基于運(yùn)動(dòng)系數(shù)農(nóng)業(yè)采摘可調(diào)六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)修正

張凱

鄭州旅游職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,河南鄭州450009

基于運(yùn)動(dòng)系數(shù)農(nóng)業(yè)采摘可調(diào)六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)修正

張凱

鄭州旅游職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,河南鄭州450009

為了研究農(nóng)業(yè)采摘可調(diào)節(jié)六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，通過考慮自變量計(jì)算運(yùn)動(dòng)系數(shù)的方法結(jié)合連桿運(yùn)動(dòng)輸入?yún)?shù)，建立可調(diào)控制連桿位置的六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型。研究結(jié)果表明：通過使用引入自變量的方法提高模型計(jì)算效率，建立運(yùn)動(dòng)系數(shù)與自變量之間關(guān)系和建立運(yùn)動(dòng)系數(shù)與輸入?yún)?shù)之間關(guān)系；通過對(duì)六連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)修正后控制連桿的運(yùn)動(dòng)范圍和輸出端角度較修正前得到提高，模型整體控制能力得到提高。

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)系數(shù);可調(diào)六連桿;結(jié)構(gòu)修正

1　引言

目前調(diào)速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括行星齒輪系統(tǒng)，可調(diào)帶傳動(dòng)系統(tǒng)，粘液傳動(dòng)系統(tǒng)，但由于存在機(jī)械制造成、維護(hù)成本高，空間布置難度大，而使用連桿機(jī)構(gòu)作為調(diào)速機(jī)構(gòu)可以減小設(shè)計(jì)難度，并適用高速工況。可調(diào)六連桿模型，具體詳見圖1是在StephensonIII連桿基礎(chǔ)上結(jié)合控制連桿的模型,連桿2為輸入連桿，輸出連桿為連桿6，控制連桿為7，連接連桿為4，這里輸入連桿恒定輸入穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整位置點(diǎn)P來控制系統(tǒng)狀態(tài)，達(dá)到控制目標(biāo)。近年來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者均對(duì)農(nóng)業(yè)用途機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及試驗(yàn)[1,2]，得到了多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及機(jī)械臂的一些相關(guān)運(yùn)動(dòng)特性[3,4]，為連桿及機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展提供了相關(guān)的參考[5]。本文通過考慮自變量計(jì)算運(yùn)動(dòng)系數(shù)的方法結(jié)合連桿運(yùn)動(dòng)輸入?yún)?shù)，解耦模型位置方程，建立可調(diào)控制連桿位置的六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型。

圖1　可調(diào)六連桿模型圖Fig.1Adjustable six-bars linkage mechanism model

2　農(nóng)業(yè)采摘可調(diào)六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型建立

圖2　可調(diào)六連桿矢量圖Fig.2Adjustable six-bars linkage mechanism vector

兩個(gè)自由閉環(huán)連桿矢量方程公式（1）（2）可以寫為：

這里公式（1）（2）中每一矢量的第一個(gè)符號(hào)表示大小，第二個(gè)符號(hào)表示矢量方向，對(duì)于已知數(shù)量用符號(hào)^表示，未知數(shù)量用？表示，自變量用I表示，約束參數(shù)用C表示。

使用克萊默法則，第一階運(yùn)動(dòng)系數(shù)可以寫為：

3　農(nóng)業(yè)采摘可調(diào)六連桿機(jī)構(gòu)數(shù)值分析及模型修正研究

表1　機(jī)構(gòu)模型參數(shù)表Table 1 Mechanism model parameters

基于上述理論模型，根據(jù)圖2模型及表1參數(shù)對(duì)六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，這里，之間角度分別為179,252,210，。通過理論計(jì)算后修正后的模型如圖3所示，控制連桿長(zhǎng)度為17.02 cm，角度為196.2控制連桿的長(zhǎng)度和位置有約束公式限定。

圖3　修正后的模型圖Fig.3 Redesign model

圖4　連桿3在完整周期位移變化圖Fig.4 Linkage 3 complete cycle displacement

圖4為連桿3在輸入完整周期動(dòng)力后的變化情況，圖中紅線表示約束位置，三條曲線相交位置即為連桿3運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換位置，對(duì)應(yīng)的輸入連桿轉(zhuǎn)角位。

將點(diǎn)P位置移動(dòng)至D處后，在輸入連桿完整主動(dòng)一周期后連桿4,5角度變化如圖5所示。

圖5　連桿4,5在完整周期角度變化圖Fig.5 Linkage 4,5 complete cycle angle

圖6　點(diǎn)B在軌跡上曲率半徑變化圖Fig.6 The radius of curvature of the point B in track

分析圖6點(diǎn)B在軌跡上曲率半徑變化趨勢(shì)后發(fā)現(xiàn)，半徑恒定為35，且曲線的變化在θ2=71，位置處并不連續(xù)，這是由于耦合連桿4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在兩個(gè)方向改變點(diǎn)。

圖7為修正后點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)軌跡曲率中心變化曲線圖，在X軸方向曲率中心的變化范圍大于Y軸方向變化范圍，且為恒定變化。

圖7　修正后點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)軌跡曲率中心變化曲線圖Fig.7PointBchangesthetrajectorycurvatureafterredesign

圖8　修正前后機(jī)構(gòu)連桿6運(yùn)動(dòng)角度的變化曲線圖Fig.8Linkage6movementanglebefore/afterredesign

圖8比較在控制連桿運(yùn)動(dòng)角度范圍內(nèi)，修正前后機(jī)構(gòu)連桿6運(yùn)動(dòng)角度的變化區(qū)間變化情況，發(fā)現(xiàn)修正后控制連桿7的變化區(qū)間明顯增大（從增加至），連桿6的最大變化區(qū)間也較修正前增大。

4　結(jié)論

以上通過考慮自變量計(jì)算運(yùn)動(dòng)系數(shù)的方法結(jié)合連桿運(yùn)動(dòng)輸入?yún)?shù)，解耦模型位置方程，建立可調(diào)控制連桿位置的六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，并根據(jù)實(shí)際計(jì)算參數(shù)對(duì)六連桿模型進(jìn)行修正并分析修正后模型運(yùn)動(dòng)規(guī)律：

（1）通過使用引入自變量的方法可以將4x4的矩陣轉(zhuǎn)化為2x2的矩陣，提高模型計(jì)算效率；

（2）建立運(yùn)動(dòng)系數(shù)與自變量之間關(guān)系和建立運(yùn)動(dòng)系數(shù)與輸入?yún)?shù)之間關(guān)系為后續(xù)模型參數(shù)的修正提供依據(jù)；

（3）通過對(duì)六連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)修正，分析得到行模型中連桿4與連桿5的運(yùn)動(dòng)情況完全一致，耦合點(diǎn)B處的運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率半徑和曲率中心較修正前轉(zhuǎn)變?yōu)槌?shù)變化，修正后控制連桿的運(yùn)動(dòng)范圍和輸出端角度較修正前得到提高，模型整體控制能力得到提高。

[1]張忠海,李端玲.串聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的D-H四元數(shù)方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(3):299-304

[2]王俊,杜冬冬,胡金冰,等.蔬菜機(jī)械化收獲技術(shù)及其發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(2):81-87

[3]胡建平,張建,何俊藝,等.移栽機(jī)行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(10):57-61

[4]米蓉,丁國(guó)富.基于Powell-PSO混合算法的鏟運(yùn)機(jī)正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2010,26(1):28-31

[5]Gordon R P,Al I.Kinematic analysis and synthesis of an adjustable six-bar linkage[J].Mechanism and Machine Theory,2009,44:306-323

The Analysis and Structural Modification of the Adjustable Six-bars Linkage Mechanism for Agricultural Picking Base on the Kinematic Coefficient

ZHANG Kai
Department of Electromechanical and Engineering,Zhengzhou Tourism College,Zhengzhou 450009,China

To further study the motion characteristics of the adjustable six-bars linkage mechanism for the agricultural picking,this paper established the six-bars model that can be adjustable site by considering the movement argument binding link motion input parameter.The results showed that it established the relationships of the movement coefficient and the argument and input parameter by using the method of drawing into argument to improve the efficiency of the calculation model.The control rod and the output of the angle correction was improved compared to the model improved the overall control after the six-bars mechanism by parameter correction.

Agriculture picking mechanism;kinematic coefficients;adjustable six-bars linkage;structural modification

TH124

A

1000-2324(2015)02-0256-03

2013-05-23

2013--06-03

張凱(1980-),男,河南鄭州人,講師,碩士,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造、智能控制方向的研究.