[发明专利]混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法

摘要

本发明公开了混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法。旱地穴盘苗移栽通常由取苗和植苗机构配合完成移栽工作，一套机构实现取苗和植苗动作的设计难度大。本发明根据花卉移栽工作要求拟定机构初始轨迹，反求混合驱动五杆花卉盘栽机构的角位移规律，确定常速电机和可调速电机的控制参数；以变速电机的角加速度波动最小为目标基于遗传算法优化混合驱动五杆花卉盘栽机构参数，得到设计变量运算结果。本发明基于遗传算法来优化五杆机构的尺寸、机架所处的位置、取苗凸轮所需的角位移以及两个原动件的角位移转动规律，综合设计出适合于全自动花卉移栽取苗和植苗轨迹姿态要求的混合驱动五杆花卉盘栽机构，为全自动化花卉移栽提供另一种设计思路。

主权项

混合驱动五杆花卉盘栽机构的参数优化方法，其特征在于：该方法具体如下：1构建混合驱动五杆花卉盘栽机构混合驱动五杆花卉盘栽机构包括常速电机、可调速电机、摇杆、连杆一、曲柄、机座和T形移栽臂；所述的T形移栽臂包括移栽凸轮、拨叉、弹簧座、弹簧、转动片、秧针、推苗爪、推苗杆和壳体；移栽凸轮、拨叉、弹簧座和弹簧均设置在壳体内；所述曲柄的一端固定在常速电机的输出轴上，另一端与T形移栽臂的壳体底部铰接于点D；常速电机的底座固定在机座上；曲柄与T形移栽臂壳体铰接的那端固定移栽凸轮；所述摇杆的一端固定在可调速电机的输出轴上，另一端与连杆一的一端铰接于点B；可调速电机的底座固定在机座上；所述连杆一的另一端与T形移栽臂壳体的内端铰接于点C；常速电机驱动曲柄，曲柄的角速度大小和方向不变；常速电机由单片机控制转速、转向和启停；可调速电机采用伺服电机，可调速电机通过控制单片机发出的脉冲调节摇杆的角速度大小和方向；所述拨叉的中部与壳体铰接，底部与移栽凸轮构成凸轮副，顶部弧形块与弹簧座构成摩擦力方向与推苗杆成一夹角的滚动摩擦副；所述弹簧座与推苗杆固定；推苗杆与壳体构成滑动副；推苗杆尾部与壳体通过弹簧连接，头部与推苗爪固定；两片转动片对称铰接在壳体外，且分别与一根秧针的尾部固定；两根秧针的头部分别穿过推苗爪两侧的安装孔；2构建混合驱动五杆花卉盘栽机构的逆向设计模型2.1：将T形移栽臂等效为连杆二和连杆三，则连杆一和曲柄与T形移栽臂的装配关系等效为：曲柄的另一端与连杆三的内端铰接于点D；连杆一的另一端与连杆二的一端铰接于点C；连杆二的另一端与连杆三的内端固联；连杆三的外端自由设置，连杆三的外端端点等效为秧针的头部尖点；2.2：建立直角坐标系，设计混合驱动五杆花卉盘栽机构的目标移栽轨迹，给定目标移栽轨迹上的数据点，首末数据点重合，通过三次非均匀B样条拟合控制点，并根据德布尔递推公式计算得到目标移栽轨迹曲线上的其它点坐标；2.3：反求混合驱动五杆花卉盘栽机构的角位移规律；目标移栽轨迹点坐标即为连杆三外端端点F的运动轨迹点坐标，根据常速电机的输出轴中心E横坐标xE、纵坐标yE以及连杆三外端端点F的运动轨迹点与常速电机的输出轴中心E的最大距离和最小距离求得：L4=max((yF-yE)2+(xF-xE)2)-min((yF-yE)2+(xF-xE)2)2L5=max((yF-yE)2+(xF-xE)2)+min((yF-yE)2+(xF-xE)2)2---(1)]]>式(1)中，L4为曲柄长度、L5为连杆三长度；在求得L4和L5的基础上，利用反正切和反余弦函数求得曲柄与水平轴x的夹角θ4：θ4=tan-1(yF-yExF-xE)±cos-1(L42+L52-[(yF-yE)2+(xF-xE)2]2·L4·L5)---(2)]]>式(2)中，连杆三外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中，取负号；在求得θ4的基础上，计算连杆三内端铰接点D坐标：xD=xE+L4·cos(θ4)yD=yE+L4·sin(θ4)---(3)]]>利用反正切直接求得连杆三与水平轴x的夹角θ5：θ5=tan-1(yF-yDxF-xD)---(4)]]>利用杆长关系可求得连杆二的铰接点C坐标：xC=xD+L5·cos(θ5+β)yC=yD+L5·sin(θ5+β)---(5)]]>式(5)中，β为连杆二与连杆三之间的夹角；根据可调速电机的输出轴中心A横坐标xA、纵坐标yA、摇杆长度L1和连杆一长度L2求解摇杆与水平轴x的夹角θ1：θ1=tan-1(yC-yAxC-xA)±cos-1(L12+L22-[(yC-yA)2+(xC-xA)2]2·L1·L2)---(6)]]>式(6)中，连杆三外端端点F由目标移栽轨迹最远点向最近点运动过程中取正号，由目标移栽轨迹最近点向最远点运动过程中取负号；在求得θ1的基础上，利用三角函数求得连杆一的铰接点B坐标：xB=xA+L1·cos(θ1)yB=yA+L1·sin(θ1)---(7)]]>利用反正切直接求得连杆一与水平轴x的夹角θ2：θ2=tan-1(yC-yBxC-xB)---(8)]]>2.4：求得目标移栽轨迹上每一点对应的θ1值与θ4值后，确定θ1与θ4的函数关系，得到摇杆和曲柄的运动规律，即得到常速电机和可调速电机的控制参数；3参数优化设计通过优化摇杆长度L1、连杆一长度L2、可调速电机的输出轴中心坐标、常速电机的输出轴中心坐标、连杆二与连杆三的夹角β，使得可调速电机避免过大的角加速度波动，参数优化具体如下：首先，遗传算法的参数为：遗传种群大小设置为80，最大进化代数设置为100，变异概率设置为0.01，交叉概率设置为0.8；其次，减小遗传算法优化时间：目标移栽轨迹上每间隔十个点定义为一个优化点i，i＝1,2,3，···；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和电机控制要求，以及减小摇杆的加速度要求，混合驱动五杆花卉盘栽机构具体优化设计为：目标：F＝min[max(θ1(i+1)‑θ1(i))]；变量：X＝[xE,yE,xA,yA,L1,L2,β]；约束：1)L4+L5≥max(s1)；2)|L4‑L5|≥min(s1)；3)4)j1(m)＝α+π/2+γ；5)j1(n)＝π/2+γ；6)L1+L2≥max(s2)；7)|L1‑L2|≥min(s2)；8)L1‑L2+L3+L4‑L5≤0；9)L1+L2‑L3+L4‑L5≤0；10)L1‑L2‑L3+L4+L5≤0；11)δ＝[θ5(m)‑θ4(m)]‑[θ5(n)‑θ4(n)]≥20°；其中，秧盘的倾角为α＝50°，γ为取苗点处T形移栽臂秧针与钵苗的夹角，这里γ＝0，这样可以得到取苗时T形移栽臂的角位移；j1(m)为T形移栽臂秧针在取苗点处与水平轴x的夹角，j1(n)为T形移栽臂秧针在植苗点处与水平轴x的夹角；由于这里限定了γ＝0，则j1(m)＝140°，δ为T形移栽臂在取苗点运动到植苗点的过程中移栽凸轮的转角；另外，只要约束j1(m)和j1(n)就可确保花卉移栽时的姿态目标，m为max(xf)对应的优化点，即取苗点；n为min(yf)对应的优化点，即植苗点；遗传算法优化结果：X＝[xE,yE,xA,yA,L1,L2,β]                  ＝[0,‑150.00,‑267.20,61.87,152.8,324.55,1.19]。