基于关键位姿点与轨迹约束的取苗机构优化设计与试验研究

作     者：程迪 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵雄

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：取苗机构 密植类作物 关键位姿点 轨迹约束 直线轨迹 参数优化 

摘      要：密植型作物实现多行高效自动取苗是当前我国农机领域亟待提升的薄弱环节。现有旋转式自动取苗机构或其衍生机构经多分支化处理后虽然可以实现整排同步夹取多株钵苗,但受限于育苗技术与机构理论模型求解方法,工作时普遍存在“提前落苗和“甩苗现象而导致钵苗无法顺利通过接苗杯。因此,为解决上述难题,本文基于非圆齿轮行星轮系传动方式,提出一种基于关键位姿点与轨迹约束的取苗机构,该机构在满足若干关键位姿点要求的同时,将投苗点附近区段轨迹优化为垂直于水平面的直线。具体研究内容如下:(1)通过对取苗臂苗针尖点运动轨迹与姿态进行分析,提出一种适应作物密植环境的“尖嘴形取苗-直线投苗轨迹。将取苗机构简化为开链2R杆组,根据理想轨迹给定四个关键位姿点并建立四位姿开链2R杆组解域求解模型,提出一种通过构建机构解域、约束杆件尺寸和进行运动缺陷判别得到机构可行域的方法。(2)针对现有曲线拟合算法无法完美拟合直线轨迹的问题,提出一种通过三对一阶密切的直线机构导引连杆形成直线轨迹的设计方法并建立混合四位姿直线轨迹开链2R杆组求解模型。(3)对取苗机构工作原理进行分析,通过确定控制点坐标信息、基于5次B样条曲线插补办法得到“曲柄-连杆转角关系曲线以及求解机构总传动比,逐步完成开链2R杆组与非圆齿轮行星轮系复合设计。(4)根据取苗机构工作要求确定机构优化目标并数值化处理,结合基于Matlab的GUI模块开发的计算机辅助优化设计软件,逐步完成取苗机构理论模型求解并开展参数优化工作,通过不断优选,最终得到机构最优解。(5)根据最优解机构参数完成非圆齿轮和取苗机构整机三维建模,基于ADAMS建立虚拟样机并进行运动仿真,得到同理论轨迹基本一致的仿真轨迹,验证了取苗机构理论模型求解方法的正确性。搭建取苗机构物理样机和试验台,通过空转试验得到同理论、仿真轨迹基本一致的实际轨迹,偏差在合理范围内,验证了结构设计方案的可行性。(6)选用三种基质盘根效果不同的钵苗进行单株取投试验,试验数据显示马鞭草、牛至、薄荷的提前投苗率分别为10.9%、5.4%、39.6%,接苗成功率为92.2%,95.7%,96.8%。其中,薄荷在高提前投苗率条件下依然维持高接苗成功率,故该机构为上述难题提供了一种解决方案。