三七移栽机械手设计与虚拟仿真

三七是一种名贵的中草药材,种植面积已达60万亩。为提高三七的产量和品质,在三七生长至一年时需对其进行移栽。目前,文山州仍采用人工方式,移栽效率低,劳动强度大、人工成本高。然而,目前市面上现有的种苗移栽机不适用于文山州三七独特的生长环境和农艺要求。所以,有必要设计出一种适合一年生三七的移栽机械手。本文开展了以下研究工作：(1)机构设计。分别对三七移栽机械手进行了机械部分和传动部分的设计。结合机械手的工作环境和工作方式,选择其自由度为6；并确定了每个关节的运动形式及转动的角度范围。结合一年生三七的物理特性,设计了一种通过箱体振动,对三七苗进行分离的分苗装置和夹苗装置。根据机械手的机型特点,选择电机驱动作为该机械手的驱动方式,并对电机和减速器进行了型号选择。确定机构的物理参数后,使用Solidworks2013进行三维虚拟样机建模,并通过ANSYS软件对关键部件进行静力学分析,并对其进行优化。(2)动力学仿真和轨迹规划。三维模型通过接口Matlab Robotics Toolbox进行了动力学仿真和分析。得到了各关节的速度、位移和加速度曲线。根据三七移栽的效率要求,把时间最优作为路径规划的优化准则。通过对比,选择抛物线过渡的线性插值对之前所取的路径点进行插值,把路径点之间的时间间隔之和设为目标函数。对三七移载机械手的移栽路径进行规划,并优化出最优移栽路径。(3)控制系统硬件电路设计。设计了一个由数字信号处理器(Digital Signal Process, DSP)主控芯片、STM32、复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)、电机驱动器模块组成的控制系统。把数字信号处理器DSP作为本系统的主控芯片,并分别对各个模块进行了分析。(4)移栽试验验证。根据轨迹方案,把单株移栽与连续作业移栽的时间当作试验因素对三七移载机械手的移栽效率进行验证。由试验可知,单株作业与连续作业时间均接近理论值,连续作业时间与理论值的相对标准偏差为0.35%。试验表明,经过轨迹优化后的实际移栽时间,与理论值相差不大,方案可行。本文设计的三七移栽机械手,符合三七的农艺要求,移栽试验和仿真均表明,其结构合理,能适用于一年生三七的移栽,有较高的移栽效率。为三七移栽机械手的设计提供参考依据。