法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-11-22
专利权的转移 IPC(主分类):A01C11/00 专利号:ZL2016100237497 登记生效日:20221109 变更事项:专利权人 变更前权利人:蚌埠翰邦知识产权服务有限公司 变更后权利人:平邑仁安中医药产业发展有限公司 变更事项:地址 变更前权利人:233000 安徽省蚌埠市淮上区明珠广场紫阳大厦1402室 变更后权利人:276000 山东省临沂市平邑县平邑经济开发区文化路与平旺路交汇处往南188米
专利申请权、专利权的转移
2020-04-17
专利权的转移 IPC(主分类):A01C11/00 登记生效日:20200331 变更前: 变更后: 申请日:20160114
专利申请权、专利权的转移
2017-06-23
授权
授权
2016-05-25
实质审查的生效 IPC(主分类):A01C11/00 申请日:20160114
实质审查的生效
2016-04-27
公开
公开
技术领域
本发明属于农业机械领域，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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，本发明的技术方案是：
本发明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。
本发明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：
>
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。
>
式(2)中，L7为第一曲柄的杆长，L8为第二连杆的杆长，L9为第一摆杆的杆长，j5为第二连杆的角位移。
步骤五、校验闭链五杆花卉移栽机构是否满足杆长条件：
>
式(3)中，L6为机架的杆长。
本发明的有益效果：
1、本发明的闭链五杆花卉移栽机构实现单环扣状轨迹，不仅可以保证取苗阶段以合适的姿态插入，还可以保证在垂直段轨迹将花卉苗直接垂直插入花盘中，植苗直立度有了很大的提升，保证花卉植苗合适的角度、速度、植苗的直立度和更好地满足花卉移栽的农艺要求。
2、通过闭链五杆花卉移栽机构，该轨迹满足钵苗移栽机平入钵、直拔苗、稳植苗的移栽农艺要求；采用闭链五杆的方式，机构简单，更加易于控制,使得取苗和植苗的动作更加灵活，柔度高，提高了植苗的成功率，为实现其他农作物的移栽机械通用化取得了突破，从而实现花卉、瓜果、蔬菜等作物的全自动移栽。
附图说明
图1为本发明在初始位置的机构原理图。
图2为本发明的移栽轨迹路线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，闭链五杆花卉移栽机构，包括叉形摆杆1、第一连杆2、第二连杆4、叉形曲柄5和第三连杆6；叉形曲柄5包括底端焊接在一起的第一曲柄和第二曲柄；叉形曲柄5的底端铰接于机架3，并由电机M1驱动；第一曲柄的顶端与第二连杆4的一端铰接，第二曲柄的顶端与第三连杆6的中部铰接；叉形摆杆1包括底端铰接在一起的第一摆杆和第二摆杆；叉形摆杆1的底端铰接于机架3；第二连杆4的另一端与第一摆杆的顶端铰接；第一连杆2的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆6的一端铰接；第三连杆6的另一端自由设置。
叉形曲柄5经第二连杆4的作用推动叉形摆杆1摆动，叉形摆杆1的运动经过第一连杆2和第三连杆6传递给第三连杆6的自由端端点F，第三连杆6的自由端端点F运动规律由各杆杆长控制。
该闭链五杆花卉移栽机构的设计方法，具体如下：
步骤一、构建闭链五杆花卉移栽机构。
如图1所示，叉形曲柄5的底端铰接于机架3，并由电机M1驱动；叉形曲柄5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4的一端铰接，第二曲柄的顶端与第三连杆6的中部铰接；叉形摆杆1的底端铰接于机架3；叉形摆杆1包括底端铰接在一起的第一摆杆和第二摆杆；第二连杆4的另一端与第一摆杆的顶端铰接；第一连杆2的一端与第二摆杆的顶端铰接，另一端与第三连杆6的一端铰接；第三连杆6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6的自由端端点F所形成的单环扣轨迹数学模型。
如图2所示，选取十一个数据点q0、q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9和q10作为三次非均匀B样条曲线的型值点，其中，q0和q10重合，可唯一求解到十三个控制顶点，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。
由花卉移栽农艺要求选取十一个数据点如下：q0和q10确定单环扣轨迹的最高点，q1确定单环扣轨迹的取苗开始点，q2是影响取苗前轨迹姿态的关键点，q3确定单环扣轨迹的取苗时刻点，q4确定单环扣轨迹的最低点，q5确定单环扣轨迹的植苗结束点，q6确定单环扣轨迹的植苗开始点，q7、q8和q9是单环扣轨迹的辅助拟合点；拟合出第三连杆6的自由端端点F在坐标系XOY中所形成的位移方程为φf(t)，其中，叉形曲柄5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6的自由端端点F处于如图1所示的初始位置。
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2-1、取苗段2-2、运苗段2-3、植苗段2-4和回复段2-5；取苗段2-2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，保证沿垂直土钵方向取出幼苗；植苗段2-4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，保证幼苗与栽植机构只存在沿竖直方向的相对速度，利于垂直将苗直接植入花盘；入钵段2-1为取苗段2-2的过渡段；可见，该花卉移栽轨迹可以满足花卉钵苗移栽中取苗的平入钵、直取苗及稳植苗的要求。
该闭链五杆花卉移栽机构中，第三连杆6的自由端安装栽植机构即可进行栽植作业，且移栽轨迹满足花卉钵苗移栽中取苗的平入钵、直取苗及稳植苗的要求。
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：
>
式(1)中，L1为第二摆杆的杆长，L2为第一连杆2的杆长，L3为第一连杆2与第三连杆6的铰接点至第三连杆6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6与第二曲柄的铰接点至第三连杆6自由端端点F的距离，xa、ya分别为叉形摆杆1与机架铰接点A的横坐标和纵坐标，j1为第二摆杆的角位移，j2为第一连杆2的角位移，j3为第二曲柄的角位移，j4为第三连杆6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4的杆长L8，具体为：设定L7、L9的值，通过下式求得L8和j5。
>
式(2)中，L7为第一曲柄的杆长，L8为第二连杆4的杆长，L9为第一摆杆的杆长，j5为第二连杆4的角位移。
步骤五、校验闭链五杆花卉移栽机构是否满足杆长条件：
>
式(3)中，L6为机架3的杆长。
机译： 具有动态平衡装置的五杆机构和动态平衡五杆机构的方法
机译： 具有动态平衡装置的五杆机构和动态平衡五杆机构的方法
机译： 具有动态平衡装置的五杆机构和动态平衡五杆机构的方法
