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水稻钵苗移栽技术是我国水稻生产上的一项新的增产栽培技术,目前主要采用抛秧和钵苗行栽作业,未能实现精准移栽。随着机构学理论、技术与应用的发展,空间连杆机构具有结构简单、控制容易、运动连续以及可实现空间复杂运动轨迹等特点,而成为各类运动机构研究领域的新热点。本课题结合国家“十五”科技攻关项目“水稻高速种植机械研究”子课题“水稻钵苗有序栽植机械研究”,探讨空间连杆机构在农业机械研究上的应用,利用封闭链空间连杆机构,解决具有复杂轨迹要求的水稻钵苗精准栽植问题,研究开发一种机械手式水稻钵苗精准移栽机构,以实现水稻钵苗的精准移栽作业。研究成果对提高水稻种植机械化水平,促进水稻生产的发展,具有重要的现实意义和理论研究价值。
课题从空间连杆机构的基础理论分析入手,通过对水稻钵苗物理力学特性试验结果分析,根据实际农业中钵苗移栽技术要求,提出了实现水稻钵苗精准移栽的、基于空间机构的水稻钵苗精准栽植机构的技术方案;利用本课题建立了空间连杆机构的统一分析模型,并对其进行了理论分析:完成了该水稻钵苗精准栽植机械手机构的设计、参数优化、试制和试验工作;针对水稻穴盘育苗的特性和拔秧要求,设计了拨杆式秧苗夹钳装置;在关键部件理论分析和试验研究的基础上,完成了空间机械手式水稻钵苗行栽机的总体设计工作,并虚拟样机仿真。主要研究结论如下:
1.通过对水稻钵苗物理力学特性试验结果、国内外水稻钵苗的栽植技术和实际农业钵苗移栽技术要求的分析,确定了本课题的研究方案:结合空间机构的优点,采用最优的水稻钵苗机械手移栽技术,将空间连杆机构应用到水稻移栽技术上,设计一种单自由度水稻钵苗精准栽植机械手机构,使移栽秧苗的运动轨迹与农业技术要求的秧苗运动轨迹相似或逼近,保证水稻空间大范围内的精准、定点定量的移栽。
2.通过矢量旋转法对空间连杆机构建立统一的数学分析模型,以及MATLAB语言对空间连杆机构进行理论分析,为基于空间机构的栽植机构参数优化、轨迹规划、运动特性和受力分析提供前提条件。
3.通过对栽植机械手机构的结构设计、理论分析表明:基于可控空间变杆长RRRSR连杆机构的机械手栽植机构的尺寸参数选取合理,机构构型可行,实现了空间大范围内秧苗的定点定量移栽,且运动连续可靠,结构紧凑。
4.栽植机构的试验结果表明:秧苗的运动轨迹与农业技术要求的特定轨迹逼近,并严格具有拔秧工作段和插秧工作点;测量的秧苗运动轨迹坐标数据比理论分析的运动轨迹数据偏小,存在少许误差,分析其产生的因素有测量误差、制造误差和外力影响等。
5.通过对各种常见的机械手末端执行器的特点分析,完成了拨杆式单支点回转型夹钳装置的设计,由固定板、夹板、拨杆、翻转杆和垫圈等组成。该机构结构简单,体积小,质量轻,夹持安全可靠,适合夹持不同尺寸和形状工作的需要,实现了秧苗精确定量的夹取。
6.在各部件理论分析的基础上,完成机械手式水稻钵苗行栽机虚拟样机的设计。其性能检测结果显示:整机设计合理,结构新颖,具有结构简单,重量轻,操作使用方便,工作可靠等优点,且各项性能指标均达到或超过了设计指标,满足农艺要求。作业成本低,具有显著的社会经济效益,可大幅度减轻水稻移栽作业劳动强度,提高作业质量和生产效率。