多桿式栽植機構參數化設計與仿真分析

黎寧慧,薛金林,丁蘭英,張 煒,康 敏

南京農業大學 工學院,江蘇 南京 210031

種植業占我國農業生產總值的一半以上，移栽是種植業中極其重要的生產環節，目前我國旱地作物的移栽作業多采用人工移栽的方式，由于農村從業人員外出就業比例的增多以及整體產業結構的調整，實際勞動力成本已明顯高于機械化作業，因此，發展自動化、機械化移栽并提高其移栽效率勢在必行[1]。旱地移栽機是主要針對玉米、棉花、包菜等旱地作物移栽的農業裝備，能夠代替人工實現自動、半自動移栽工作，已經在我國不同地域區塊得到越來越廣泛的應用[2]。

栽植機構作為旱地移栽機上的重要組成部件，根據其結構類型，可以將移栽機分為吊籃式、撓性圓盤式、鏈夾式[3-5]等多種，目前常見的栽植機構存在穩定性差、工作效率低、準確性低等缺點。因此，本文設計一種多桿式平行桿組栽植機構，實現栽植鴨嘴的平動，提升栽植機構的整體穩定性，并通過多桿機構的傳動保證整體運動準確性。針對多桿機構設計較為困難的問題，本文采用ADAMS軟件對所設計的栽植機構進行仿真分析[6-9]，通過參數化設計理念開發用于參數化設計的人機交互界面，利用人機交互界面設定并調整栽植機構的結構參數，最終可以得到符合設計目標的多桿式平行桿組栽植機構的結構參數。此方法便于對多桿式平行桿組栽植機構進行設計，為多桿機構的設計方法提供了新思路，開辟了新道路。

1 多桿式栽植機構的結構與工作原理

多桿式栽植機構結構示意圖如圖1所示，其主要由鴨嘴組件和平行桿組兩部分組成。

圖1 多桿式平行桿組栽植機構結構示意圖Fig.1 Structure of multi-linkage parallel bar group transplanting mechanism

鴨嘴組件主要由左栽植鴨嘴、右栽植鴨嘴、直線推桿、銷釘等構件組成，其中桿IJ與直線推桿電機控制栽植鴨嘴的張合，其簡化模型為曲柄滑塊機構，I點定位銷固定于右栽植鴨嘴上，同時通過滑槽與左栽植鴨嘴連接，當直線推桿電機推桿伸出時，推動桿IJ運動，I點上升，兩片鴨嘴打開，當推桿收縮時，兩片鴨嘴閉合。

平行桿組作為栽植機構中的傳動部分，通過多個連桿帶動鴨嘴按照既定軌跡精確運動，其整體機構簡化模型為平行四桿機構，其中桿AB與桿EF平行且相等，桿BCD與桿FHK平行且相等，桿CG與桿HL平行且相等，而AE、BF、GL、CH、DK分別平行且相等，整體構成平行四桿機構實現鴨嘴的平動，D、K點處裝有銷軸，分別與鴨嘴支撐架及左、右栽植鴨嘴連接，桿GC作為原動件，通過電機實現逆時針方向的勻速轉動，帶動整個機構運動。

工作時，平行桿組與鴨嘴實現節拍配合，當平行桿組帶動鴨嘴從最高點投苗點到達最低點栽植點時，鴨嘴打開，實現栽植；當平行桿組帶鴨嘴上升離開栽植點時，鴨嘴閉合，到達最高點時，進行人工手動投苗，以此完成一個工作周期。

2 多桿式栽植機構運動學模型

為了研究多桿式栽植機構整體運動規律，采用解析法對該機構進行運動分析[10]，建立機構的封閉矢量位置方程式，以原動件轉動角度和各個桿件長度為已知量求得各個桿件轉角等未知量，推導出關鍵點鴨嘴尖端的位置坐標即得知其位移規律，通過進一步求導可得到其速度、加速度規律。該多桿式栽植機構的機構運動簡圖見圖2。

圖2 機構運動簡圖Fig.2 Kinematic diagram of mechanism

以G點為坐標原點建立直角坐標系，其中原動件轉動方向為逆時針，機組前進速度方向即多桿式栽植機構整體運動方向向左。多桿機構參數見表1。

表1 多桿機構參數Table 1 Parameters of multi-linkage mechanism

若θ1、α、β、h、L1至L6為已知量，由矢量封閉圖形GCAB可得封閉矢量方程為：

將式（1）向兩坐標軸投影，即可得：

為了求得θ2，將方程組（2）整理并簡化為：

式中：

解之可得：

通過式（4），可得到θ2。

C點位移方程為：

則D點位移方程為：

K點位移方程為：

而M點位于鴨嘴中心線上，其位移方程為：

綜合式（1）～（8）可求得鴨嘴尖端M的位移方程，將其對時間分別求一階及二階導數可得到鴨嘴尖端M的速度及加速度方程。

3 多桿式栽植機構的參數化設計

3.1 多桿式栽植機構參數化模型的建立

由于采用傳統計算手段完成多桿機構的設計較為困難，計算量過大，效率低[11]，若采用計算機輔助完成多桿機構參數化設計，能夠極大提高設計效率，并較易從數值分析角度驗證機構性能。因此本文根據所建運動學模型利用ADAMS軟件建立多桿式栽植機構的參數化模型，以便隨時調整有關參數來觀察栽植機構的運動規律。

（1）變量設計：參考《平面連桿曲線圖譜》和所建的運動學模型，最后選定6個桿長參數和1個角度參數及其相應變化范圍，具體參數信息如表2所示。

表2 參數信息表Table 2 Parameter information table

（2）參數化模型建立：利用Bodies中的LINKS及PLATE根據對應變量參數，建立相應參數化模型，其中各桿寬度設為10 mm，厚度為5 mm，L1至L6桿長分別設置為對應變量DV_l1到DV_l6，而DV_a角度變量通過E點坐標引入，即將E點X坐標設置為DV_l4*cos(DV_a)，Y坐標設置為DV_l4*sin(DV_a)，最后建立完成的多桿機構模型如圖3所示。

（3）驅動及運動副添加：使用Bodies中的PLANE代替地面建立模型，為了便于參數化設計，采用虛擬裝配方式建立運動副連接，即在各個桿件鉸接MARKER點處建立對應轉動副，同時對代替地面的平面添加水平移動副。最后，對平面添加移動驅動，對桿GC添加轉動驅動，完成虛擬樣機參數化模型的建立。

3.2 人機交互界面開發

為了方便地修改參數化模型中的各個參數變量，實時地對該栽植機構進行虛擬仿真試驗，利用ADAMS軟件的二次開發功能開發人機交互界面，如圖4所示。

人機交互界面中信息欄左邊顯示的是信息欄里數值所代表含義，右邊是數值的單位，通過改變信息欄的數值可實現桿組尺寸（L1至L6）、機組前進速度（Forward velocity）、原動件轉動角速度（Rotational velocity）、機架定位角（Orientation angle）的動態調節。界面左上角顯示的是該多桿機構模型示意圖，圖下方的四個按鈕分別點擊可以實現這些功能：虛擬樣機裝配（Assemble）、虛擬樣機動作（Take action）、繪制靜態軌跡（Draw static curve）、繪制動態軌跡（Draw dynamic curve）。

虛擬樣機模型構件尺寸根據所設定的數值進行調整，并完成虛擬裝配，虛擬樣機模型經過設定時長的運動可實時地仿真出栽植鴨嘴的靜態軌跡和動態軌跡。

圖3 多桿機構模型Fig.3 Model of multi-linkage mechanism

圖4 人機交互界面Fig.4 Human machine interface

4 機構虛擬試驗及栽植軌跡分析

4.1 機構虛擬試驗

根據相關設計資料和所設計栽植機構的性能需求，設定栽植機構設計目標如下：

（1）移栽機栽植效率：50～70株/min；

（2）秧苗株距要求：400～650 mm；

（3）秧苗栽植深度：40～60 mm；

（4）栽植投苗入土至出土水平分速度接近于0，且入土點、放苗點和出土點的水平位移為0；

（5）秧苗栽植后的直立度良好。

栽植鴨嘴的靜態軌跡特性、動態軌跡特性、栽植軌跡最低端鴨嘴尖端的水平分速度和加速度是考查多桿式栽植機構性能的重要評價指標。通過人機交互界面上參數的設定進行栽植機構的虛擬運動試驗，每設定一組參數可以得到一組鴨嘴的靜、動態軌跡和鴨嘴尖端的位移、速度、加速度規律曲線圖，從靜、動態軌跡圖和鴨嘴尖端規律曲線圖可觀察到該組參數下栽植機構各指標是否達標，根據設計目標判斷此組參數的優劣并根據幾組參數間的變化趨勢調整參數的數值，重復此過程最終得到一組較優的參數：原動件轉動角速度為300°/s，機組前進速度為520 mm/s時，機架定位角度為42°，L1桿長為120 mm，L2桿長為242 mm，L3桿長為180 mm，L4桿長為300 mm，L5桿長為80 mm，L6距離為120 mm。

4.2 栽植鴨嘴靜、動態軌跡特性分析

該組較優參數下，栽植鴨嘴的靜、動態軌跡分別如圖5和圖6所示。當原動件轉動角速度為300°/s時，移栽機栽植效率為50株/min。栽植鴨嘴的靜態軌跡配合機組前進速度520 mm/s可得到動態軌跡圖，如圖6所示。由圖6可知，這時秧苗的栽植深度為60 mm，秧苗株距為624 mm，且出、入土動態軌跡與水平地面基本垂直，即能保證一定直立度，整體移栽軌跡平滑，可滿足栽植要求。

為了進一步驗證該組設計變量參數滿足設計目標的要求，對栽植鴨嘴的尖端進行位移、水平速度、加速度的仿真分析[12]，仿真結果如圖7所示。

圖5 靜態軌跡圖Fig.5The static track

圖6 動態軌跡圖Fig.6The dynamic track

圖7 位移、水平速度、加速度圖線Fig.7Graphs of displacement,horizontal velocity and acceleration

圖7中的位移是栽植鴨嘴尖端隨著時間變化相對于地面的位移，位置I是位移的峰值點也是人工投苗點，隨著位移從位置I運動到位置II，鴨嘴向地面運動，鴨嘴尖端的水平分速度絕對值從1.1 m/s逐漸減小，加速度絕對值也在較小的范圍（0.5 m/s2至2 m/s2）內變化；到達位置II時，鴨嘴尖端達到最低點栽植點，此時鴨嘴尖端的水平分速度絕對值為0.04 m/s接近于0，加速度也較??；在位置II附近鴨嘴尖端的水平分速度也基本保持接近于0，結合圖6可見，在垂直方向位移約為-320 mm時出土點與入土點重合，位置II栽植點的水平方向位置坐標與出土點和入土點相同，即栽植鴨嘴從入土到出土這一過程在水平方向上的絕對位移量趨于0，充分地保證了零速移栽的作業要求。

綜合以上栽植鴨嘴的靜、動態軌跡特性分析及鴨嘴尖端的位移、速度、加速度仿真結果分析，該組參數能夠很好地滿足設計目標的要求。

5 結論

（1）設計一種具有準確度高、穩定性好等優點的多桿式栽植機構，建立該多桿式栽植機構的運動學模型為栽植鴨嘴尖端的動態特性分析提供理論依據；

（2）建立該栽植機構的虛擬樣機參數化模型，開發便于參數化設計的人機交互界面，通過界面上參數的設定進行多桿式栽植機構的仿真分析。此方法便于對多桿式平行桿組栽植機構進行設計，為多桿機構的設計方法提供了新思路；

（3）通過ADAMS軟件進行輔助虛擬試驗，通過分析栽植靜、動態軌跡，得出一組較為合理的栽植機構對應參數，并通過仿真分析栽植鴨嘴尖端的位移、速度、加速度規律，可知鴨嘴到達運動最低點時水平分速度約為0.04 m/s、加速度也較小，從而進一步驗證該組參數的合理性，仿真結果表明該組參數能夠滿足設計目標。

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