速攝像試驗(yàn)及參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)

基于高速攝像技術(shù)繪制出取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡， 拍攝幀數(shù)設(shè)定為500 f/s， 取袋機(jī)構(gòu)電機(jī)選用匯川40B30CB伺服電機(jī)． 拍攝完成后在After Effects視頻分析軟件中進(jìn)行分析， 根據(jù)電磁吸鐵中心點(diǎn)E為描繪點(diǎn)， E點(diǎn)特殊點(diǎn)位置與運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示， 其中a，b，c，d點(diǎn)分別為曲柄在靜止初始位置、 取袋時(shí)刻、 裝袋時(shí)刻、 曲柄旋轉(zhuǎn)180°的E點(diǎn)狀態(tài)． 通過與E點(diǎn)理論軌跡圖7和仿真軌跡圖8b進(jìn)行對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)三者軌跡基本一致．

對(duì)連桿進(jìn)行x軸方向測(cè)繪， 得到平均最大開袋距離數(shù)值為551 mm， 誤差為2.2%． 測(cè)量末端執(zhí)行器電磁鐵在取袋機(jī)構(gòu)極限位置的角度， 得到其平均數(shù)值為46.2°， 誤差為3.4%． 所有參數(shù)在誤差允許范圍內(nèi)， 驗(yàn)證了該取袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性， 滿足桑葉收集取袋的工作要求．

4.2 試驗(yàn)條件

根據(jù)前期準(zhǔn)備工作與分析， 曲柄轉(zhuǎn)速大小決定取袋時(shí)刻與開袋過程的成功率． 轉(zhuǎn)速過快， 取袋與開袋過程容易失敗； 轉(zhuǎn)速過慢， 工作效率降低． 噸口袋種類的形狀與大小將決定袋子在取袋機(jī)構(gòu)工作過程中展開時(shí)的流暢程度與袋子脫袋情況， 適配的噸口袋將決定取袋開袋的成功率． 取袋開袋過程中磁吸石與末端執(zhí)行器相互作用， 磁吸石外圓尺寸大小將會(huì)影響取袋時(shí)刻能否順利完成送袋以及開袋過程是否容易脫袋． 為探究曲柄轉(zhuǎn)速（A）、 噸口袋形狀與尺寸（B）、 磁吸石外圓尺寸（C）3因素對(duì)桑葉采收機(jī)取袋機(jī)構(gòu)取袋開袋效果的影響， 并以較少試驗(yàn)次數(shù)尋求較優(yōu)組合， 開展取袋機(jī)構(gòu)正交試驗(yàn)． 本次試驗(yàn)場(chǎng)地為西南大學(xué)后山桑園內(nèi)， 試驗(yàn)材料為6月份桑葉， 桑葉長(zhǎng)度約為180～280 mm， 寬度約為100～180 mm． 圖11為一個(gè)完整取袋開袋過程， 分別為待取袋、 取袋、 開袋及裝袋時(shí)刻的狀態(tài)．

4.3 試驗(yàn)指標(biāo)與因素

試驗(yàn)以取袋開袋成功率為試驗(yàn)指標(biāo)． 取袋開袋成功率是指取袋機(jī)構(gòu)工作過程中能完成整個(gè)取袋開袋過程的概率． 取袋開袋成功率越高， 桑葉收集裝袋效果越好， 取袋開袋成功率計(jì)算式如下：

S=Q-RQ×100%（18）

式中： S為取袋開袋成功率（%）； Q為取袋開袋試驗(yàn)次數(shù)； R為取袋開袋試驗(yàn)失敗次數(shù)．

通過前期試驗(yàn)與設(shè)計(jì)要求， 曲柄轉(zhuǎn)速取值范圍為0.1～0.3 r/s； 根據(jù)取袋機(jī)構(gòu)的最大開袋距離為551 mm， 噸口袋尺寸過小會(huì)導(dǎo)致開袋失敗， 過大會(huì)導(dǎo)致袋口展開后發(fā)生變形， 影響裝袋效果． 即可以選擇方體550 mm， 圓柱體600 mm*600 mm， 方體600 mm 3種規(guī)格噸口袋； 其中磁吸石外圓尺寸過大將會(huì)與送袋機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉， 測(cè)試后得知應(yīng)小于25 mm． 根據(jù)磁吸石參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 磁吸石可適配選擇直徑為16 mm，20 mm，25 mm 3個(gè)水平． 試驗(yàn)因素水平如表2所示．

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)選取L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)， 并添加一列空白列， 在試驗(yàn)中每組分別完成40次取袋開袋試驗(yàn)以及150張桑葉轉(zhuǎn)運(yùn)入袋試驗(yàn)， 每組分別完成3次取平均值， 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示．

由表4和表5可知， A因素對(duì)取袋效果表現(xiàn)為極為顯著， B、 C表現(xiàn)為顯著， 能較好地評(píng)價(jià)各試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的參數(shù)關(guān)系， 取袋開袋成功率影響的顯著順序?yàn)锳＞C＞B． 結(jié)合各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響， 得出最優(yōu)試驗(yàn)因子組合為A1B1C2， 即曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s， 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm， 磁吸石外圓尺寸為20 mm．

為驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性， 以最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果如表6所示． 試驗(yàn)結(jié)果表明， 在曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s、 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm、 磁吸石外圓尺寸為20 mm時(shí)， 平均取袋開袋成功率為97.50%， 滿足桑葉采收機(jī)工作要求．

5 結(jié)論

本文針對(duì)丘陵山地桑葉自動(dòng)采收機(jī)的取袋機(jī)構(gòu)展開了深入研究， 建立了取袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化， 最后完成仿真驗(yàn)證與樣機(jī)試驗(yàn)．

1） 基于取袋原理， 設(shè)計(jì)了一種多連桿取袋機(jī)構(gòu)， 建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并完成參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)． 為了滿足桑葉采收機(jī)的設(shè)計(jì)要求， 基于Matlab App Designer開發(fā)了取袋機(jī)構(gòu)輔助分析設(shè)計(jì)軟件， 并確定了機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化范圍． 應(yīng)用NSGA-II非支配排序遺傳算法優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)， 并根據(jù)實(shí)際加工條件得到了以下結(jié)果： l1=160 mm， l2=310 mm， l3=357 mm， l4=274 mm， l5=403 mm， l6=112 mm， α2=79°， 最大開袋距離為539.16 mm， 取袋夾角為44.69°．

2） 根據(jù)最終參數(shù)結(jié)果建立了取袋機(jī)構(gòu)的三維模型， 進(jìn)行虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析， 最后完成樣機(jī)試驗(yàn)． 通過仿真得到了末端執(zhí)行器E點(diǎn)的速度曲線和運(yùn)動(dòng)軌跡， 理論和仿真結(jié)果基本保持一致， 驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性． 進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性， 開展了樣機(jī)試驗(yàn)． 試驗(yàn)結(jié)果表明： 在高速攝像技術(shù)下E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與理論和仿真基本一致． 以曲柄轉(zhuǎn)速、 噸口袋種類、 磁吸石外圓尺寸為試驗(yàn)因素， 取袋開袋成功率為指標(biāo)開展正交試驗(yàn)， 得到曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s、 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm、 磁吸石外圓尺寸為20 mm的最優(yōu)組合． 以該組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)， 結(jié)果表明： 平均取袋開袋成功率為97.50%， 滿足開袋的設(shè)計(jì)要求， 證明了取袋機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性， 為農(nóng)業(yè)桑園自動(dòng)化水平的提升提供了技術(shù)支持．

參考文獻(xiàn)：

［1］

中華人民共和國(guó)商務(wù)部． 商務(wù)部關(guān)于繭絲綢行業(yè)“十四五”發(fā)展的指導(dǎo)意見 ［EB/OL］． （2021-09-15） ［2023-07-06］． http： //scyxs.mofcom.gov.cn/article/jsc/202109/20210903198754.shtml．

［2］ 中華人民共和國(guó)中央人民政府． 六部門關(guān)于印發(fā)《蠶桑絲綢產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2025年）》的通知 ［EB/OL］． （2020-09-26） ［2023-11-09］． https： //www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-09/26/content_5547331.htm．

［3］ 馬瑩． 我國(guó)規(guī)?；Q桑基地建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究 ［D］． 鎮(zhèn)江： 江蘇科技大學(xué)， 2021．

［4］ 閆鑫． 往復(fù)式桑葉采摘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各機(jī)構(gòu)速度優(yōu)化匹配研究 ［D］． 柳州： 廣西科技大學(xué)， 2015．

［5］ 柳怡成． 搖桿式桑葉采摘機(jī)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化 ［D］． 柳州： 廣西科技大學(xué)， 2020．

［6］ 任浩， 李麗， 盧世博， 等． 基于深度學(xué)習(xí)的復(fù)雜自然環(huán)境下桑樹枝干識(shí)別方法 ［J］． 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2023， 44（2）： 182-188．

［7］ WENG X X， TAN D P， WANG G， et al． CFD Simulation and Optimization of the Leaf Collecting Mechanism for the Riding-Type Tea Plucking Machine ［J］． Agriculture， 2023， 13（5）： 946．

［8］ ZHANG S W， WANG Z L， WANG L， et al． Design and Experimental Study of Ginkgo Leaf Picking Device ［J］． Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 202 235（24）： 7353-7362．

［9］ 王攀， 易文裕， 熊昌國(guó)， 等． 4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) ［J］． 西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 44（11）： 228-233．

［10］廖凱， 古全元， 高自成， 等． 蘆葦筍采收機(jī)研制 ［J］． 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 202 37（15）： 20-30．

［11］張少坤． 回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)取袋上袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化 ［D］． 哈爾濱： 哈爾濱商業(yè)大學(xué)， 2020．

［12］陳營(yíng)， 陸佳平， 李國(guó)華， 等． 連續(xù)取袋接袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ［J］． 包裝與食品機(jī)械， 2016， 34（3）： 33-37．

［13］張勇， 鄧援超． 包裝機(jī)八桿機(jī)構(gòu)式灌裝開袋裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］． 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2018（5）： 106-109．

［14］鄒陽， 唐火紅， 馮寶林， 等． 水泥灌裝機(jī)套袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ［J］． 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2015， 32（2）： 56-60．

［15］葉秉良， 唐濤， 楊秋蘭， 等． 柳樹插條自動(dòng)喂入裝置取料機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn) ［J］． 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2022， 53（5）： 93-99．

［16］黨玉功， 金鑫， 李衡金， 等． 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．

［17］沈從舉， 張立新， 周艷， 等． 自走式果園氣爆深松施肥機(jī)打穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn) ［J］． 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2022， 38（1）： 44-52．

［18］尹文慶， 劉海馬， 胡飛， 等． 旱地栽植機(jī)八連桿栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn) ［J］． 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2020， 51（10）： 51-60．

［19］魏志強(qiáng)， 宋磊， 陽尚宏， 等． 穴盤苗夾莖式取投苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn) ［J］． 西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 44（4）： 88-99．

［20］申屠留芳， 吳旋， 孫星釗， 等． 基于遺傳算法的紅薯栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ［J］． 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2019， 40（12）： 6-11．

［21］孟祥飛， 楊傳民， 樊文濤． 給袋式包裝機(jī)取袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］． 包裝工程， 2017， 38（19）： 168-172．

［22］鄭占賀， 王瑩， 任文營(yíng)， 等． 青飼機(jī)青貯塊間歇型自動(dòng)撐袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ［J］． 包裝工程， 2023， 44（3）： 179-186．

［23］李麗， 甘鎮(zhèn)瑜， 李聰波， 等． 面向高效節(jié)能的螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法 ［J］． 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)， 2023， 29（8）： 2585-2594．

［24］VERMA S， PANT M， SNASEL V． A Comprehensive Review on NSGA-II for Multi-Objective Combinatorial Optimization Problems ［J］． IEEE Access， 202 9： 57757-57791．

［25］閆嘉， 李林峰， 林毓培， 等． 基于改進(jìn)免疫遺傳算法的汽車零件排樣 ［J］． 西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2023， 45（5）： 204-214．

責(zé)任編輯 柳劍