一种混联六杆钵苗取栽一体化机构及其优化设计方法

1.本发明涉及农业机械设备技术领域，尤其涉及一种混联六杆钵苗取栽一体化机构及其优化设计方法。


背景技术：

2.全自动蔬菜钵苗移栽机械的设计研究是解决蔬菜大面积种植、提高移栽效率和降低成本的关键。目前全自动蔬菜钵苗移栽机的移栽装置由取苗部件和植苗部件构成，存在机械结构较复杂、移栽动作的完成需要多个部件协调配合和成本较高等。通过一套机械部件完成移栽动作可以使移栽机结构更简单、工作更加可靠和成本更低，但是目前设计出取栽一体化机构的难度较大。
3.欧美国家所研究的全自动蔬菜钵苗移栽机主要通过机、电和气的结合实现取苗工作，其结构较为复杂，日本洋马公司所研发的全自动移栽机采用连杆—滑槽机构实现取苗轨迹，并与植苗机构配合完成移栽工作；浙江理工大学研发的全自动蔬菜钵苗移栽机通过行星轮系非圆齿轮取苗机构和植苗机构配合工作实现取苗和植苗，其中取苗机构和植苗机构通过非圆齿轮不等速传动实现取苗和植苗所需的运动轨迹，结构简单，移栽效率高，工作稳定性好，但是取苗和植苗运动轨迹相对较为简单，这就造成取苗臂的运动相对来说并不是特别的灵活，导致取苗机构的取苗效果不理想，很难设计出符合取栽一体要求的移栽轨迹。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种混联六杆钵苗取栽一体化机构及其优化设计方法，以解决现有全自动移栽机无法实现取栽一体化的问题，为全自动蔬菜钵苗移栽装备的研发提供了新的选择。
5.基于上述目的，本发明提供了一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，包括：
6.机架组件，所述机架组件包括机架，所述第一电机单元固定在机架上；
7.曲柄摇杆机构，所述曲柄摇杆机构包括连杆，所述连杆靠近机架组件的一侧上转动安装有摇杆和曲柄，所述摇杆另一端固定有连接轴，曲柄的另一端通过动力轴转动固定在机架上，所述连接轴转动固定在机架上，；
8.第一电机单元，所述第一电机单元包括第一电机，所述第一电机和曲柄转动固定在机架上的一端同轴连接，用于驱动曲柄转动，所述曲柄的一端与连杆构成转动副，连杆的另一端与摇杆构成转动副；
9.行星轮系组件，所述行星轮系组件包括壳体，所述壳体上转动安装有行星轴、中间轴和输入轴，行星轴和输入轴分别位于中间轴的两侧，且凸出壳体，所述行星轴上固定有行星轮，输入轴上固定有太阳轮，中间轴上转动安装有第一中间轮和第二中间轮，行星轮、第一中间轮、第二中间轮和太阳轮均位于壳体的内部；
10.第二电机单元，所述第二电机单元包括第二电机，所述第二电机固定在连杆上，用
于驱动输入轴转动；
11.取苗臂，所述取苗臂包括移栽凸轮，所述移栽凸轮一端固定在壳体上，另一端延伸至外壳内部，且延伸至外壳内部的一端设置有拨动缺口，所述行星轴凸出壳体后穿过移栽凸轮固定在外壳上，所述外壳内部设置有弹簧座和拨杆，所述拨杆的一端安装在弹簧座内，另一端延伸至外壳外部并固定有推苗块，所述外壳内固定有和拨杆垂直的转动销，所述转动销上转动安装有拨杆，拨杆的一端铰接在弹簧座上，另一端延伸至拨动缺口内，所述秧针和推苗杆平行设置，并且沿推苗杆对称设置有两组，秧针一端铰接在外壳上，另一端穿过推苗块。
12.所述行星轴和输入轴转动安装在壳体上，中间轴固定在壳体内侧，所述第一中间轮和太阳轮啮合连接，第二中间轮和行星轮啮合连接，所述行星轮、第一中间轮、第二中间轮和太阳轮均为非圆齿轮，第一中间轮与第二中间轮固接，并通过中间轴与壳体形成转动副，行星轴与壳体形成转动副，输入轴凸出壳体后转动安装在连杆上。
13.进一步地，所述机架组件还包括有固定在机架上的转动轴承座和轴承座，所述曲柄转动固定在轴承座上，所述连接轴转动固定在转动轴承座上。
14.进一步地，所述转动轴承座对称设置有两组。
15.进一步地，所述第一电机通过安装板固定在机架上，所述第一电机的转动轴上固定有联轴器，所述联轴器和动力轴同轴连接。
16.进一步地，所述壳体侧面上固定有转动轴承，所述行星轴和输入轴固定在转动轴承上，通过转动轴承转动安装在壳体上。
17.进一步地，所述第二电机单元还包括有固定在连杆上的l形板件，所述第二电机固定在l形板件上，第二电机的转动轴同轴连接有主动锥齿轮，输入轴同轴连接有从动锥齿轮，主动锥齿轮和从动锥齿轮啮合连接。
18.进一步地，所述第一电机和第二电机均为减速电机。
19.进一步地，所述外壳靠近弹簧座的侧面上设置有缺口，且缺口由可拆卸的顶盖封堵。
20.本发明另外还提供一种混联六杆钵苗取栽一体化机构优化设计方法，所述设计方法适用于上述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，优化方法的步骤包括：
21.s1：构建混联六杆机构的设计模型；
22.将取苗臂等效为l7，太阳轮旋转中心到行星轮旋转中心连线等效为l6，连杆和太阳轮旋转中心连线为l5，取苗臂和壳体的装配关系等效为l7，和l6铰接于e点，壳体与连杆的装配关系等效为l6，和l5铰接于d点，曲柄摇杆机构中曲柄l1和机架l4铰接于o点，曲柄l1和连杆l2铰接于a点，连杆l2和摇杆l3铰接于b点，摇杆l3和机架l4铰接于c点，l7的外端端点g等效为秧针的头部尖点；
23.将所有角度均定义为逆时针为正，θ为相对l4，l5的夹角，τ为相对为l6的夹角，并表示为：
24.25.式中si(i＝1，2，3)为杆件转向系数，si＝1时，相对应杆件绕回转中心逆时针转动。si＝-1时，相对应杆件绕回转中心顺时针转动，其中θ
in
，τ
out
为杆件相对初始位置的角度大小，θ0、τ0为l1、l6和l7的初始夹角，l1和l6为输入连杆，l7为输出连杆，杆件为l1的端点坐标由表达式定义：
[0026][0027]
通过闭合回路o-a-b-c建立的方程为：
[0028][0029]
求得连杆l2的水平夹角ψ为：
[0030][0031][0032]
在当a-c＝0时：
[0033][0034]
式(5)和式(7)中的双重解取负号，得到l6和l5铰接于d点的坐标为：
[0035][0036]
由点d的位姿推算出点g的位姿，秧针的头部尖点即l7的外端端点g的坐标与角度为：
[0037][0038]
s2:构建行星轮系组件中的非圆齿轮的函数模型；
[0039]
在行星轮系组件非圆齿轮机构中，构建执行的输入/输出关系：
[0040][0041]
其中θ
in
,τ
out
分别为输入连杆和输出连杆相对初始位置的转动角度，τ
mid
为第一中间轮和第二中间轮相对初始位置转动角度，计算二者的瞬时传动比：
[0042][0043]
第一中间轮非圆齿轮节曲线函数为：
[0044][0045]
同理，第二中间轮非圆齿轮节曲线函数为：
[0046][0047]
提出评价非圆齿轮节曲线的优化指标，其一阶导为:
[0048][0049]
则第一中间轮非圆齿轮节曲线函数的一阶导平方积分为：
[0050][0051]
同理，第二中间轮非圆齿轮节曲线函数的一阶导平方积分为：
[0052][0053]
s3：参数优化设计；
[0054]
混联六杆机构具有12个机构参数x0，y0，l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，α0，β，γ，输入连杆和输出连杆的初始夹角为θ0，τ0，输入连杆和输出连杆到达下一位姿所需转动角度为δθ
in(i)
，δτ
mid(i)
，δτ
out(i)
，i＝1...n-1；
[0055]
加上转向系数si(i＝1，2，3)，设计变量共计3n+15个，共57个设计变量，使得生成的轨迹与预期轨迹尽量重合，参数优化具体如下：
[0056]
首先，nsga-ii算法的参数为：遗传种群大小设置为100，最大进化代数设置为10000，变异概率设置为0.2，交叉概率设置为0.9；
[0057]
最后，根据曲柄的转动规律需要满足角位移单调性的要求，并且需要满足动力学要求混联六杆机构具体优化设计为：
[0058]
目标函数：minimize
[0059]
minimize
[0060]
设计变量：
[0061]
上下限：x0∈[-200，100]，y0∈[100，500]，l1，l2，l3，l4，l5∈[20，120]，l6∈[50，120]，l7∈[100，270]α0，β∈[0，2π]，输入连杆和输出连杆件初始夹角相对角位移及其比值δθ
in(7)
∈[50，120]，s1，s2，s3∈{-1，1}；
[0062]
约束：
[0063]
机构尺寸约束条件为：
[0064][0065]
非圆齿轮节曲线合成约束条件为：
[0066][0067]
其中，和分别为输出连杆的实际和期望的位置与角度，ki是加权系数；
[0068]
使用灭绝罚函数法，当每违反一个约束时，目标函数会增加一个较大的代价值，将约束优化问题替换为无约束优化问题：
[0069][0070]
其中p1(x，m1)，p2(x，m2)分别为两个目标函数中的罚函数，可表示为：p(x，m)＝m
·
h，h为惩罚成本价值，m为违反约束条件的个数；
[0071]
对机构参数进行优化后，下一步再对非圆齿轮节曲线进行二次优化，
[0072]
目标函数：
[0073]
设计变量：x2＝[δ(δτ
mid1
)...δ(δτ
mid(n-1)
),δ(δτ
out1
),...δ(δτ
out(n-1)
)]；
[0074]
上下限：δ(δτ
mid(i)
)，δ(δτ
out(i)
)∈[-10，10]，(i＝1...13)，δθ
out(i)
/δθ
mid(i)
∈[0.5，2]；i＝1
…
13；
[0075]
其中，从小到大调整参数p使非圆曲线在可接受的角位移偏差范围内光滑性和非圆度达到最佳。
[0076]
本发明的有益效果：
[0077]
本发明通过第一电机单元带动曲柄摇杆机构运动，并通过第二电机单元通过行星轮系组件带动取苗臂运动，在取苗臂运动的同时，第二电机单元还能够带动取苗臂完成取放钵苗的操作，在放下钵苗的同时能够通过推苗块进行推苗，混联六连杆的运动机构包括驱动部分和取苗臂，驱动部分为行星轮系组件和平面四杆机构，平面四杆机构由依次相互铰接的机架、连杆、摇杆和曲柄，行星轮系组件内各个齿轮的切线方程可以说明任意两个齿轮之间的转速比，从而提高取苗臂精度和稳定性，行星轮系组件和平面四杆机构相配合，并通过行星轮系组件内非圆齿轮不等速传动来控制取苗臂摆动的相位角，优化取苗、植苗的运动轨迹，让取苗臂做出更加复杂和高准确度的运动，让取苗臂运动起来更加的灵活，将取秧、输送、栽植三个动作结合起来，用一套机构高效的完成上述三个动作，实现全自动钵苗移栽。
附图说明
[0078]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0079]
图1为本发明整体结构示意图；
[0080]
图2为本发明中机架组件的安装结构示意图；
[0081]
图3为本发明中行星轮系组件的剖面结构示意图；
[0082]
图4为本发明中取苗臂的剖面结构示意图；
[0083]
图5为本发明中取苗臂的结构示意图；
[0084]
图6为本发明中移栽凸轮的结构示意图；
[0085]
图7为本发明中优化方法的流程示意图；
[0086]
图8为本发明中混联六杆机构的模型示意图；
[0087]
图9为本发明中混优化前后的位姿示意图；
[0088]
图10为本发明第一次优化前的钵苗移栽轨迹图；
[0089]
图11为本发明第一次优化后的钵苗移栽轨迹图；
[0090]
图12为本发明的二次优化前非圆齿轮节曲线对比图；
[0091]
图13为本发明的二次优化后非圆齿轮节曲线对比图；
[0092]
图14为本发明的钵苗移栽最终优化与预期位姿对比图；
[0093]
图15为本发明移栽机钵苗移栽过程示意图。
[0094]
附图标记：机架组件10、机架11、转动轴承座12、轴承座13、曲柄摇杆机构20、连杆21、摇杆22、连接轴23、曲柄24、第一电机单元30、第一电机31、安装板32、联轴器33、行星轮系组件40、壳体41、行星轴42、中间轴43、输入轴44、行星轮45、第一中间轮46、第二中间轮47、太阳轮48、转动轴承49、第二电机单元50、第二电机51、l形板件52、主动锥齿轮53、从动锥齿轮54、取苗臂60、移栽凸轮61、外壳62、顶盖63、弹簧座64、推苗杆65、推苗块66、秧针67、拨杆68、转动销69。
具体实施方式
[0095]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
[0096]
实施例1
[0097]
如图1-6所示，本发明提供一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，包括机架组件10、曲柄摇杆机构20、第一电机单元30、行星轮系组件40、第二电机单元50和取苗臂60，其中：
[0098]
所述机架组件10包括机架11，所述第一电机单元30固定在机架11上，所述机架组件10还包括有固定在机架11上的转动轴承座12和轴承座13。
[0099]
所述曲柄摇杆机构20包括连杆21，所述连杆21靠近机架组件10的一侧上转动安装有摇杆22和曲柄24，所述摇杆22另一端固定有连接轴23，曲柄24的另一端通过动力轴转动固定在机架11上，所述连接轴23转动固定在机架11上，所述曲柄24转动固定在轴承座12上，所述连接轴23转动固定在转动轴承座12上。
[0100]
进一步的，所述转动轴承座12对称设置有两组。
[0101]
摇杆22和曲柄24均能够自由的围绕两端进行转动，所述机架11、连杆21、摇杆22和曲柄24构成平面四杆机构，所述第一电机单元30包括第一电机31，所述第一电机31和曲柄24转动固定在机架11上的一端同轴连接，用于驱动曲柄24转动，所述曲柄24的一端与连杆21构成转动副，连杆21的另一端与摇杆22构成转动副。
[0102]
进一步的，所述第一电机31通过安装板32固定在机架11上，所述第一电机31的转动轴上固定有联轴器33，所述联轴器33和动力轴同轴连接，通过第一电机31带动平面四杆机构进行转动。
[0103]
所述行星轮系组件40包括壳体41，所述壳体41上转动安装有行星轴42、中间轴43和输入轴44，行星轴42和输入轴44分别位于中间轴43的两侧，且凸出壳体41，所述行星轴42上固定有行星轮45，输入轴44上固定有太阳轮48，中间轴43上转动安装有第一中间轮46和第二中间轮47，行星轮45、第一中间轮46、第二中间轮47和太阳轮48均位于壳体41的内部。
[0104]
所述行星轴42和输入轴44转动安装在壳体41上，中间轴43固定在壳体41内侧，所述第一中间轮46和太阳轮48啮合连接，第二中间轮47和行星轮45啮合连接，所述行星轮45、第一中间轮46、第二中间轮47和太阳轮48均为非圆齿轮，第一中间轮46与第二中间轮47固接，并通过中间轴43与壳体41形成转动副，行星轴42与壳体41形成转动副，输入轴44凸出壳体41后转动安装在连杆21上。
[0105]
所述输入轴44转动时带动太阳轮48转动，太阳轮48转动带动一中间轮46与第二中间轮47进行转动，进而带动行星轮45和行星轴42转动，由于行星轮45、第一中间轮46、第二中间轮47和太阳轮48均为非圆齿轮，可以使用切线方程说明任意两个齿轮之间的转速比，
能够更精确地控制传动比，行星轴42直接带动取苗臂60运动，可以满足取苗臂60更高要求的精度和稳定性。
[0106]
进一步的，所述壳体41侧面上固定有转动轴承49，所述行星轴42和输入轴44固定在转动轴承49上，通过转动轴承49转动安装在壳体41上。
[0107]
所述第二电机单元50包括第二电机51，所述第二电机51固定在连杆21上，用于驱动输入轴44转动，所述第二电机单元50带动输入轴44进行转动。
[0108]
进一步的，所述第二电机单元50还包括有固定在连杆21上的l形板件52，所述第二电机51固定在l形板件52上，第二电机51的转动轴同轴连接有主动锥齿轮53，输入轴44同轴连接有从动锥齿轮54，主动锥齿轮53和从动锥齿轮54啮合连接，所述第二电机51转动时带动主动锥齿轮53转动，在齿牙的啮合下，主动锥齿轮53带动从动锥齿轮54转动，进而带动输入轴44进行转动。
[0109]
可选的，所述第一电机31和第二电机51均为减速电机，减速电机通过减速器将电机的速度减慢，并提高扭矩输出，并稳定的输出扭矩，能够较好地负载质量相对较大的钵苗，保证了取苗、植苗过程的稳定性。
[0110]
所述取苗臂60包括移栽凸轮61，所述移栽凸轮30一端固定在壳体41上，另一端延伸至外壳62内部，且延伸至外壳62内部的一端设置有拨动缺口，所述行星轴42凸出壳体41后穿过移栽凸轮30固定在外壳62上，行星轴42转动时，壳体41在行星轴42的带动下转动，移栽凸轮30并不随着行星轴42的转动而转动。
[0111]
所述外壳62内部设置有弹簧座64和拨杆68，所述拨杆68的一端安装在弹簧座64内，另一端延伸至外壳62外部并固定有推苗块66，所述外壳62内固定有和拨杆68垂直的转动销69，所述转动销69上转动安装有拨杆68，拨杆68的一端铰接在弹簧座64上，另一端延伸至拨动缺口内，所述秧针67和推苗杆65平行设置，并且沿推苗杆65对称设置有两组，秧针67一端铰接在外壳62上，另一端穿过推苗块66，且两个秧针67的非铰接端开口推苗杆65能够带动推苗块66运动，推苗块66运动时相对于秧针67位置发生变化
[0112]
当整个取苗臂60转动时，拨动缺口为半圆形缺口，壳体41转动，拨杆68随之进行转动，拨动缺口推动拨杆68的一端，拨杆68相对于转动销69进行转动，推动弹簧座64和推苗杆65前后运动，推苗杆65前后运动时带动推苗块66前后运动，让两个秧针67不断张开和关闭，完成取放钵苗。
[0113]
进一步的，所述外壳62靠近弹簧座64的侧面上设置有缺口，且缺口由可拆卸的顶盖63封堵。
[0114]
如图7-15所示，本发明另外还提供一种混联六杆钵苗取栽一体化机构优化设计方法，所述设计方法适用于上述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，优化方法的步骤包括：
[0115]
s1:构建混联六杆机构的设计模型；
[0116]
如图8混联六杆机构的模型机构示意图所示，将取苗臂60等效为l7，太阳轮48旋转中心到行星轮45旋转中心连线等效为l
+
，连杆21和太阳轮48旋转中心连线为l5，取苗臂60和壳体41的装配关系等效为l7，和l6铰接于e点，壳体41与连杆21的装配关系等效为l6，和l5铰接于d点，曲柄摇杆机构20中曲柄24l1和机架11l4铰接于o点，曲柄24l1和连杆21l2铰接于a点，连杆21l2和摇杆22l3铰接于b点，摇杆22l3和机架11l4铰接于c点，l7的外端端点g等效为秧针67的头部尖点。
[0117]
钵苗机械化移栽的取苗与植苗过程的14个位姿，前7个位姿用于取出钵盘中的菜苗，其后7个位姿用于植苗，其中第1,7，8，14位姿精度要求较低,取苗臂60的两个秧针67作为夹取装置的水平夹角需要在取苗期间与植苗期间需要保持稳定。
[0118]
机构在运动过程中不与钵壁和地面发生碰撞，且保证菜苗不发生翻转，从而避免损坏，这14个位姿数据及权重系数如下表(1)所示：
[0119]
表(4)夹取装置所需位姿数据及权重系数
[0120][0121]
行星轮系组件40内的非圆齿轮约束的混合六杆机构可分为两部分，第一是底部的四杆机构，第二个是使用非圆齿轮耦合的rr链，两部分串联连接，整个混合机构由两根相同转速的输入杆驱动。
[0122]
将所有角度均定义为逆时针为正，θ为相对l4，l5的夹角，τ为相对为l6的夹角，并表示为：
[0123][0124]
式中si(i＝1,2,3)为杆件转向系数，si＝1时，相对应杆件绕回转中心逆时针转动，si＝-1时，相对应杆件绕回转中心顺时针转动，其中θ
in
,τ
out
为杆件相对初始位置的角度大小，θ0、τ0为l1、l6和l7的初始夹角，l1和l6为输入连杆，l7为输出连杆，杆件为l1的端点坐标由表达式定义:
[0125][0126]
通过闭合回路o-a-b-c建立的方程为：
[0127][0128]
求得连杆l2的水平夹角ψ为：
[0129]
[0130][0131]
在当a-c＝0时：
[0132][0133]
式(5)和式(7)中的双重解是由于机构的二分体可以以不同的配置组合，在本实施例中，只考虑取负号的情况，得到l6和l5铰接于d点的坐标为：
[0134][0135]
由点d的位姿推算出点g的位姿，秧针67的头部尖点即l7的外端端点g的坐标与角度为：
[0136][0137]
s2:构建行星轮系组件40中的非圆齿轮的函数模型；
[0138]
在行星轮系组件40非圆齿轮机构中，构建执行的输入/输出关系：
[0139][0140]
其中θ
in
,τ
out
分别为输入轴和行星轴相对初始位置的转动角度，τ
mid
为输入连杆和输出连杆相对初始位置转动角度，计算二者的瞬时传动比：
[0141][0142]
第一中间轮46非圆齿轮节曲线函数为：
[0143][0144]
同理，第二中间轮47非圆齿轮节曲线函数为：
[0145][0146]
为了降低非圆齿轮节曲线的非圆度和提高其光滑度，提出了评价非圆齿轮节曲线的优化指标，即非圆齿轮节曲线函数的一阶导数的平方的积分，其一阶导为：
[0147][0148]
则第一中间轮46非圆齿轮节曲线函数的一阶导平方积分为：
[0149][0150]
同理，第二中间轮47非圆齿轮节曲线函数的一阶导平方积分为：
[0151][0152]
s3：参数优化设计；
[0153]
混联六杆机构具有12个机构参数x0，y0，l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，α0，β，γ，输入连杆和输出连杆的初始夹角为θ0，τ0，输入连杆和输出连杆到达下一位姿所需转动角度为δθ
in(i)
，δτ
mid(i)
，δτ
out(i)
，i＝1...n-1；加上转向系数si(i＝1，2，3)，设计变量共计3n+15个，共57个设计变量，使得生成的轨迹与预期轨迹尽量重合，参数优化具体如下：
[0154]
首先，nsga-ii算法的参数为：遗传种群大小设置为100，最大进化代数设置为10000，变异概率设置为0.2，交叉概率设置为0.9；
[0155]
最后，根据曲柄24的转动规律需要满足角位移单调性的要求，并且需要满足动力学要求混联六杆机构具体优化设计为：
[0156]
目标函数：minimize
[0157]
minimize
[0158]
设计变量：
[0159]
上下限：x0∈[-200，100]，y0∈[100，500]，l1，l2，l3，l4，l5∈[20，120]，l6∈[50，
120]，l7∈[100，270]α0，β∈[0，2π]，输入连杆和输出连杆初始夹角θ0，τ0∈[0，2π]，相对角位移及其比值δθ
in(7)
∈[50，120]，s1，s2，s3∈{-1，1}
[0160]
约束：
[0161]
机构尺寸约束条件为：
[0162][0163]
非圆齿轮节曲线合成约束条件为：
[0164][0165]
其中，和分别为输出连杆的实际和期望的位置与角度，ki是加权系数；
[0166]
使用灭绝罚函数法，当每违反一个约束时，目标函数会增加一个较大的代价值，将约束优化问题替换为无约束优化问题:
[0167][0168]
其中p1(x,m1)，p2(x,m2)分别为两个目标函数中的罚函数，可表示为：p(x,m)＝m
·
h，h为惩罚成本价值，m为违反约束条件的个数，算法优化结果如下表(2)和表(3)所示：
[0169]
表(2)优化结果
[0170][0171]
表(3)优化结果
[0172][0173][0174]
由优化后的参数可得出整体机构的机构简图以及移栽轨迹，图9给出了机构参数对应的混联六杆机构简图以及期望位姿与节曲线优化前的位姿，从图中可看出机构整体相对集中，机构尺寸简短，结构相对简单。
[0175]
在机构运动过程中，夹取装置进行取苗时钵片不与钵壁发生碰撞，在进行植苗动作时与地面发生碰撞，除此之外，机构中的其他杆件不会与地面发生碰撞，且杆件与杆件之间不会发生干涉。总体位姿与需求位姿偏差较小，符合设计要求，但其位姿的精确度还可以进行进一步提升，所以下一步进行非圆齿轮节曲线优化。
[0176]
对机构参数进行优化后，在确定了良好的初始解后，在保证关键位姿偏差不大的情况下，下一步再对非圆齿轮节曲线进行二次优化，
[0177]
目标函数：
[0178]
设计变量：x2＝[δ(δτ
mid1
)...δ(δτ
mid(n-1)
),δ(δτ
out1
),...δ(δτ
out(n-1)
)]；
[0179]
上下限：δ(δτ
mid(i)
),δ(δτ
out(i)
)∈[-10,10],(i＝1...13)，δθ
out(i)
/δθ
mid(i)
∈[0.5,2]；i＝1
…
13；
[0180]
其中，从小到大调整参数p使非圆曲线在可接受的角位移偏差范围内光滑性和非圆度达到最佳。经过运算可知当调整参数p＝0.95时，非圆曲线的光滑性和非圆度达到最佳。
[0181]
本实施例中，所述的目标移栽轨迹曲线上横坐标最大值点即取苗点，纵坐标最小值点即植苗点，取苗开始点即环扣内端点。
[0182]
圆齿轮节曲线优化前后，角位移函数曲线以及传动比曲线比没有优化之前的要平滑流畅，总角位移函数曲线变化集中于约束位姿对应的部分，关键位姿对应的曲线部分变化较小。优化前后函数f与g曲线总体变化微小，但传动比曲线波动显著下降，则传动更加平缓。图10和图11为优化前后的两对非圆齿轮节曲线，直观的展现了非圆齿轮节曲线的优化效果。
[0183]
节点曲线优化的局部优化减小了非圆齿轮节曲线局部凹凸变化，使非圆节点曲线更加平滑。对比结果验证了发明中提出的非圆齿轮节曲线的优化指标不仅可以保证非圆齿
轮质心不会过于偏离回转中心的同时也可以保证非圆齿轮节曲线的光滑性。如图12和图13所示，为钵苗移栽最终优化与预期位姿对比图，对应的轨迹为本发明实施的混联六杆钵苗取栽一体化机构的实际移栽轨迹，可见二次优化非圆齿轮节曲线后的移栽轨迹比第一次优化有很大的提升，夹取装置的位姿偏差较小，且与期望位姿误差较小。同时取苗轨迹与植苗轨迹有了明显的改善，有利于提高取苗的成功率，减少植苗时夹取装置对钵苗的损伤。移栽轨迹中环扣的宽度小于2毫米，因此，实际的移栽轨迹能够很好的实现钵苗取栽一体化的功能。
[0184]
通过二次优化得到最终算法优化结果如表(4)所示：
[0185]
表(4)最终算法优化结果
[0186][0187]
本为了实现钵苗取栽一体化，使全自动钵苗移栽机结构简单紧凑、工作可靠和成本低，本实施例提供混联六杆钵苗取栽一体化机构的优化设计方法，根据混联六杆钵苗取栽一体化机构初始轨迹，对机构进行运动学分析和非圆齿轮节曲线分析；以混联机构的实际位姿与要求位姿之间的误差最小为目标基于nsga-ii算法优化混联六杆钵苗取栽一体化机构的参数，得到设计变量运算结果。将输入角变化量的增量作为设计变量。以增量的最小波动为目标基于变邻域搜索算法(vns)优化非圆齿轮节曲线；得到设计变量的运算结果。
[0188]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
[0189]
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于，包括：机架组件(10)，所述机架组件(10)包括机架(11)，所述第一电机单元(30)固定在机架(11)上；曲柄摇杆机构(20)，所述曲柄摇杆机构(20)包括连杆(21)，所述连杆(21)靠近机架组件(10)的一侧上转动安装有摇杆(22)和曲柄(24)，所述摇杆(22)另一端固定有连接轴(23)，曲柄(24)的另一端通过动力轴转动固定在机架(11)上，所述连接轴(23)转动固定在机架(11)上，；第一电机单元(30)，所述第一电机单元(30)包括第一电机(31)，所述第一电机(31)和曲柄(24)转动固定在机架(11)上的一端同轴连接，用于驱动曲柄(24)转动，所述曲柄(24)的一端与连杆(21)构成转动副，连杆(21)的另一端与摇杆(22)构成转动副；行星轮系组件(40)，所述行星轮系组件(40)包括壳体(41)，所述壳体(41)上转动安装有行星轴(42)、中间轴(43)和输入轴(44)，行星轴(42)和输入轴(44)分别位于中间轴(43)的两侧，且凸出壳体(41)，所述行星轴(42)上固定有行星轮(45)，输入轴(44)上固定有太阳轮(48)，中间轴(43)上转动安装有第一中间轮(46)和第二中间轮(47)，行星轮(45)、第一中间轮(46)、第二中间轮(47)和太阳轮(48)均位于壳体(41)的内部；第二电机单元(50)，所述第二电机单元(50)包括第二电机(51)，所述第二电机(51)固定在连杆(21)上，用于驱动输入轴(44)转动；取苗臂(60)，所述取苗臂(60)包括移栽凸轮(61)，所述移栽凸轮(61)一端固定在壳体(41)上，另一端延伸至外壳(62)内部，且延伸至外壳(62)内部的一端设置有拨动缺口，所述行星轴(42)凸出壳体(41)后穿过移栽凸轮(30)固定在外壳(62)上，所述外壳(62)内部设置有弹簧座(64)和拨杆(68)，所述拨杆(68)的一端安装在弹簧座(64)内，另一端延伸至外壳(62)外部并固定有推苗块(66)，所述外壳(62)内固定有和拨杆(68)垂直的转动销(69)，所述转动销(69)上转动安装有拨杆(68)，拨杆(68)的一端铰接在弹簧座(64)上，另一端延伸至移栽凸轮拨动缺口内，所述秧针(67)和推苗杆(65)平行设置，并且沿推苗杆(65)对称设置有两组，秧针(67)一端铰接在外壳(62)上，另一端穿过推苗块(66)。所述行星轴(42)和输入轴(44)转动安装在壳体(41)上，中间轴(43)固定在壳体(41)内侧，所述第一中间轮(46)和太阳轮(48)啮合连接，第二中间轮(47)和行星轮(45)啮合连接，所述行星轮(45)、第一中间轮(46)、第二中间轮(47)和太阳轮(48)均为非圆齿轮，第一中间轮(46)与第二中间轮(47)固接，并通过中间轴(43)与壳体(41)形成转动副，行星轴(42)与壳体(41)形成转动副，输入轴(44)凸出壳体(41)后转动安装在连杆(21)上。2.根据权利要求1所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于：所述机架组件(10)还包括有固定在机架(11)上的转动轴承座(12)和轴承座(13)，所述曲柄(24)转动固定在轴承座(12)上，所述连接轴(23)转动固定在转动轴承座(12)上。3.根据权利要求2所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于：所述转动轴承座(12)对称设置有两组。4.根据权利要求1所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于：所述第一电机(31)通过安装板(32)固定在机架(11)上，所述第一电机(31)的转动轴上固定有联轴器(33)，所述联轴器(33)和动力轴同轴连接。5.根据权利要求1所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于：所述壳体
(41)侧面上固定有转动轴承(49)，所述行星轴(42)和输入轴(44)固定在转动轴承(49)上，通过转动轴承(49)转动安装在壳体(41)上。6.根据权利要求1所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于：所述第二电机单元(50)还包括有固定在连杆(21)上的l形板件(52)，所述第二电机(51)固定在l形板件(52)上，第二电机(51)的转动轴同轴连接有主动锥齿轮(53)，输入轴(44)同轴连接有从动锥齿轮(54)，主动锥齿轮(53)和从动锥齿轮(54)啮合连接。7.根据权利要求1所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于：所述第一电机(31)和第二电机(51)均为减速电机。8.根据权利要求1所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，其特征在于：所述外壳(62)靠近弹簧座(64)的侧面上设置有缺口，且缺口由可拆卸的顶盖(63)封堵。9.一种混联六杆钵苗取栽一体化机构优化设计方法，其特征在于：所述设计方法适用于权利要求1-8任一项所述的一种混联六杆钵苗取栽一体化机构，优化方法的步骤包括：s1:构建混联六杆机构的设计模型；将取苗臂(60)等效为l7，太阳轮(48)旋转中心到行星轮(45)旋转中心连线等效为l6，连杆(21)和太阳轮(48)旋转中心连线为l5，取苗臂(60)和壳体(41)的装配关系等效为l7，和l6铰接于e点，壳体(41)与连杆(21)的装配关系等效为l6，和l5铰接于d点，曲柄摇杆机构(20)中曲柄(24)l1和机架(11)l4铰接于o点，曲柄(24)l1和连杆(21)l2铰接于a点，连杆(21)l2和摇杆(22)l3铰接于b点，摇杆(22)l3和机架(11)l4铰接于c点，l7的外端端点g等效为秧针(67)的头部尖点；将所有角度均定义为逆时针为正，θ为相对l4，l5的夹角，τ为相对为l6的夹角，并表示为：式中s
i
(i＝1,2,3)为杆件转向系数，s
i
＝1时，相对应杆件绕回转中心逆时针转动，s
i
＝-1时，相对应杆件绕回转中心顺时针转动，其中θ
in
,τ
out
为杆件相对初始位置的角度大小，θ0、τ0为l1、l6和l7的初始夹角，l1和l6为输入连杆，l7为输出连杆，杆件为l1的端点坐标由表达式定义:通过闭合回路o-a-b-c建立的方程为：求得连杆l2的水平夹角ψ为：
在当a-c＝0时：式(5)和式(7)中的双重解取负号，得到l6和l5铰接于d点的坐标为：由点d的位姿推算出点g的位姿，秧针(67)的头部尖点即l7的外端端点g的坐标与角度为：s2:构建行星轮系组件(40)中的非圆齿轮的函数模型；在行星轮系组件(40)非圆齿轮机构中，构建执行的输入/输出关系：其中θ
in
,τ
out
分别为输入轴和行星轴相对初始位置的转动角度，τ
mid
为输入连杆和输出连杆相对初始位置转动角度，计算二者的瞬时传动比：第一中间轮(46)非圆齿轮节曲线函数为：同理，第二中间轮(47)非圆齿轮节曲线函数为：
提出评价非圆齿轮节曲线的优化指标，其一阶导为:则第一中间轮(46)非圆齿轮节曲线函数的一阶导平方积分为：同理，第二中间轮(47)非圆齿轮节曲线函数的一阶导平方积分为：s3:参数优化设计；混联六杆机构具有12个机构参数x0,y0,l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,α0,β,γ，输入连杆和输出连杆的初始夹角为θ0,τ0，输入连杆和输出连杆到达下一位姿所需转动角度为δθ
in(i)
,δτ
mid(i)
,δτ
out(i)
，i＝1...n-1；加上转向系数s
i
(i＝1,2,3),设计变量共计3n+15个，共57个设计变量，使得生成的轨迹与预期轨迹尽量重合，参数优化具体如下：首先，nsga-ii算法的参数为：遗传种群大小设置为100，最大进化代数设置为10000，变异概率设置为0.2，交叉概率设置为0.9；最后，根据曲柄(24)的转动规律需要满足角位移单调性的要求，并且需要满足动力学要求混联六杆机构具体优化设计为：目标函数：目标函数：设计变量：上下限:x0∈[-200,100]，y0∈[100,500]，l1,l2,l3,l4,l5∈[20,120]，l6∈[50,120]，l7∈[100,270]α0,β∈[0,2π]，输入连杆和输出连杆初始夹角相对角位移及
其比值δθ
in(7)
∈[50,120]，s1,s2,s3∈{-1,1}约束：机构尺寸约束条件为：非圆齿轮节曲线合成约束条件为：其中，和分别为输出连杆的实际和期望的位置与角度，k
i
是加权系数；使用灭绝罚函数法，当每违反一个约束时，目标函数会增加一个较大的代价值，将约束优化问题替换为无约束优化问题:其中p1(x,m1)，p2(x,m2)分别为两个目标函数中的罚函数，可表示为：p(x,m)＝m
·
h，h为惩罚成本价值，m为违反约束条件的个数；对机构参数进行优化后，下一步再对非圆齿轮节曲线进行二次优化，目标函数：设计变量：x2＝[δ(δτ
mid1
)...δ(δτ
mid(n-1)
),δ(δτ
out1
),...δ(δτ
out(n-1)
)]；上下限：δ(δτ
mid(i)
),δ(δτ
out(i)
)∈[-10,10],(i＝1...13)，δθ
out(i)
/δθ
mid(i)
∈[0.5,2]；i＝1
…
13；其中，从小到大调整参数p使非圆曲线在可接受的角位移偏差范围内光滑性和非圆度达到最佳。

技术总结
本发明涉及农业机械设备技术领域，尤其涉及一种混联六杆钵苗取栽一体化机构及其优化设计方法，包括：机架组件、曲柄摇杆机构、第一电机单元、行星轮系组件、第二电机单元和取苗臂，本发明混联六连杆的运动机构包括驱动部分和取苗臂，驱动部分为行星轮系组件和平面四杆机构，平面四杆机构由依次相互铰接的机架、连杆、摇杆和曲柄，行星轮系组件由固定在壳体上的两级共轭非圆齿轮组成。行星轮系组件和平面四杆机构相配合，并通过行星轮系组件内非圆齿轮不等速传动来控制取苗臂的角度和位置。优化机构参数和非圆齿轮节曲线使取苗臂做出更加符合要求的高精确度运动，实现全自动钵苗取栽一体化。一体化。一体化。


技术研发人员：李小琴 俞高红 敖猛 王磊 陈逸津
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/28