指夾式甘薯移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計與仿真

申屠留芳，唐立杰，2，孫星釗，孫亞軍，2

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港 222005； 2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州 221008；3.連云港市元天農(nóng)機(jī)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(chǎn)于美洲墨西哥一帶。甘薯的營養(yǎng)十分豐富，是人們喜愛的天然滋補(bǔ)食品，其中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，被營養(yǎng)學(xué)家稱為最均衡的營養(yǎng)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(guī)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(jié)可以分為春薯和夏薯。一般春薯的種植季節(jié)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(jī)械類型按照栽植器的不同可分為導(dǎo)苗管式移栽機(jī)、吊籃式移栽機(jī)、鉗夾式移栽機(jī)、撓性圓盤式移栽機(jī)等[4-5]。這些移栽機(jī)在進(jìn)行移栽作業(yè)時均易對已經(jīng)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(jī)的關(guān)鍵部件，即指夾式栽植機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)利用仿生學(xué)原理，結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(yè)速度，來適當(dāng)調(diào)節(jié)甘薯苗栽插的傾斜度，因此對推動甘薯移栽機(jī)械化具有重大意義。

1 指夾式甘薯移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

指夾式甘薯移栽機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、指夾式栽植機(jī)構(gòu)和履帶式送苗機(jī)構(gòu)3部分組成(圖1)。其中，履帶式送苗機(jī)構(gòu)作間歇運(yùn)動。指夾式栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，曲柄1、軸10、凸輪11固聯(lián)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(jī)構(gòu)，2固定在機(jī)架上。形狀類似剪刀的指夾式機(jī)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(gòu)件[6]。

1.2 工作原理

曲柄1在傳動系統(tǒng)的帶動下旋轉(zhuǎn)，由1、2、3、4組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)開始工作。因?yàn)檫B桿3與曲柄1組成整轉(zhuǎn)副，指夾式機(jī)械手與連桿3連接成一個構(gòu)件，且曲柄1、軸10、凸輪11為一固聯(lián)整體，所以機(jī)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(zhuǎn)動，滾子轉(zhuǎn)到凸輪遠(yuǎn)休止階段時，機(jī)械手手指的末端夾緊，當(dāng)滾子轉(zhuǎn)到凸輪近休止階段時，手指末端松開，與此同時，機(jī)械手隨著連桿3作上下往復(fù)運(yùn)動[7]。

機(jī)器在進(jìn)行作業(yè)時，人站在圖1所示的機(jī)械手的左側(cè)，面對著喂苗口隨著機(jī)器一起行進(jìn)，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(jī)械手隨著連桿作上下往復(fù)和夾緊松開運(yùn)動，滾子緊貼著凸輪表面旋轉(zhuǎn)。指夾式機(jī)械手末端運(yùn)動到履帶最低點(diǎn)位置時，機(jī)械手頂端的滾子運(yùn)動到凸輪的遠(yuǎn)休止階段，2個手指的末端由張開變?yōu)殚]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(jī)械手的手指末端繼續(xù)向下運(yùn)動進(jìn)入土中，當(dāng)手指末端到達(dá)土下最低點(diǎn)時，機(jī)械手頂端的滾子運(yùn)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(diǎn)并短暫停歇，指夾式機(jī)械手再重復(fù)以上動作，如此往復(fù)。

2 指夾式栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計與運(yùn)動分析

指夾式栽植機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、通過銷軸連接在連桿上的機(jī)械手指、固聯(lián)在曲柄上的凸輪、彈簧4部分組成。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)如圖3所示，E點(diǎn)為秧苗夾持點(diǎn)。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(jī)械手指連接的點(diǎn)O距B點(diǎn)的距離BO為145 mm。搖桿CD的長度為225 mm，固定機(jī)架AD的長度為352 mm。

指夾式栽植器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，F(xiàn)OJ和GOH等2根金屬手指通過銷軸O連接在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的連桿上，設(shè)F、G兩端點(diǎn)距離O點(diǎn)的水平距離為X1，H、J兩端點(diǎn)距離O點(diǎn)的水平距離為X2，F(xiàn)、G之間的豎直距離為Y1，H、J之間的豎直距離為Y2。當(dāng)F、G兩端點(diǎn)間的垂直距離增大或減小時，則H、J兩端點(diǎn)間的垂直距離減小或增大，可推導(dǎo)出幾何公式：

結(jié)合圖3中各部件的尺寸，將X1、X2分別設(shè)計為105、420 mm，F(xiàn)、G兩點(diǎn)間的最大垂直距離Y1max=60 mm，甘薯秧苗夾持端H、J兩端點(diǎn)間的最大垂直距離為Y2max=45 mm。為了防止作業(yè)時HJ端夾持力過大，造成甘薯秧苗的損傷，則根據(jù)甘薯秧苗的形狀特點(diǎn)，得到H、J兩端點(diǎn)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(diǎn)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(nèi)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(jī)構(gòu)在整個運(yùn)動循環(huán)過程中的運(yùn)動特性，下面對栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行分析。由于E點(diǎn)是秧苗夾持點(diǎn)，因此，對E點(diǎn)運(yùn)動情況的把握尤其重要。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡圖的基礎(chǔ)上建立1個直角坐標(biāo)系A(chǔ)xy，標(biāo)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(zhuǎn)動，開始轉(zhuǎn)動時曲柄與機(jī)架間的角度為α。

由于圖中ABCD為封閉的四邊形，根據(jù)矢量的特點(diǎn)得到：

改寫成復(fù)數(shù)形式為：

aeiα+beiψ=d+ceiβ。

根據(jù)數(shù)學(xué)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(dǎo)，得到：

aω1eiα+bω2eiψ=cω3eiβ。

先把此式的虛部和實(shí)部分離，再聯(lián)立便可求出角速度ω2和ω3，解得：

再將aω1eiα+bω2eiψ=cω3eiβ對時間t求導(dǎo)，得到：

同樣，將上式的虛部和實(shí)部分離，聯(lián)立解得角加速度ε2、ε3：

把上式對時間t進(jìn)行一次求導(dǎo)和二次求導(dǎo)后，再整理得出E點(diǎn)的速度和加速度的矢量表達(dá)式，即：

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

3 指夾式栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真及凸輪輪廓曲線的確定

3.1 指夾式栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真

利用軟件UG[9]對栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并將各部分進(jìn)行裝配。將秧苗夾持端標(biāo)記為A001，然后定義曲柄AB為驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為-720 °/s，即逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為120 r/min。求解時，將運(yùn)動時間定義為1 s，完成后，便可播放栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動動畫。如圖6所示為整機(jī)相對地面靜止，僅栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)時的仿真運(yùn)動，虛線即為指夾式機(jī)械手夾持端的運(yùn)動軌跡。機(jī)械手末端從a點(diǎn)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(jìn)入壟土中。當(dāng)機(jī)械手末端到達(dá)最低點(diǎn)b時，機(jī)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(jī)械手循著運(yùn)動軌跡移出土中，再重復(fù)上述動作。

以圖6中所示坐標(biāo)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(yùn)動時機(jī)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(shí)線表示X軸，虛線表示Y軸。從圖7-a中可以得出，A001運(yùn)動軌跡ab段在Y軸方向上的運(yùn)動距離約為130 mm。所以，可根據(jù)甘薯秧苗需要的栽植深度來調(diào)整履帶和機(jī)械手距離地面的高度。

指夾式甘薯移栽機(jī)在進(jìn)行移栽作業(yè)時的行進(jìn)方向?yàn)閄軸的負(fù)方向，即圖中向左運(yùn)動，甘薯秧苗的栽插過程是2個運(yùn)動的合成運(yùn)動。給定移栽機(jī)的行進(jìn)速度為1.8 km/h，曲柄AB的轉(zhuǎn)速仍為120 r/min，作出機(jī)械手在行進(jìn)作業(yè)中的運(yùn)動軌跡仿真如圖8所示。在此條件下作業(yè)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(jī)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(jī)的行進(jìn)速度、曲柄AB的轉(zhuǎn)速、機(jī)架AD與地面的角度來適當(dāng)調(diào)節(jié)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(yùn)動周期的1/4，根據(jù)指夾式機(jī)械手的工作原理可以得出凸輪遠(yuǎn)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(biāo)S表示滾子直動從動件的位移，橫坐標(biāo)θ表示凸輪轉(zhuǎn)角，從動件上升的最大距離h=5 mm。

4 結(jié)論

整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用履帶式送苗機(jī)構(gòu)和指夾式栽植機(jī)構(gòu)相互協(xié)作的方式，提高了作業(yè)效率。同時，創(chuàng)造性地將凸輪、四桿機(jī)構(gòu)、剪刀機(jī)構(gòu)相結(jié)合，并通過分析、運(yùn)動仿真得出以下結(jié)論：

利用圓柱凸輪和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制的指夾式機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和生產(chǎn)成本，對甘薯機(jī)械化移栽的推廣有重要意義。

對設(shè)計出的指夾式機(jī)械手運(yùn)用虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真，從仿真結(jié)果來看，行進(jìn)作業(yè)時指夾式機(jī)械手插入土中和移出土中的軌跡近乎重合，避免了對已經(jīng)覆在苗床上的塑料薄膜造成破壞。此外，還可以根據(jù)需要來適當(dāng)調(diào)整機(jī)架與地面的高度、角度，行進(jìn)速度等，從而改變甘薯的移栽深度、株距、傾斜度等。