慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构及其设计方法

技术特征：
1.慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构，包括主行星机构、凸轮摆杆式行星机构和栽植臂，其特征在于：所述的凸轮摆杆式行星机构包括左壳体、右壳体、轴一，以及置于左壳体与右壳体之间的摆杆、滚子一、滚子二、从动非圆齿轮、中间非圆齿轮一、中间非圆齿轮二、主动非圆齿轮、凸轮一和凸轮二；左壳体与右壳体固定；所述的凸轮一与凸轮二固定，凸轮二与主动非圆齿轮固定；中间非圆齿轮一与中间非圆齿轮二固定；所述的中间非圆齿轮二与右壳体构成转动副；轴一通过轴承支承在左壳体与右壳体上，从动非圆齿轮与轴一构成转动副；所述摆杆的一端与轴一固定，滚子一和滚子二铰接在摆杆另一端两侧；凸轮一与滚子一构成凸轮副，凸轮二与滚子二构成凸轮副；主动非圆齿轮与中间非圆齿轮一啮合，中间非圆齿轮二与从动非圆齿轮啮合；主行星机构的上输出轴和下输出轴均与右箱体构成转动副，上输出轴、下输出轴和右箱体均为旋转输出件；所述的凸轮摆杆式行星机构设有两个；一个凸轮摆杆式行星机构的右壳体与主行星机构的上输出轴固定，凸轮一与主行星机构的右箱体一端通过上法兰固定；另一个凸轮摆杆式行星机构的右壳体与主行星机构的下输出轴固定，凸轮一与主行星机构的右箱体另一端通过下法兰固定；两个凸轮摆杆式行星机构的从动非圆齿轮分别与一个栽植臂的右凸轮固定；两个凸轮摆杆式行星机构的轴一分别与一个栽植臂的移栽臂壳体通过端盖固定。2.根据权利要求1所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构，其特征在于：所述的主行星机构包括左箱体、右箱体、太阳轮轴、上输出轴、下输出轴，以及置于左箱体与右箱体之间的太阳轮、上花键轴、上非圆齿轮一、上非圆齿轮二、上非圆齿轮三、下花键轴、下非圆齿轮一、下非圆齿轮二和下非圆齿轮三；所述的太阳轮轴与右箱体固定连接；左箱体与右箱体固定；所述的太阳轮空套在太阳轮轴上，并与机架通过太阳轮法兰固定连接；上花键轴通过轴承支承在左箱体和右箱体上，上非圆齿轮一和上非圆齿轮二均与上花键轴固定；上输出轴通过轴承支承在左箱体和右箱体上，上非圆齿轮三与上输出轴固定；下花键轴通过轴承支承在左箱体与右箱体上，下非圆齿轮一和下非圆齿轮二均与下花键轴固定；所述的下输出轴通过轴承支承在左箱体与右箱体上，下非圆齿轮三与下输出轴固定；太阳轮同时与上非圆齿轮一和下非圆此轮一啮合；上非圆齿轮二与上非圆齿轮三啮合；下非圆齿轮二与下非圆齿轮三啮合；上非圆齿轮一与下非圆齿轮一的结构完全相同，上非圆齿轮二与下非圆齿轮二的结构完全相同，上非圆齿轮三与下非圆齿轮三的结构完全相同。3.根据权利要求2所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构，其特征在于：所述的栽植臂包括移栽臂壳体、右凸轮、拨叉、推杆一、推杆二、u形杆、推苗块、取苗针一和取苗针二；所述的推杆一固定在推杆二尾部，且与移栽臂壳体通过弹簧连接；u形杆和推苗块均固定在推杆二头部，且u形杆比推苗块靠后设置；所述的推杆二与移栽臂壳体构成滑动副；所述的拨叉通过拨叉轴铰接在移栽臂壳体上，一端与右凸轮构成凸轮副，另一端与推杆一构成滚动摩擦副；取苗针一和取苗针二的尾部均与移栽臂壳体固定；取苗针一和取苗针二的头部均置于u形杆内，且分设在推苗块两侧。4.根据权利要求3所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构的设计方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一、将慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构简化为两个由曲柄oi、杆ij和杆jd组成的平面开链机构，其中，主行星机构简化为曲柄oi，凸轮摆杆式行星机构简化为杆ij，栽植臂简化为杆jd，曲柄oi与机架在铰接点o铰接，与杆ij在铰接点i铰接，杆ij与杆jd
在铰接点j铰接；两个平面开链机构的曲柄oi固定连接且相位相差180
°
；确定杆jd末端d点在取苗位置点、推苗位置点和若干个辅助位置点处坐标，并将取苗位置点、推苗位置点和若干个辅助位置点处对应的杆jd姿态要求记为θ
j
，j＝1,2,..,n，n为取苗、推苗位置点和所有辅助位置点的总个数；采用三次b样条曲线插值对杆jd末端d点在取苗位置点、推苗位置点和若干个辅助位置点处坐标进行拟合获得d点轨迹，并采用三次b样条曲线插值对θ
j
进行拟合获得与d点轨迹匹配的杆jd姿态杆jd姿态数量和d点轨迹上d点数量均记为n；给定杆jd长度l3，计算在d点轨迹与匹配的杆jd姿态下铰接点j坐标，进一步求解曲柄oi相对x轴正方向的角位移杆ij相对x轴正方向的角位移曲柄oi长度l1、杆ij长度l2、铰接点i坐标和铰接点j坐标；步骤二、根据步骤一得到的l1、l2、l3、和值，计算杆jd末端d点坐标，以d点坐标计算值与步骤一拟合获得的d点轨迹上d点坐标的差值最小为目标函数，利用差分进化算法对进行参数优化，获得最终的曲柄oi相对x轴正方向的角位移杆ij相对x轴正方向的角位移和杆jd相对x轴正方向的角位移优化值；步骤三、根据角位移和优化值，求解主行星机构的总传动比引入修正系数η对总传动比i进行分配，求得太阳轮与上非圆齿轮一的传动比i1以及上非圆齿轮二与上非圆齿轮三的传动比i2；给定太阳轮与上非圆齿轮一的中心距初值a
10
，再根据节曲线封闭条件和啮合条件，采用进退法搜索获得太阳轮与上非圆齿轮一的中心距精确值a1以及上非圆齿轮一向径的精确值r
12
，继而得到太阳轮向径的精确值r
11
和上非圆齿轮一相对太阳轮的角位移设右箱体、上非圆齿轮一、上非圆齿轮二和上非圆齿轮三的回转中心连线在一条直线上，则上非圆齿轮二与上非圆齿轮三的中心距a2＝l
1-a1，再采用进退法搜索算出上非圆齿轮三向径的精确值r
22
，继而得到上非圆齿轮二向径的精确值r
21
；步骤四、求解太阳轮、上非圆齿轮一、上非圆齿轮二、上非圆齿轮三、下非圆齿轮一、下非圆齿轮二和下非圆齿轮三的节曲线坐标表达式；步骤五、在三维仿真软件中建立杆ij、滚子一、滚子二、摆杆和杆jd组件模型，并仿真得到凸轮一和凸轮二的理论廓线，结合滚子一和滚子二的半径，计算得到凸轮一和凸轮二的实际廓线；步骤六、建立中间非圆齿轮一和中间非圆齿轮二的节曲线方程，求得主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线方程；将右凸轮的角速度大于栽植臂壳体的角速度作为优化目标，中间非圆齿轮一和中间非圆齿轮二节曲线方程中的各待求参数作为设计变量，进行优化后得到中间非圆齿轮一和中间非圆齿轮二节曲线方程中的各待求参数；步骤七、求解主动非圆齿轮、中间非圆齿轮一、中间非圆齿轮二和从动非圆齿轮的节曲线坐标。5.根据权利要求3所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构的设计方法，其特征在于：步骤一中求解曲柄oi相对x轴正方向的角位移杆ij相对x轴正方向的角位移曲柄oi长度l1、杆ij长度l2、铰接点i坐标和铰接点j坐标的具体过程如下：铰接点o与铰接点j的间距计算式如下：其中，x
o
和y
o
分别为铰接点o的x轴和y轴坐标；x
j
和y
j
分别为在d点轨迹与匹配的杆jd姿
态下铰接点j的x轴和y轴坐标，计算式如下：其中，x
d
和y
d
分别为d点轨迹上杆jd末端d点的x轴和y轴坐标，θ为与d点轨迹匹配的杆jd姿态；计算曲柄oi长度l1和杆ij长度l2：其中，l
max
为l的最大值，l
min
为l的最小值；曲柄oi到铰接点o与铰接点j连线的角度β以及铰接点o与铰接点j连线相对x轴正方向的角位移α计算式如下：的角位移α计算式如下：曲柄oi相对x轴正方向的角位移：则铰接点i的x轴和y轴坐标分别为：杆ij相对x轴正方向的角位移：铰接点j的x轴和y轴坐标二次算值分别为：6.根据权利要求3所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构的设计方法，其特征在于：步骤二具体过程如下：根据步骤一得到的l1、l2、l3、和值，计算杆jd末端d点的x轴和y轴坐标分别为：建立目标函数：其中，x
ddk
和y
ddk
分别为步骤一拟合获得的d点轨迹上第k个位置处d点的x轴和y轴坐标，x
dk
和y
dk
分别为根据步骤一得到的l1、l2、l3、、和值计算得到的杆jd末
端d点第k个位置处的x轴和y轴坐标；建立约束方程：其中，为步骤一得到的在第k个位置处的值，为步骤一得到的在第k 1个位置处的值，为步骤一得到的在第k 1个位置值与步骤一得到的在第k 1个位置值的差值，为步骤一得到的在第k个位置值与步骤一得到的在第k个位置值的差值；基于目标函数f(x)，利用差分进化算法对进行参数优化，获得最终的曲柄oi相对x轴正方向的角位移杆ij相对x轴正方向的角位移和杆jd相对x轴正方向的角位移优化值。7.根据权利要求3所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构的设计方法，其特征在于：步骤三具体如下：主行星机构的总传动比：引入修正系数η对总传动比i进行分配，得太阳轮与上非圆齿轮一的传动比i1以及上非圆齿轮二与上非圆齿轮三的传动比i2：：太阳轮的节曲线向径r
11
以及上非圆齿轮一的节曲线向径r
12
表达式如下：r
12
＝a
10
·
i1/(1 i1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)r
11
＝a
10-r
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)根据非圆齿轮啮合原理，太阳轮与上非圆齿轮一啮合的弧长相等，得：即式中，上非圆齿轮一相对太阳轮的角位移取中心距初值a
10
，采用进退法搜索算出太阳轮与上非圆齿轮一的中心距精确值a1以及上非圆齿轮一向径的精确值r
12
，则太阳轮向径的精确值r
11
求解如下：r
11
＝a
1-r
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)则设右箱体、上非圆齿轮一、上非圆齿轮二和上非圆齿轮三的回转中心连线在一条直线
上，则上非圆齿轮二与上非圆齿轮三的中心距a2＝l
1-a1；根据非圆齿轮啮合原理，上非圆齿轮二旋转过的弧长与上非圆齿轮三旋转过的弧长相等，得：其中，r
21
为上非圆齿轮二的向径，r
22
为上非圆齿轮三的向径；即由于上非圆齿轮二旋转360
°
时，上非圆齿轮三也旋转360
°
，得：采用进退法搜索算出上非圆齿轮三向径的精确值r
22
，则上非圆齿轮二向径的精确值r
21
求解如下：r
21
＝a
2-r
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)。8.根据权利要求3所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构的设计方法，其特征在于：步骤四具体如下：太阳轮一节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：上非圆齿轮一节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：其中，为初始值；上非圆齿轮二节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：上非圆齿轮三节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：其中，上非圆齿轮三相对上非圆齿轮二的角位移公式(25)中用替换求得下非圆齿轮一节曲线x轴和y轴坐标表达式，公式(26)中用替换求得下非圆齿轮二，公式(27)中用替换求得下非圆齿轮三的节曲线坐标表达式。9.根据权利要求3所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构的设计方法，其特征在于：步骤五具体如下：滚子一和滚子二的回转中心分别记为点m和点n，点m与铰接点j连线和铰接点j与铰接点i连线的夹角记为∠mji，点n与铰接点j连线和铰接点j与铰接点i连线的夹角记为∠nji；给定滚子一和滚子二的半径r、摆杆长度、∠mji的初始值和∠nji的初始值，在三维仿真软件中建立杆ij、滚子一、滚子二、摆杆和杆jd组件模型，其中，滚子一位置按照∠mji的初始
值装配在摆杆一侧，滚子二位置按照∠nji的初始值装配在摆杆另一侧，杆ij位置按照在第一个位置处的值装配，杆jd位置按照在第一个位置处的值装配；然后，利用三维仿真软件中机构仿真功能，给杆ij分配一个转动电机，使杆ij绕铰接点i按照角位移变化规律旋转，且给杆jd分配一个转动电机，使杆jd绕铰接点j按照角位移变化规律旋转，得到的点m和点n轨迹即分别为凸轮一和凸轮二的理论廓线；将凸轮一和凸轮二的理论廓线数据导出，再根据滚子一和滚子二的半径r，计算得到凸轮一和凸轮二的实际廓线。10.根据权利要求3所述慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构的设计方法，其特征在于：步骤六中，设中间非圆齿轮一的节曲线方程为：其中，r
31
为中间非圆齿轮一的节曲线向径，a、b和c均为中间非圆齿轮一节曲线方程的参数；根据中间非圆齿轮一的节曲线向径求得主动非圆齿轮的节曲线向径r
32
＝a
3-r
31
，其中，a3为主动非圆齿轮和中间非圆齿轮一的中心距，为给定值；设中间非圆齿轮二的节曲线采用椭圆，方程为：其中，b1和k1分别为椭圆的短轴及短轴与长轴的比值，中间非圆齿轮一相对主动非圆齿轮的角位移则从动非圆齿轮的节曲线向径r
42
＝2b1/k
1-r
41
，从动非圆齿轮相对中间非圆齿轮二的角位移优化目标为其中，为右凸轮的角速度，即从动非圆齿轮相对中间非圆齿轮二的角位移的导数；为栽植臂壳体的角速度，即杆jd相对x轴正方向的角位移的导数；设计变量为a、b、c、b1和k1；优化后获得设计变量的一组“非劣解”；步骤七具体如下：中间非圆齿轮一的节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：中间非圆齿轮一的节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：其中，为初始值，∠jiq为铰接点j与铰接点i的连线ji和铰接点i与中间非圆齿轮一回转中心q的连线iq之间的夹角；主动非圆齿轮的节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：主动非圆齿轮的节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：中间非圆齿轮二的节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：中间非圆齿轮二的节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：从动非圆齿轮的节曲线x轴和y轴坐标表达式分别为：
其中，∠iqj为铰接点i与中间非圆齿轮一回转中心q的连线iq和中间非圆齿轮一回转中心q与铰接点j的连线qj之间的夹角。

技术总结
本发明公开了慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构及其设计方法，将慢取快推的双行星机构水稻钵苗移栽机构简化为平面开链机构，根据取苗、推苗和若干个辅助位置点坐标及对应姿态，拟合获得末端执行点轨迹和姿态；求解平面开链机构的各杆长和角位移，基于轨迹误差最小为目标函数，进行平面开链机构的各杆角位移优化，获得最终的杆长和角位移参数；对主行星机构进行传动比分配和各级非圆齿轮设计，对凸轮摆杆式行星机构的各凸轮廓线进行仿真设计，对凸轮摆杆式行星机构的各级非圆齿轮进行优化设计，保证栽植臂的右凸轮旋转始终不被栽植臂壳体旋转超越。本发明解决了现有栽植臂壳体相对凸轮回转导致的移栽机构无法较好实现取植苗动作的问题。植苗动作的问题。植苗动作的问题。


技术研发人员：吴国环 项筱洁
受保护的技术使用者：温州职业技术学院
技术研发日：2022.06.13
技术公布日：2022/9/13