指夾式甘薯移栽機栽植機構的設計與仿真

申屠留芳，唐立杰，2，孫星釗，孫亞軍，2

(1.淮海工學院機械工程學院，江蘇連云港 222005； 2.中國礦業大學機電學院，江蘇徐州 221008；3.連云港市元天農機研究所，江蘇連云港 222006)

甘薯是僅次于水稻、小麥、玉米的糧食作物。甘薯，別稱地瓜、紅薯、白薯、番薯等，原產于美洲墨西哥一帶。甘薯的營養十分豐富，是人們喜愛的天然滋補食品，其中含有大量的營養物質，被營養學家稱為最均衡的營養保健品，而且具有頗高的保健作用及藥用價值[1-2]。甘薯多為高壟種植，按壟的規格分為大壟單行、小壟單行、大壟雙行等，栽植方法以直插、斜插、水平插為主，栽插深度在50～100 mm之間，株距一般為220～260 mm。甘薯按種植季節可以分為春薯和夏薯。一般春薯的種植季節在3月左右，溫度較低，種植前需要先在苗床上鋪雙層塑料薄膜[3]。

目前市場上的移栽機械類型按照栽植器的不同可分為導苗管式移栽機、吊籃式移栽機、鉗夾式移栽機、撓性圓盤式移栽機等[4-5]。這些移栽機在進行移栽作業時均易對已經鋪好的塑料薄膜造成破壞，降低塑料薄膜的保溫性能。本研究對象為指夾式移栽機的關鍵部件，即指夾式栽植機構。此機構利用仿生學原理，結構設計模仿人體的手指，主要針對小壟單行甘薯裸根苗直插或斜插而設計，在移栽過程中可以有效避免破壞塑料薄膜。此外，還可以通過改變作業速度，來適當調節甘薯苗栽插的傾斜度，因此對推動甘薯移栽機械化具有重大意義。

1 指夾式甘薯移栽機的結構及工作原理

1.1 結構設計

指夾式甘薯移栽機的整機結構主要由傳動系統、指夾式栽植機構和履帶式送苗機構3部分組成(圖1)。其中，履帶式送苗機構作間歇運動。指夾式栽植機構的結構如圖2所示，曲柄1、軸10、凸輪11固聯為一整體。連桿3空套在軸10上，1、2、3、4組成一曲柄搖桿機構，2固定在機架上。形狀類似剪刀的指夾式機械手由左右2個手指5、6、彈簧7、滾子9組成，并通過銷軸8連接在連桿3上組成一個構件[6]。

1.2 工作原理

曲柄1在傳動系統的帶動下旋轉，由1、2、3、4組成的曲柄搖桿機構開始工作。因為連桿3與曲柄1組成整轉副，指夾式機械手與連桿3連接成一個構件，且曲柄1、軸10、凸輪11為一固聯整體，所以機械手2個手指頂端的滾子9在彈簧7的作用下，緊貼著凸輪表面作相對轉動，滾子轉到凸輪遠休止階段時，機械手手指的末端夾緊，當滾子轉到凸輪近休止階段時，手指末端松開，與此同時，機械手隨著連桿3作上下往復運動[7]。

機器在進行作業時，人站在圖1所示的機械手的左側，面對著喂苗口隨著機器一起行進，并將甘薯秧苗喂入喂苗口中，喂苗口隨著履帶作間歇移動[8]。同時，指夾式機械手隨著連桿作上下往復和夾緊松開運動，滾子緊貼著凸輪表面旋轉。指夾式機械手末端運動到履帶最低點位置時，機械手頂端的滾子運動到凸輪的遠休止階段，2個手指的末端由張開變為閉合，并夾緊伸出喂苗口的甘薯秧苗的根部將其拽出喂苗口，甘薯秧苗隨著機械手的手指末端繼續向下運動進入土中，當手指末端到達土下最低點時，機械手頂端的滾子運動到凸輪的近休止階段，手指末端張開并從土中移出，甘薯秧苗的根部留在土中。在此期間，隨著履帶的移動，另一夾持著秧苗的喂苗口又移動到履帶的最低點并短暫停歇，指夾式機械手再重復以上動作，如此往復。

2 指夾式栽植機構的設計與運動分析

指夾式栽植機構由曲柄搖桿機構、通過銷軸連接在連桿上的機械手指、固聯在曲柄上的凸輪、彈簧4部分組成。

曲柄搖桿機構如圖3所示，E點為秧苗夾持點。曲柄AB的長度為96 mm，連桿BE的長度為465 mm，BC長325 mm，連桿上與機械手指連接的點O距B點的距離BO為145 mm。搖桿CD的長度為225 mm，固定機架AD的長度為352 mm。

指夾式栽植器的結構如圖4所示，FOJ和GOH等2根金屬手指通過銷軸O連接在曲柄搖桿機構的連桿上，設F、G兩端點距離O點的水平距離為X1，H、J兩端點距離O點的水平距離為X2，F、G之間的豎直距離為Y1，H、J之間的豎直距離為Y2。當F、G兩端點間的垂直距離增大或減小時，則H、J兩端點間的垂直距離減小或增大，可推導出幾何公式：

結合圖3中各部件的尺寸，將X1、X2分別設計為105、420 mm，F、G兩點間的最大垂直距離Y1max=60 mm，甘薯秧苗夾持端H、J兩端點間的最大垂直距離為Y2max=45 mm。為了防止作業時HJ端夾持力過大，造成甘薯秧苗的損傷，則根據甘薯秧苗的形狀特點，得到H、J兩端點間的最小垂直距離為Y2min=5 mm，故H、J端的夾持行程為Y2=Y2max-Y2min=40 mm，由上述幾何公式可得Y1=10 mm，所以F、G兩點間最小距離Y1min=Y1max-Y1=50 mm。F、G端均是端面直徑為 20 mm 的圓，在F、G端均裝配外徑為50 mm，內徑為20 mm的軸承作滾子使用，且F、G兩端軸承緊貼中間的圓柱凸輪。若要使F、G間最大距離為60 mm，最小距離為50 mm，則圓柱凸輪柱面的最大尺寸Hmax=60+20-50=30 mm，最小尺寸Hmin=Hmax-Y1=20 mm，圓柱凸輪柱面尺寸(mm)如圖5所示。

為精確掌握栽植機構在整個運動循環過程中的運動特性，下面對栽植機構的運動進行分析。由于E點是秧苗夾持點，因此，對E點運動情況的把握尤其重要。在曲柄搖桿機構簡圖的基礎上建立1個直角坐標系Axy，標出各桿的方位角和矢量(圖3)，曲柄1以等角速度ω1作定軸轉動，開始轉動時曲柄與機架間的角度為α。

由于圖中ABCD為封閉的四邊形，根據矢量的特點得到：

改寫成復數形式為：

aeiα+beiψ=d+ceiβ。

根據數學公式eiθ=cosθ+isinθ，整理上式得：

方程組中a、b、c、d、α均為已知，所以解此方程組即可求得ψ、β。

將式aeiα+beiψ=d+ceiβ對時間t求導，得到：

aω1eiα+bω2eiψ=cω3eiβ。

先把此式的虛部和實部分離，再聯立便可求出角速度ω2和ω3，解得：

再將aω1eiα+bω2eiψ=cω3eiβ對時間t求導，得到：

同樣，將上式的虛部和實部分離，聯立解得角加速度ε2、ε3：

把上式對時間t進行一次求導和二次求導后，再整理得出E點的速度和加速度的矢量表達式，即：

VE=-[ω1asinα+ω2(b+e)sinψ]+i[ω1acosα+ω2(b+e)cosψ]；

3 指夾式栽植機構的運動仿真及凸輪輪廓曲線的確定

3.1 指夾式栽植機構的運動仿真

利用軟件UG[9]對栽植機構進行三維建模，并將各部分進行裝配。將秧苗夾持端標記為A001，然后定義曲柄AB為驅動，轉速為-720 °/s，即逆時針旋轉，轉速為120 r/min。求解時，將運動時間定義為1 s，完成后，便可播放栽植機構的運動動畫。如圖6所示為整機相對地面靜止，僅栽植機構作業時的仿真運動，虛線即為指夾式機械手夾持端的運動軌跡。機械手末端從a點開始夾緊甘薯秧苗的根部，使其從履帶上的喂苗口脫離，隨后攜秧苗一起進入壟土中。當機械手末端到達最低點b時，機械手的夾持端開始張開，甘薯秧苗在土壤阻力的作用下根部留在土中，同時機械手循著運動軌跡移出土中，再重復上述動作。

以圖6中所示坐標軸為絕對參考系，沿地面水平向右和豎直向上分別為X、Y軸的正方向。仿真運動時機械手夾持端沿X軸和Y軸方向的位移、速度、加速度如圖7所示，實線表示X軸，虛線表示Y軸。從圖7-a中可以得出，A001運動軌跡ab段在Y軸方向上的運動距離約為130 mm。所以，可根據甘薯秧苗需要的栽植深度來調整履帶和機械手距離地面的高度。

指夾式甘薯移栽機在進行移栽作業時的行進方向為X軸的負方向，即圖中向左運動，甘薯秧苗的栽插過程是2個運動的合成運動。給定移栽機的行進速度為1.8 km/h，曲柄AB的轉速仍為120 r/min，作出機械手在行進作業中的運動軌跡仿真如圖8所示。在此條件下作業時甘薯秧苗的株距約為250 mm，栽植深度約為70 mm，由圖8可以看出，機械手插入土中和移出土中的軌跡近似于重合，滿足甘薯直插法的移栽要求，而且不會對所覆的薄膜造成破壞。另外，可以通過改變移栽機的行進速度、曲柄AB的轉速、機架AD與地面的角度來適當調節甘薯秧苗栽植的傾斜度和株距，以滿足甘薯秧苗斜栽法的要求。

3.2 凸輪輪廓曲線的確定

由圖7-a可以得出，ab段約占整個運動周期的1/4，根據指夾式機械手的工作原理可以得出凸輪遠休止階段約占整個凸輪的1/4。該凸輪為圓柱凸輪，其輪廓曲線為空間曲線，將凸輪的圓柱面展開成平面，展開后的圓柱凸輪的上下面均為平面移動凸輪，上下面的凸輪輪廓曲線相同，且從動件為直動從動件。如圖9所示，縱坐標S表示滾子直動從動件的位移，橫坐標θ表示凸輪轉角，從動件上升的最大距離h=5 mm。

4 結論

整機結構設計采用履帶式送苗機構和指夾式栽植機構相互協作的方式，提高了作業效率。同時，創造性地將凸輪、四桿機構、剪刀機構相結合，并通過分析、運動仿真得出以下結論：

利用圓柱凸輪和曲柄搖桿機構控制的指夾式機械手結構簡單、故障率低、效率高、維修方便，能滿足甘薯秧苗的移栽要求，極大地降低了勞動強度和生產成本，對甘薯機械化移栽的推廣有重要意義。

對設計出的指夾式機械手運用虛擬仿真軟件進行仿真，從仿真結果來看，行進作業時指夾式機械手插入土中和移出土中的軌跡近乎重合，避免了對已經覆在苗床上的塑料薄膜造成破壞。此外，還可以根據需要來適當調整機架與地面的高度、角度，行進速度等，從而改變甘薯的移栽深度、株距、傾斜度等。