基于五桿機(jī)構(gòu)的丹參膜上移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐高偉 劉宏新 薦世春 史 嵩 何騰飛

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100)

0 引言

丹參是我國常用大宗藥材之一，年需求量5.2萬t且用量逐年增加[1-2]。在丹參種植過程中，移栽是其重要環(huán)節(jié)，丹參種植的勞動(dòng)力成本占丹參種植總成本50%以上[3]。山東省丹參種植方式以山東省農(nóng)業(yè)主推技術(shù)“丹參大壟雙行覆膜高效生產(chǎn)技術(shù)”為基礎(chǔ)，采用大壟膜上移栽的栽培模式，要求丹參種苗與壟面線的夾角不低于80°，以增加丹參扎根深度，提高丹參產(chǎn)量[4]。然而，由于丹參移栽機(jī)械化配套工作起步較晚，針對上述種植模式的丹參移栽幾乎全部由人工完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率和質(zhì)量低，而且立苗率難以保證[5-7]。

目前，市面上膜上移栽機(jī)構(gòu)主要以移栽蔬菜[8]、煙草[9]等作物的缽苗移栽為主，而丹參育苗方式采用傳統(tǒng)的作畦越冬育苗，移栽方式為裸苗移栽，沒有缽體支撐，移栽后在穴中姿態(tài)不確定，極易倒伏；另外，丹參種苗長度約為200 mm，根莖長度約為150 mm，質(zhì)量較輕，根莖細(xì)長。由于丹參種苗的植株形態(tài)與蔬菜、煙草缽苗相差較大，蔬菜、煙草等膜上移栽機(jī)構(gòu)的鴨嘴栽植器與丹參種苗的匹配程度較低，降低了丹參移栽質(zhì)量[10]；丹參種苗移栽深度為150 mm，遠(yuǎn)超過蔬菜、煙草等作物，現(xiàn)有膜上移栽機(jī)的軌跡升程無法滿足丹參移栽。而以丹參裸苗以及丹參栽培模式為移栽對象和農(nóng)藝要求的丹參專用移栽機(jī)和移栽機(jī)構(gòu)尚未見相關(guān)報(bào)道。

針對以上情況，本文結(jié)合“丹參大壟雙行覆膜高效生產(chǎn)技術(shù)”提出的農(nóng)藝要求，同時(shí)針對丹參種苗裸苗機(jī)械化移栽的立苗率問題設(shè)計(jì)一種五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)丹參移栽的農(nóng)藝要求，提高鴨嘴栽植器與丹參種苗的匹配程度，保證丹參裸苗移栽的大升程軌跡、作業(yè)質(zhì)量和立苗率要求，同時(shí)為五桿機(jī)構(gòu)在特定約束條件下的參數(shù)優(yōu)選探索有效的方法。

1 栽植器端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析與機(jī)構(gòu)選擇

1.1 栽植器端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為保證丹參種苗裸苗機(jī)械化移栽的立苗率，根據(jù)陳建能等[11]提出的保證立苗率的新思路，以鴨嘴栽植器為末端執(zhí)行器的膜上移栽機(jī)構(gòu)在移栽丹參種苗時(shí)，丹參種苗落入穴中時(shí)應(yīng)保持與壟面的垂直狀態(tài)。

為確保上述垂直狀態(tài)，鴨嘴栽植器在退穴過程中應(yīng)盡量與壟面垂直，在鴨嘴栽植器退穴后，丹參種苗與其完全脫離之前沿移栽機(jī)構(gòu)作業(yè)速度前進(jìn)方向略微傾斜，根據(jù)丹參種苗與壟面線不低于80°的立苗率要求，傾斜角度不超過10°，即這一過程中鴨嘴栽植器與壟面線夾角不低于80°，以防止丹參種苗被栽植器推倒。這樣在后續(xù)的覆土和鎮(zhèn)壓作用下，丹參種苗就會靠到沿移栽機(jī)前進(jìn)方向一側(cè)的穴口壁面，以保證立苗率。

相對和絕對運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示，絕對軌跡由鴨嘴栽植器端點(diǎn)相對機(jī)架的相對運(yùn)動(dòng)軌跡與機(jī)具水平方向運(yùn)動(dòng)軌跡合成。丹參種苗移栽深度為150 mm，株距為200 mm，為滿足丹參移栽的農(nóng)藝要求同時(shí)保證立苗率和升程要求，其絕對軌跡應(yīng)滿足：①絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1，即移栽深度為150 mm。②鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)軌跡與壟面線的夾角β1盡量接近90°。③單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l，即入土、出土軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離越小越好。④由于丹參植株在壟面線上露出的長度為50 mm，出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1不低于80°。⑤絕對軌跡升程h不低于300 mm。

圖1 鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡分析Fig.1 End point trajectory analysis of duckbill planting apparatus

1.2 機(jī)構(gòu)選擇

五桿機(jī)構(gòu)是具有多自由度最簡單的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)相對穩(wěn)定，具有較多的尺寸和角度參數(shù)、不同的驅(qū)動(dòng)方式及傳動(dòng)比，可實(shí)現(xiàn)豐富的曲線軌跡，因此采用五桿機(jī)構(gòu)作為栽植器端點(diǎn)軌跡的形成機(jī)構(gòu)[12]。

對于五桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的求解，當(dāng)前主要采用解析法與軟件相結(jié)合的方法。馬良等[13]由ADAMS軟件建立參數(shù)化模型，尋求連架桿輸出軌跡的改變規(guī)律；方芳[14]借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，研制了齒輪五桿機(jī)構(gòu)的軌跡曲線生成系統(tǒng)；陶軍等[15]經(jīng)過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了圖解法與解析法相結(jié)合是確定齒輪五桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的有效方法；何小晶等[16]對五桿式移栽機(jī)構(gòu)建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并進(jìn)行了參數(shù)分析。

以上研究皆從單一機(jī)構(gòu)角度對五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論研究，未考慮機(jī)構(gòu)應(yīng)用時(shí)所處的實(shí)際工況環(huán)境以及五桿機(jī)構(gòu)自由運(yùn)動(dòng)的約束條件。而本文所面對的工程實(shí)際問題中，在丹參移栽機(jī)構(gòu)軌跡的大升程要求、移栽機(jī)構(gòu)的空間約束條件以及五桿機(jī)構(gòu)自由運(yùn)動(dòng)的基本約束條件下，如何得到滿足丹參移栽農(nóng)藝要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)組合是需要解決的首要問題。在建立約束條件和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合Matlab建立的輔助界面對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、軌跡繪制，尋求區(qū)域軌跡特性，并研究關(guān)鍵參數(shù)對軌跡的影響規(guī)律，根據(jù)機(jī)構(gòu)軌跡的要求優(yōu)選機(jī)構(gòu)參數(shù)，以滿足丹參移栽的農(nóng)藝和大升程要求。

2 工作原理與模型建立

2.1 工作原理

五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示，為便于機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)置雙曲柄的傳動(dòng)比為1，即本文主要針對等速雙曲柄五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。曲柄OD與AB為原動(dòng)件，以相同轉(zhuǎn)速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿BL和DE擺動(dòng)，栽植器FG與連桿DE以一定角度固連并在DE帶動(dòng)下進(jìn)行移栽。

圖2 五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of five-bar transplanting mechanism of Salvia miltiorrhiza

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型Fig.3 Mathematical model of five-bar transplanting mechanism of Salvia miltiorrhiza

2.2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

D點(diǎn)的位移方程為

(1)

B點(diǎn)的位移方程為

(2)

根據(jù)矢量方程lOA+lAB+lBL=lOD+lDL可得L點(diǎn)的位移方程為

(3)

令

(4)

(5)

將θ3代入式(3)可求出θ4。

C點(diǎn)的位移方程為

(6)

E點(diǎn)的位移方程為

(7)

F點(diǎn)的位移方程為

(8)

G點(diǎn)的位移方程為

(9)

對式(9)求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，即可得鴨嘴栽植器底端點(diǎn)G的速度和加速度方程[16]。

2.2.2空間約束條件

為保證機(jī)構(gòu)在整機(jī)安裝及作業(yè)時(shí)與其他機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉、碰撞，將機(jī)構(gòu)布置為空間結(jié)構(gòu)，其空間限制如圖4所示。

(1)機(jī)架高度H1：為保證作業(yè)時(shí)丹參種苗順利落入鴨嘴栽植器，要求機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的最高位置C′小于機(jī)架的高度，由圖4可知，機(jī)架高度需滿足

H1=H+l2+l1sinθ1+δ

(10)

式中δ——機(jī)構(gòu)最高點(diǎn)位置距離機(jī)架的高度，mm

圖4 五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)空間限制邊界條件Fig.4 Boundary conditions of five-bar transplanting mechanism of Salvia miltiorrhiza

(2)O點(diǎn)距離壟面線的高度H：為保證機(jī)具具有良好的通過性，要求H大于l5與E′距壟面線距離之和，即

H>l5+δ1

(11)

式中δ1——E′距離壟面線距離，mm

(3)移栽深度H3取值為150 mm。

(4)F點(diǎn)相對軌跡可行域的長度與高度L1、H2：本文設(shè)定L1為600 mm；H2為O點(diǎn)到移栽最深處的距離

H2=H+H3

(12)

(5)栽植器端點(diǎn)G與O點(diǎn)的初始水平距離L：在移栽過程中，要求該值在一定范圍內(nèi)越小越好。在l2、l5不變的情況下，可通過調(diào)節(jié)l3、l4和l9減小L。

根據(jù)市場上一般移栽機(jī)機(jī)架的高度[17]，設(shè)定H1=720 mm，而移栽機(jī)構(gòu)最下端E′與壟面線的距離應(yīng)大于E點(diǎn)與壟面線的距離，取δ1>l7-H3，0<δ<10 mm，經(jīng)分析可得

(13)

本文設(shè)定移栽機(jī)構(gòu)機(jī)架初始長度l1和安裝角度為290 mm和45°，根據(jù)機(jī)構(gòu)軌跡升程不低于300 mm的要求，得到兩曲柄以及初始安裝角度的取值范圍

(14)

2.2.3基本約束條件

設(shè)計(jì)的五桿機(jī)構(gòu)屬于雙曲柄型，雙曲柄均為勻速轉(zhuǎn)速，為使機(jī)構(gòu)形成完整封閉的運(yùn)動(dòng)軌跡，五桿機(jī)構(gòu)各尺寸參數(shù)需要滿足雙曲柄存在的必要條件，必要條件是指兩原動(dòng)件按一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律作整周運(yùn)動(dòng)時(shí)，五桿機(jī)構(gòu)在每一時(shí)刻都滿足裝配條件[18-23]。

(1)五桿機(jī)構(gòu)裝配條件

五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型見圖3，其裝配條件可表示為

(15)

式中l(wèi)BDmax、lBDmin——鉸接點(diǎn)B與D距離的最大值和最小值

令x=max(l3，l10)，y=min(l3，l10)，則有

(16)

化簡可確定l3、l10取值范圍為

(17)

(2)雙曲柄存在必要條件

由運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可得機(jī)構(gòu)B點(diǎn)和D點(diǎn)坐標(biāo)，曲柄AB和OD以相同角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，BD之間的距離lBD的幾何關(guān)系為

(18)

(19)

式(19)是對時(shí)間t的非線性方程，借助Matlab搜索極值可能出現(xiàn)的范圍，再利用fmin函數(shù)求出lBD的極值lBDmax和lBDmin。將lBDmax和lBDmin代入式(15)可得到l3和l10范圍。

根據(jù)機(jī)構(gòu)空間約束條件，初定l1=290 mm、l2=80 mm、l5=70 mm、θ1=45°、θ2=97°、θ5=118°，結(jié)合上述求解過程，得到l3和l10的取值范圍

(20)

初定五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)值為：l1=290 mm、l2=70 mm、l3=120 mm、l4=220 mm、l5=60 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=45°、θ2=97°、θ5=118°、θ7=90°、θ8=90°。

2.3 人機(jī)交互可視化輔助界面

在上述建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用Matlab編寫五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)人機(jī)交互可視化輔助界面(軟件著作權(quán)登記號：2017SR663379)，如圖5所示。

圖5 五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)人機(jī)交互可視化輔助界面Fig.5 Human-computer visual interface of five-bar transplanting mechanism of Salvia miltiorrhiza

該界面包括圖像顯示區(qū)、參數(shù)范圍確定區(qū)、參數(shù)輸入?yún)^(qū)、控制面板區(qū)、速度和加速度分析區(qū)以及結(jié)果輸出區(qū)。通過該界面可先確定機(jī)構(gòu)參數(shù)的基本取值范圍，根據(jù)參數(shù)取值范圍調(diào)整各參數(shù)，在圖像顯示區(qū)中進(jìn)行直觀定性的識別判斷，在結(jié)果輸出區(qū)定量比較分析，對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到符合丹參移栽農(nóng)藝要求的軌跡。

3 軌跡區(qū)域分布特性與變化規(guī)律分析

3.1 軌跡區(qū)域定位

通過輔助界面模擬仿真發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)不變的前提下，當(dāng)DE與FG的夾角θ7取值不同時(shí)，軌跡的形狀、大小及位置都會發(fā)生改變，圖6為θ7在[0°，180°]內(nèi)變化的各位置軌跡特性。區(qū)域1為θ7在[0°，80°)的各位置軌跡特性；區(qū)域2為θ7在[80°，100°]的各位置軌跡特性；區(qū)域3為θ7在(100°，180°]的各位置軌跡特性。

圖6 區(qū)域軌跡特性Fig.6 Regional trajectory characteristics

根據(jù)軌跡長軸與水平方向的夾角，將軌跡分為3個(gè)區(qū)域。區(qū)域軌跡的變化規(guī)律為，θ7從0°到180°軌跡先向左側(cè)傾斜然后再向右側(cè)傾斜；長短軸比值逐漸變小；軌跡下端點(diǎn)在豎直方向上的區(qū)域范圍變化呈一開口向上的拋物線。以區(qū)域2中軌跡為基準(zhǔn)進(jìn)行分析，區(qū)域1中軌跡向左側(cè)傾斜，且長短軸比值較大，另結(jié)合實(shí)際移栽位置，區(qū)域1中的軌跡區(qū)域不符合要求；區(qū)域2中軌跡長軸方向與水平方向近似垂直，在θ7取90°時(shí)垂直度最好，軌跡區(qū)域下端點(diǎn)在豎直方向達(dá)到最大且長短軸比值較大但低于區(qū)域1；區(qū)域3中軌跡向右傾斜，軌跡區(qū)域向上方移動(dòng)，長短軸比值逐漸縮小。

為滿足丹參移栽的可行域要求，選擇區(qū)域2中的軌跡特性作為目標(biāo)。而對應(yīng)θ7取值需結(jié)合后續(xù)軌跡分析進(jìn)行判斷和驗(yàn)證。

3.2 栽植器端點(diǎn)軌跡的變化規(guī)律分析

運(yùn)用人機(jī)交互可視化輔助界面，通過改變五桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)得到相應(yīng)的栽植器端點(diǎn)軌跡，根據(jù)輔助界面輸出的軌跡參數(shù)結(jié)果，分析關(guān)鍵參數(shù)對相對和絕對軌跡的影響。

3.2.1l2與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變曲柄AB的長度l2，l2與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 l2與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between l2 and endpoint of trajectory

由圖7可知，隨著l2逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸向左側(cè)傾斜，長短軸比值逐漸增大；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸增大，鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1逐漸減??；單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l逐漸減?。怀鐾淋壽E從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1逐漸增大。

3.2.2l5與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變曲柄OD的長度l5，l5與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，隨著l5逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸向右側(cè)傾斜，長短軸比值逐漸減??；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸減小，鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1逐漸增大，單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l逐漸減?。怀鐾淋壽E從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1逐漸減小。

圖8 l5與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between l5 and endpoint of trajectory

3.2.3θ2與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變曲柄AB的初始安裝角度θ2，θ2與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 θ2與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between θ2 and endpoint of trajectory

由圖9可知，隨著θ2逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸向左側(cè)傾斜，長短軸比值逐漸減??；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡中入土和出土軌跡發(fā)生交叉，變?yōu)槔@扣型軌跡，絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1先減小后增大，但變化量較??；鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1逐漸減小；單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l先減小后增大；出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1先減小后增大，但變化量較小。

3.2.4θ5與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變曲柄OD的初始安裝角度θ5，θ5與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖10所示。

由圖10可知，隨著θ5逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸向右側(cè)傾斜，長短軸比值逐漸增大；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡中入土和出土軌跡發(fā)生交叉，變?yōu)槔@扣型軌跡，絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1先減小后增大，但變化量較小；鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1逐漸增大；單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l先減小后增大；出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1先減小后增大。

圖10 θ5與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between θ5 and endpoint of trajectory

3.2.5l3與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變連桿BL的長度l3，l3與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 l3與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between l3 and endpoint of trajectory

由圖11可知，隨著l3逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡形狀、大小都不變，僅位置發(fā)生變化；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸增大；鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1基本不變；單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l逐漸增大；出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1逐漸減小。

3.2.6l10與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變鉸接點(diǎn)D和L的距離l10，l10與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖12所示。

圖12 l10與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.12 Relationship between l10 and endpoint of trajectory

由圖12可知，隨著l10逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡形狀不變，軌跡大小和位置發(fā)生變化；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸減?。圾喿煸灾财髟诨爻踢^程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1逐漸增大；單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l逐漸增大；出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1逐漸減小。

3.2.7θ1與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變機(jī)架安裝角度θ1，θ1與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖13所示。

圖13 θ1與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.13 Relationship between θ1 and endpoint of trajectory

由圖13可知，隨著θ1逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡形狀、大小都不變，僅位置發(fā)生變化；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸減??；鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1逐漸增大；單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l逐漸減??；出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1先增大后減小。

3.2.8θ7與端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變栽植器FG與連桿DE的夾角θ7，θ7與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖14所示。

圖14 θ7與栽植器端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系Fig.14 Relationship between θ7 and endpoint of trajectory

由圖14可知，隨著θ7逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)軌跡形狀不變，位置和大小發(fā)生變化；絕對運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1先增加后減小，90°時(shí)h1達(dá)到最大；鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1基本不變；單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l逐漸增大；出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1逐漸減小。

3.3 數(shù)值循環(huán)比較優(yōu)選

上述機(jī)構(gòu)參數(shù)對栽植器端點(diǎn)絕對軌跡參數(shù)h1、β1、l、α1的影響見表2。

表2 l2、l5、θ2、θ5、l3、l10、θ1、θ7對栽植器端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)的影響Tab.2 Influence of l2, l5, θ2, θ5, l3, l10, θ1 and θ7 on absolute motion trajectory parameters of planting apparatus endpoint

條件約束及參數(shù)優(yōu)選流程如圖15所示，圖中虛線框所示為數(shù)值循環(huán)比較進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選的過程。優(yōu)選的依據(jù)為：移栽深度h1最接近150 mm；鴨嘴栽植器在回程過程中端點(diǎn)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的夾角β1最接近90°；出土軌跡從壟面線至豎直向上50 mm之間的軌跡與壟面線所呈夾角α1不低于80°，且越接近90°越好；入土、出土軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l越小越好。

圖15 條件約束關(guān)系及參數(shù)優(yōu)選流程Fig.15 Flow chart of conditions constraint and parameters solution

根據(jù)參數(shù)優(yōu)選流程圖，最終優(yōu)選出一組滿足丹參移栽農(nóng)藝要求的五桿式移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)組合：l1=290 mm、l2=100 mm、l3=120 mm、l4=231 mm、l5=60 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=45°、θ2=90°、θ5=114°、θ7=90°、θ8=90°，輔助界面輸出的相對和絕對運(yùn)動(dòng)軌跡如圖16所示，其對應(yīng)的絕對軌跡參數(shù)為：h1為150.3 mm、β1為90.2°、l為22.3 mm、α1為82.3°、h為345.6 mm。

圖16 滿足丹參農(nóng)藝要求的栽植器端點(diǎn)軌跡Fig.16 Endpoint trajectories of planting apparatus to meet agronomic requirements of Salvia miltiorrhiza

4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

4.1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)三維模型如圖17所示，由雙曲柄五桿機(jī)構(gòu)、鴨嘴栽植器、凸輪控制機(jī)構(gòu)和扇形平衡配重組成。

雙曲柄五桿機(jī)構(gòu)控制鴨嘴栽植器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行接苗和移栽；鴨嘴栽植器是進(jìn)行移栽的末端執(zhí)行裝置，負(fù)責(zé)將丹參種苗植入鴨嘴栽植器形成的穴中；凸輪控制機(jī)構(gòu)控制鴨嘴栽植器開閉使丹參種苗由栽植器進(jìn)入穴中；平衡配重用于平衡移栽機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩。

圖17 五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)三維模型Fig.17 Three-dimensional model of five-bar transplanting mechanism of Salvia miltiorrhiza1.平衡配重 2.雙曲柄五桿機(jī)構(gòu) 3.鴨嘴栽植器 4.凸輪控制機(jī)構(gòu)

為提高鴨嘴栽植器與丹參種苗的匹配度，鴨嘴栽植器的相關(guān)參數(shù)根據(jù)丹參種苗植株形態(tài)參數(shù)確定。隨機(jī)選取50株同一適栽期內(nèi)的紫花丹參種苗，運(yùn)用LA-S系列植物圖像分析儀依次測量其植株形態(tài)參數(shù)，如圖18所示。

圖18 LA-S系列植物圖像分析儀系統(tǒng)提取的圖像Fig.18 Picture extracted by LA-S image processing system for plant

圖中θr——株形錐角，(°)

ln——根長度，mm

d——根直徑，mm

lm——植株總長度，mm

b——植株幅寬，mm

測量結(jié)果如表3所示。

表3 丹參植株形態(tài)測量數(shù)據(jù)Tab.3 Measurement data of plant morphology of Salvia miltiorrhiza

由表3中的數(shù)據(jù)可得，栽植器鴨嘴總長度不低于植株總長度的最大值，選為212 mm；栽植器鴨嘴的錐角角度不低于株形錐角的最大值16.7°，選為17°；鴨嘴栽植器開口開度不低于植株幅寬的最大值81.2 mm，選為82 mm。

4.2 臺架試驗(yàn)

臺架試驗(yàn)是通過測量機(jī)構(gòu)栽植器端點(diǎn)形成的實(shí)際軌跡情況，以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性以及人機(jī)交互可視化輔助界面的可靠性。

樣機(jī)和試驗(yàn)平臺如圖19所示。試驗(yàn)平臺由五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)、YSJ-750型調(diào)速電動(dòng)機(jī)(減速比：1∶15)、JAC580N型變頻器(供電電壓：380 V)、SJM12-10P1型霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器(最大檢測距離：10 mm)、160K-C-8GB型高速攝像機(jī)(2 000 f/s)、HHZ1型數(shù)顯轉(zhuǎn)速表(供電電壓：220 V)組成。

圖19 試驗(yàn)平臺Fig.19 Test platform1.計(jì)算機(jī) 2.變頻柜 3.數(shù)顯轉(zhuǎn)速表 4.機(jī)架 5.調(diào)速電動(dòng)機(jī) 6.移栽機(jī)構(gòu) 7.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 8.高速攝像機(jī)

通過高速攝像機(jī)測量五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)樣機(jī)實(shí)際相對運(yùn)動(dòng)軌跡，以便與軟件仿真進(jìn)行對比。利用高速攝像系統(tǒng)得到機(jī)構(gòu)實(shí)際相對運(yùn)動(dòng)軌跡如圖20所示。圖16a理論相對運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際相對運(yùn)動(dòng)軌跡相比基本一致，驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。

圖20 移栽機(jī)構(gòu)實(shí)際測量的相對運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.20 Actual measurement relative motion of transplanting mechanism

4.3 田間試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證移栽機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)的正確性，試制了搭載五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)的丹參膜上移栽機(jī)樣機(jī)。該機(jī)采用25 kW輪式拖拉機(jī)牽引，其作業(yè)速度為0.25 m/s，根據(jù)上述作業(yè)條件對移栽機(jī)進(jìn)行重復(fù)性田間試驗(yàn)，試驗(yàn)在山東省農(nóng)科院藥用植物研究中心實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，如圖21所示。

圖21 田間移栽試驗(yàn)Fig.21 Field transplanting test

4.3.2試驗(yàn)方法與設(shè)備

試驗(yàn)采用育苗基地培育的紫花丹參種苗進(jìn)行大壟膜上移栽試驗(yàn)，按照我國旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 10291—2013)進(jìn)行，每次重復(fù)試驗(yàn)移栽200株丹參種苗，重復(fù)3次。丹參種苗平均長度約為200 mm，主莖的平均長度約為150 mm，記錄并測定旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的主要性能指標(biāo)，其中丹參移栽的立苗程度以移栽后丹參種苗主莖與壟面的夾角α來判定：α≤45°為倒伏，α>45°為合格，α>80°為優(yōu)秀[23]。

試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置包括：187-101型數(shù)顯角尺(量程：0～360°)、卷尺(量程：1～3 m)、標(biāo)桿和計(jì)時(shí)器等。

4.3.3試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)結(jié)果如表5和表6所示。

表5 丹參種苗立苗率測量數(shù)據(jù)Tab.5 Measurement data of seedling erectness rate of Salvia miltiorrhiza

表6 主要移栽性能測量數(shù)據(jù)Tab.6 Measurement data of main transplanting performance

表5為丹參種苗田間立苗率測量數(shù)據(jù)，立苗合格率平均值為97.3%，滿足旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的立苗率要求，立苗優(yōu)良率平均值為94%，滿足丹參裸苗移栽的立苗率要求；表6為主要移栽性能測量數(shù)據(jù)，移栽性能滿足旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能指標(biāo)，漏栽率平均值為2.5%，倒伏率平均值為2.7%，造成漏栽的原因是部分丹參種苗長有較多須根，在回程過程中鴨嘴栽植器閉合時(shí)夾住須根回帶丹參種苗而引起了漏苗和倒伏；株距變異系數(shù)平均值為6.5%，是由于機(jī)器作業(yè)速度發(fā)生波動(dòng)而引起；栽植深度合格率平均值為94.6%，究其原因是移栽試驗(yàn)田地形起伏以及起壟高度誤差造成。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)丹參移栽的農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了一種五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)，并建立了機(jī)構(gòu)所處工況的約束條件、自由運(yùn)動(dòng)約束條件。結(jié)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型采用Matlab開發(fā)了人機(jī)交互可視化輔助界面，通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行軌跡區(qū)域定位分析，并獲得了機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對鴨嘴栽植器相對和絕對運(yùn)動(dòng)軌跡特性的影響規(guī)律。

(2)借助輔助界面運(yùn)用軌跡區(qū)域定位和數(shù)值循環(huán)比較法，優(yōu)選出了一組滿足丹參種苗移栽農(nóng)藝要求，同時(shí)保證丹參立苗率的機(jī)構(gòu)參數(shù)組合：l1=290 mm、l2=100 mm、l3=120 mm、l4=231 mm、l5=60 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=45°、θ2=90°、θ5=114°、θ7=90°、θ8=90°。

(3)運(yùn)用LA-S系列植物圖像分析系統(tǒng)對丹參種苗植株形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行了測量，根據(jù)特征參數(shù)得到了栽植器鴨嘴的設(shè)計(jì)參數(shù)：鴨嘴總長度為212 mm；鴨嘴錐形錐角為17°；鴨嘴開口開度為82 mm。

(4)研制樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)立苗合格率為97.3%、立苗優(yōu)良率為94.0%、漏栽率為2.5%、株距變異系數(shù)為6.5%、栽植深度合格率為94.6%，滿足丹參種苗裸苗膜上移栽的農(nóng)藝要求、作業(yè)質(zhì)量和立苗率要求。