面向立柱栽培的移栽机器人设计与协调运动仿真

针对新型螺旋栽培立柱结构进行了配套移栽机器人系统的设计。通过几何与静力学分析,确定了插针式末端执行器的驱动电磁铁选型与机构参数。通过立柱的穴盘苗机器人移栽协调运动仿真,确定了机械手结构参数与系统优化布局,得到了多执行元件协调运动时序关系并建立了移栽协调运动流程。样机试验结果表明,机械手平均水平与竖直定位误差分别为2.24 m和0.63 m,移栽成功率为94.7%。立柱1.2 m高度范围的移栽作业效率为750株/h,末端执行器取苗时间仅为0.2 s,能够满足立柱自动化移栽作业的要求。     

嫁接苗移栽机械手末端执行器的优化设计

针对断根嫁接苗手工移栽劳动强度大、效率低和作业质量难以保证等缺陷,设计嫁接苗移栽机械手末端执行器。根据嫁接苗移栽要求,采用SolidWorks软件,先建立末端执行器三维模型,然后对末端执行器的连接杆和拨土机构等重要部件进行力学分析并优化,最后将末端执行器加工成实物,并与气爪、连接盘和UR5机器人等进行装配、编程后放入移栽装置中试验。移栽试验表明:末端执行器伸入340×500mm嫁接机方框深度达210mm;在移栽速度为700株/h时,移栽成功率平均达96.67%;试验中末端执行器工作平稳,能满足移栽作业要求。     

柔性并联机器人非线性摩擦动力学建模与速度规划

为了实现柔性并联机器人的高速、高精度控制,基于HensensKostic理论,计入关节非线性摩擦力建立了Lagrange动力学误差模型,测试了补偿前后机器人的单点定位误差。基于机构最大速度和加速度约束条件,分析了S型和常用T型2种速度规划算法下机器人的位置误差和速度性能。仿真结果表明:T型速度规划位置和速度跟踪最大误差为78.1μm和11.4 mm/s,而S型速度规划分别是37.8μm和3.72 mm/s,且2个终止点定位误差仅为8.1μm和8.9μm;速度性能方面,S型速度峰值误差变化最大仅为1.74 mm/s,远小于T型速度规划的6.88 mm/s。可见,在高速下S型速度规划算法保证了较高的位置跟踪精度尤其是定位精度,速度尖峰突变小且整体曲线相对平缓,大幅提高了速度跟踪精度和运动平稳性,更易于实现机器人高速、高精度平稳控制。实验测试了机器人连续运动下定点位置误差,仿真所得位置误差小于实测数据,存在100μm左右的误差,但所得结论一致,验证了仿真分析的有效性。     

基于Delta并联机构钵苗移栽机器人尺度综合与轨迹规划

Delta并联机构具有速度快、运动精度高、灵活性强等特点,非常适合穴盘育苗过程中的移钵作业及补苗需要。基于三自由度Delta并联机构和气动取苗爪,设计了一种高速钵苗移栽机器人。通过建立Delta并联机构的单支链约束方程,求解出钵苗移栽机器人的可达工作空间;为使其可达工作空间尽可能接近设计工作空间,以机构雅可比矩阵条件数作为惩罚条件,建立起兼顾钵苗移栽机器人整机尺寸与运动学性能的尺度综合目标函数,并应用遗传算法得到机构最优尺寸参数。根据盘到盘钵苗移栽的运动要求,对移栽轨迹进行规划并选取五次多项式作为移栽动平台的运动规律函数。基于机构尺度综合和轨迹规划设计物理样机,并进行盘到盘的钵苗移栽和健壮苗补苗性能试验,结果表明:随着移栽动平台携苗运动最大加速度的提高,钵土破碎率逐渐加大,钵苗移栽合格率逐渐降低,在最大加速度amax为30 m/s2时,钵苗移栽合格率可达95.5%,移栽速率可达2 149株/h,在此加速度下进行健壮苗补苗试验,补苗合格率可达92%,证明了将Delta并联机构用于钵苗移栽机器人的可行性,以及尺度综合和轨迹规划的合理性。     

温室穴盘苗并联移栽机器人不同路径下的移栽试验研究

根据确定的并联机器人机构设计了一款温室并联移栽机器人装置。以“门字型”移动规律分析移栽路径,通过仿真得到温室并联移栽机器人的工作空间。针对128孔黄瓜苗的移栽需求,利用温室并联移栽机器人样机进行移栽性能和效果测试。在不同移栽加速度和移栽路径条件下对比移栽合格率,研究发现,移栽加速度为30 mm/s2时,合格率下降达到临界值;加速度逐步增加时,移栽合格率逐步下降。     

穴盘苗移栽末端执行器设计与仿真分析

针对目前穴盘苗移栽末端执行器存在夹持角度不可调、结构复杂等问题,设计一种三指式移栽末端执行器,通过最小夹持角度、几何参数的分析计算,完成其机械本体部分的设计。结合ADAMS虚拟样机技术,建立了该机构的虚拟样机模型,通过仿真分析得出关键点的运动轨迹及在空载和施加等效负载时的位移、速度、加速度曲线。同时,分析得出移栽末端执行器夹持土壤时的受力情况,其提升总摩擦力为16.56N大于所需提升阻力6.1 7 N。仿真实验结果显示:移栽机械手的结构设计符合要求,其运动特性能够满足移栽运动要求。     

油菜钵苗移栽机双五杆栽植机构多目标优化设计

针对双五杆栽植机构结构复杂、参数多,用传统的解析法设计较为困难的实际问题,分析了油菜钵苗移栽机双五杆栽植机构的工作原理和运动特性,构建了该机构多目标优化设计模型,借助Matlab软件开展了多目标优化设计模型的求解和参数分析,并结合高速摄像技术开展了该机构多目标优化设计模型与实际轨迹一致性的验证。结果表明:机组前进速度为0.3 m/s、栽植频率为60株/min时,栽植株距和轨迹高度均为300 mm,入土轨迹与出土轨迹具有较高垂直度和重合度,栽植轨迹最低点鸭嘴器水平方向速度为0.04 m/s,接近零速栽植,满足油菜移栽要求。     

钵苗移栽机器人控制系统设计研究

钵苗移栽是温室穴盘育苗生产中的重要环节。为实现穴盘钵苗智能化移栽作业,设计了一种高速钵苗移栽机器人。该机器人主要由穴盘定位输送系统和平动二自由度钵苗移栽系统构成,基于准确定位抓取、快速移动栽植的作业要求和系统工作原理,以PLC为核心,结合传感器和伺服控制技术对移栽机器人运动控制系统进行了设计。控制系统首先基于穴盘钵苗位置坐标信息,规划出取苗爪移栽路径;然后根据并联机构运动学逆解模型,对并联机构两主动关节伺服驱动电机的转动规律进行控制,并通过系统间的运动协调,实现钵苗从高密度盘到低密度盘或营养钵的连续高速移栽作业。以育苗期28天、钵体含水率为60%左右的黄瓜苗为对象,在移栽动平台最大加速度为45m/s2、移栽频率为45次/min的条件下,进行128孔穴盘到50孔穴盘的连续钵苗移栽运行试验。试验表明,该钵苗移栽机器人控制系统设计合理,系统间运动协调可靠,移栽成功率平均达91.4%,单爪移栽速率可达2 700株/h,满足了自动化移栽作业要求。     

温室并联移栽机器人设计与试验

针对目前温室穴盘苗移栽作业存在的人工成本高、移栽作业效率低及国外移栽机不能适应我国温室穴盘苗移栽需求等问题,从移栽需求入手,制定了框架结构、并联机器人及输送装置3部分的设计方案,设计了一款结合自动化输送装置的并联移栽机器人,其具有刚度大、精度高及累积误差小的特点。同时,进行了将128孔穴盘黄瓜苗移栽至72孔穴盘中的移栽试验,结果表明:该温室并联移栽机器人在移栽加速度高于20mm/s~2时,移栽钵苗合格率明显降低。     

摆杆式取苗机构的设计与试验

针对全自动移栽机取苗易伤苗、转移钵苗时机构冲击大等问题,结合新疆育苗农艺要求,设计了一种摆杆式取苗机构;根据取苗作业要求,规划了钵苗转移路径和各运动副的运动姿态,并构建直角坐标系;利用位姿方程,求解出末端执行器参数方程;通过软件仿真计算出机构取苗轨迹,表明轨迹满足预期轨迹设计要求。样机试验表明:平均取苗成功率为97.1%,基质损伤苗率为2.9%,茎杆损伤率为1.3%,机构可靠性较高,对钵苗的损伤较小,可为开展移栽装备的全自动化研究提供参考。     

全自动滑道式旱地钵苗移栽机构设计与试验

针对目前移栽机构取苗速度快导致钵苗易损伤和栽植器在栽植过程中水平方向与地面存在相对运动导致钵苗栽植直立度低等问题,设计了一种全自动滑道式旱地钵苗移栽机构,该机构通过滑道控制栽植臂实现取苗、送苗、栽植和复位功能,使取苗和栽植运动轨迹和运动速度达到最优状态。通过对移栽机构的理论分析,建立运动学模型。基于VB开发了计算机辅助优化设计软件,优化出一组满足理想移栽轨迹要求的机构参数,根据此参数对移栽机构进行整体设计,完成三维建模。应用ADAMS软件对移栽机构进行运动学仿真分析,验证了设计的合理性。在物理样机上利用高速摄像系统进行了轨迹验证试验,通过对比可知理论轨迹、仿真轨迹与样机工作轨迹基本一致,验证了机构设计的正确性。在栽植频率为62株/min工况下进行了机构性能试验,结果表明平均取苗成功率为95%、秧苗平均栽植直立度为82°、秧苗平均直立度合格率为93.4%,满足钵苗移栽要求。     

旱地钵苗移栽复式作业机栽植机构优化设计与试验

为节省工时,提高劳动效率,提出了一种旱地钵苗移栽复式作业机;并针对作业机栽植轨迹不理想导致钵苗栽植合格率低以及栽植器粘土堵塞导致漏苗率高的问题,优化设计了移栽复式作业机栽植机构。该机构由曲柄、平行摇杆、摆杆及夹指式栽植器构成,实现接苗、运苗、扶苗栽植和复位功能,使栽植轨迹和运动姿态满足栽植农艺要求。夹指式栽植器为敞开式结构,夹指在注水冲刷与闭合瞬间振动的作用下,解决了传统鸭嘴栽植器粘土堵塞的问题。建立栽植机构运动学模型,基于Visual Basic 6.0开发计算机辅助优化设计软件,多目标参数优化设计得出满足农艺要求的移栽运动轨迹和栽植机构参数;建立栽植机构三维模型,利用ADAMS运动学仿真分析,验证了栽植机构优化设计的合理性;样机田间试验表明,在钵苗高度约为15 cm、作业速度20 m/min工况下,钵苗栽植合格率达98.1%、漏苗率0.4%、株距变异系数4.3%、栽植深度合格率96.5%,满足旱地钵苗移栽要求。     

曲柄摇杆式分插机构的轨迹规划和运动仿真

根据曲柄摇杆式分插机构的结构特点,运用ADAMS软件,建立了乘坐式插秧机、步行式插秧机的虚拟样机模型。同时,进行了运动仿真分析,比较了两种插秧机插杆末端轨迹曲线的利弊。仿真得出了模型的末端轨迹以及插杆末端的位移、速度和加速度,为后续曲柄摇杆式分插机构的设计和制造提供了依据。     

新型六杆移栽机构的设计与运动仿真分析

为设计一种结构简单、栽植稳定、质量高、效率高的移栽机构,提出设计一种新型的六杆移栽机构。简化为数学模型后建立矢量方程,并得到移栽部件的位移、速度、加速度模型,分析其工作原理和运动轨迹规律,并借助ADAMS软件仿真分析,对其设计要求进行验证。栽植部件可实现株距为200 mm的栽植动作,轨迹平滑,在每个时长为1.5 s的周期内回程时间相对去程减少0.23 s。此新型六杆移栽机构满足栽植直立度要求、栽植深度和栽植株距要求,并且有急回特性,移栽效率较高,为进一步研究性能优良的移栽机打下理论基础。     

刚柔耦合空间闭链机器人轨迹跟踪与振动抑制研究

针对含多变量高维度空间刚柔耦合闭链机器人的轨迹跟踪和振动抑制问题,提出了一种基于前馈补偿的PD控制方法。首先,采用有限元法对柔性空间构件进行离散,基于浮动坐标系描述柔性构件位移场矢量,并根据Lagrange方程建立考虑刚性末端执行器微小位移的刚柔耦合空间并联机器人动力学模型;然后,利用前馈控制对预先求出的含耦合效应的控制力矩进行补偿,提高刚柔耦合控制系统的响应速度及跟踪性能,同时通过PD控制律保证空间闭链机器人的轨迹精度,并对不同末端载荷作用下的轨迹跟踪精度进行分析;最后,与位置PID算法进行了比较。结果表明:与位置PID算法相比,基于控制算法作用下的刚性末端执行器轨迹精度得到提高,其中,X方向误差降低了89.7%,Y方向误差降低了4.3%,Z方向误差降低了12.9%,柔性空间构件产生的振动得到了有效抑制。     

基于悬架刚柔耦合模型的汽车平顺性

基于多体动力学理论,应用机械系统分析软件ADAMS/Car,建立了计及悬架下摆臂、纵向推力杆和横向稳定杆柔性的刚柔耦合整车模型,其中柔性杆件的模态通过有限元分析获得.对车身、下摆臂垂直加速度功率谱密度以及悬架动行程和轮胎动位移进行了分析.并与多刚体模型的仿真结果进行了比较.研究结果表明:与刚体模型相比,刚柔耦合的作用使车身垂直加速度功率谱密度的幅值降低了21.5%,下摆臂垂直加速度功率谱密度的峰值减小71.3%,轮胎动载荷减小约10%,悬架动行程增大15%～20%;刚柔耦合模型之间的差异随车速提高,悬架构件的柔性在汽车平顺性分析中不可忽视.     

基于5R并联机构的二自由度树冠振动装置设计与试验

振动式采收是一种高效的林果机械化采收形式。在现有的激振形式中,非圆周激励可以使果树产生有效的振动,实现整体采收效果。为进一步提高果实的采收效率,针对非圆周激励中不同类型旋轮线轨迹进行深入研究。通过SolidWorks、ANSYS、ADAMS等软件建立果树柔性体模型。将不同轨迹参数的旋轮线位移载荷导入ADAMS,施加于果树模型激振点。比较不同轨迹的旋轮线位移载荷下果树模型的振动响应,确定3支线1号外旋轮线轨迹E为最优激振轨迹。根据最优激振轨迹,设计了由平面5R并联机构驱动的二自由度树冠振动装置。以油茶树为激振对象,确定频率6 Hz、振幅90 mm为激振参数,设计并搭建样机进行试验。试验结果表明,7×7交错分布的激振杆布局方式的激振效果最优,该布局下树冠平均合成加速度响应为22.38 m/s²,激振加速度传递效率为77.63%,验证了二维激振轨迹的有效性。     

行星轮系水稻钵苗移栽机构正反求设计方法研究

为了解决现有行星轮系水稻钵苗移栽机构较难同时具备理想的移栽轨迹和姿态的问题,提出了正向设计与局部轨迹微调的反求设计相结合的设计方法。以非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的设计为例,阐述该方法的实现过程。建立行星轮系水稻钵苗移栽机构设计要求,并分析其工作原理,在前期正向设计的基础上,局部调整其移栽静轨迹,通过反求设计进一步优化设计移栽机构。进行局部反求设计的运动学分析和运动学建模,基于Matlab平台开发计算机辅助设计软件,通过人机交互的方式得到移栽机构的机构参数,使其不仅满足移栽臂移栽的姿态要求,同时获得更理想的移栽工作轨迹。根据最终得到的机构参数设计移栽机构结构,完成三维建模、虚拟仿真试验,加工、装配移栽机构物理样机,完成了高速摄像运动学试验。将移栽机构理论计算、虚拟仿真、样机试验得到的移栽静轨迹比较,同时逐一将轨迹相关参数、取秧角、推秧角、角度差等设计目标参数与相应数值化目标进行对比,结果显示,均满足要求,验证了设计方法的正确性。与以往单一的正向设计、反求设计方法相比,该方法设计的移栽机构不仅具有更优的移栽工作轨迹,也可满足较好的移栽姿态要求。     

甘薯苗开穴注水移栽机设计与试验

甘薯是我国重要的粮食作物,机械化移栽是制约其发展的关键因素之一。针对垄作铺膜农艺要求,设计了一种结构简单、使用可靠的甘薯苗开穴注水移栽机,介绍了其整机结构、工作原理及关键部件的设计,并进行了田间试验验证。试验结果表明,其性能指标达到了设计与标准要求,能够提高工作效率,降低生产成本,推广应用前景广阔。