基于复杂运动轨迹轮系的除草机构的设计与优化

刘姣娣; 姚之杰; 钟春燕; 陈庆立; 张小龙; 权龙哲

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基于复杂运动轨迹轮系的除草机构的设计与优化

更新时间：2025-08-22

- 基于复杂运动轨迹轮系的除草机构的设计与优化
- Design and optimization of weed control mechanism with complex motion trajectory gear system
- 机械传动 2025年页码：1-11
- 作者机构：
  
  1.桂林理工大学先进制造与自动化技术重点实验室，桂林 541006
  2.广西广汇低温设备有限公司技术部，桂林 541100
  3.安徽农业大学工学院，合肥 230036
- 作者简介：
  
  刘姣娣，女，1975年生，湖南武冈人，博士，教授，硕士生导师；主要研究方向为智能农业机械；467803707@qq.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52075092);硕士研究生创新项目(YCSW2023362)
- DOI：
  中图分类号： S224.1+5
- 收稿日期：2025-05-03，
  
  修回日期：2025-06-16，
  
  网络出版日期：2025-08-21，
- 稿件说明：
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刘姣娣，姚之杰，钟春燕，等.基于复杂运动轨迹轮系的除草机构的设计与优化［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-11.

LIU Jiaodi，YAO Zhijie，ZHONG Chunyan，et al.Design and optimization of weed control mechanism with complex motion trajectory gear system［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-11.
刘姣娣，姚之杰，钟春燕，等.基于复杂运动轨迹轮系的除草机构的设计与优化［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-11. DOI：

LIU Jiaodi，YAO Zhijie，ZHONG Chunyan，et al.Design and optimization of weed control mechanism with complex motion trajectory gear system［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-11. DOI：

摘要

目的

针对目前始终存在的由于花生除草机构难以完成有效的株间除草运动轨迹从而导致伤根或者不可避免地出现除草盲区等问题，提出一种将除草杆件与2阶复杂齿轮系结构相结合的方法。利用由2阶椭圆齿轮大幅传动比的变化引起的末端连杆不等速的传动特性，实现末端连杆周期性的株间除草运动。

方法

将2阶非圆齿轮摆杆式除草机构简化为开链2R机构并建立正向运动学模型，通过Matlab软件中的图形用户界面Graphical User Interface（GUI）开发简化的开链2R除草机构辅助分析优化软件，探索关键结构参数与运动参数对除草动轨迹的影响；采用响应面法研究多因素对轨迹的交互作用，结合农艺要求确定对应的机构参数边界条件；最终通过遗传算法对该轮系摆杆机构的各项参数进行精确优化，以实现满足农艺除草要求的优化目标。

结果

Adams软件仿真结果表明，复杂运动轨迹与理论模型基本一致，验证了该轮系摆杆机构设计的可行性。

Abstract

Objective

To address the current challenges in achieving effective inter-plant weeding trajectories with peanut weeding mechanisms

which often result in root injury or unavoidable weeding blind zones

a method that combines the weeding rod with a second-order complex gear train structure was proposed. The unequal-speed transmission characteristics of the end linkage

caused by large-scale transmission ratio changes of the second-order elliptical gear

were utilized to achieve a periodic inter-plant weeding motion.

Methods

The second-order non-circular gear pendulum weeding mechanism was simplified to an open-chain 2R mechanism

and its forward kinematics model was established. The Graphical User Interface (GUI) in Matlab software was used to develop auxiliary analysis and optimization software for the simplified open-chain 2R weeding mechanism to explore the effects of key structural and kinematic parameters on the weeding trajectory. Response surface methodology was applied to analyze the interaction of multiple factors on the trajectory. The boundary conditions of the mechanism parameters were determined based on agronomic requirements. Finally

the parameters of the gear train pendulum mechanism were optimized using a genetic algorithm to meet the agronomic weeding requirements.

Results

Adams simulation shows that the complex trajectory aligns with the theoretical model

verifying the feasibility of the gear train pendulum mechanism design.

关键词

Keywords

references

高勇，陈中武，李沐桐，等 . 果园除草机器人研究现状与展望［J］. 现代农业装备， 2023 ， 44 （ 5 ）： 2 - 8 .

GAO Yong ， CHEN Zhongwu ， LI Mutong ， et al . Research status and prospects of orchard weeding robots ［J］. Modern Agricultural Equipment ， 2023 ， 44 （ 5 ）： 2 - 8 .

郑和，李紫琪，单以才，等 . 农田机械除草技术与装备研究现状与发展趋势［J］. 南京农业大学学报， 2025 ， 48 （ 2 ）： 285 - 295 .

ZHENG He ， LI Ziqi ， SHAN Yicai ， et al . Current status and development trends of agricultural machinery weeding technologies and equipment ［J］. Journal of Nanjing Agricultural University ， 2025 ， 48 （ 2 ）： 285 - 295 .

邢钦淞，丁素明，薛新宇，等 . 智能田间除草机器人发展现状研究［J］. 中国农机化学报， 2022 ， 43 （ 8 ）： 173 - 181 .

XING Qinsong ， DING Suming ， XUE Xinyu ， et al . Research on the development status of intelligent field weeding robot ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization ， 2022 ， 43 （ 8 ）： 173 - 181 .

胡炼，刘海龙，何杰，等 . 智能除草机器人研究现状与展望［J］. 华南农业大学学报， 2023 ， 44 （ 1 ）： 34 - 42 .

HU Lian ， LIU Hailong ， HE Jie ， et al . Research progress and prospect of intelligent weeding robot ［J］. Journal of South China Agricultural University ， 2023 ， 44 （ 1 ）： 34 - 42 .

黄文明，李世柱，王海翔，等 . 大豆机械除草技术发展现状及对策建议［J］. 农机使用与维修， 2023 （ 6 ）： 71 - 74 .

HUANG Wenming ， LI Shizhu ， WANG Haixiang ， et al . Development status and countermeasures of soybean mechanical weeding technology ［J］. Farm Machinery Using & Maintenance ， 2023 （ 6 ）： 71 - 74 .

兰玉家，王德高 . 农业综合开发花生田黑地膜除草增产效果研究［J］. 现代农业研究， 2021 ， 27 （ 9 ）： 48 - 49 .

LAN Yujia ， WANG Degao . Study on the effect of black mulch on weeding and increasing yield in peanut field in agricultural comprehensive development ［J］. Modern Agriculture Research ， 2021 ， 27 （ 9 ）： 48 - 49 .

O’DOGHERTY M J ， GODWIN R J ， DEDOUSIS A P ， et al . A mathematical model of the kinematics of a rotating disc for inter- and intra-row hoeing ［J］. Biosystems Engineering ， 2007 ， 96 （ 2 ）： 169 - 179 .

权龙哲，王旗，张景禹，等 . 立式旋转智能株间机械除草装置设计与试验［J］. 江苏大学学报（自然科学版）， 2021 ， 42 （ 5 ）： 582 - 588 .

QUAN Longzhe ， WANG Qi ， ZHANG Jingyu ， et al . Design and testing of intelligent intra-row mechanical weeding equipment based on vertical rotating mechanism ［J］. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2021 ， 42 （ 5 ）： 582 - 588 .

安红艳，禹振军，胡浩，等 . 两种生菜除草方式对比研究［J］. 农业工程技术， 2023 ， 43 （ 3 ）： 17 - 20 .

AN Hongyan ， YU Zhenjun ， HU Hao ， et al . Comparative study on two weeding methods of lettuce ［J］. Agricultural Engineering Technology ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 17 - 20 .

胡炼，罗锡文，严乙桉，等 . 基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验［J］. 农业工程学报， 2012 ， 28 （ 14 ）： 10 - 16 .

HU Lian ， LUO Xiwen ， YAN Yian ， et al . Development and experiment of intra-row mechanical weeding device based on trochoid motion of claw tooth ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2012 ， 28 （ 14 ）： 10 - 16 .

陈子文，李南，孙哲，等 . 行星刷式株间锄草机械手优化与试验［J］. 农业机械学报， 2015 ， 46 （ 9 ）： 94 - 99 .

CHEN Ziwen ， LI Nan ， SUN Zhe ， et al . Optimization and experiment of intra-row brush weeding manipulator based on planetary gear train ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ， 2015 ， 46 （ 9 ）： 94 - 99 .

周福君，王文明，李小利，等 . 凸轮摇杆式摆动型玉米株间除草装置设计与试验［J］. 农业机械学报， 2018 ， 49 （ 1 ）： 77 - 85 .

ZHOU Fujun ， WANG Wenming ， LI Xiaoli ， et al . Design and experiment of cam rocker swing intra-row weeding device for maize ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ， 2018 ， 49 （ 1 ）： 77 - 85 .

权龙哲，张景禹，姜伟，等 . 基于玉米根系保护的株间除草机器人系统设计与试验［J］. 农业机械学报， 2021 ， 52 （ 12 ）： 115 - 123 .

QUAN Longzhe ， ZHANG Jingyu ， JIANG Wei ， et al . Development and experiment of intra-row weeding robot system based on protection of maize root system ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ， 2021 ， 52 （ 12 ）： 115 - 123 .

贾洪雷，李森森，王刚，等 . 中耕期玉米田间避苗除草装置设计与试验［J］. 农业工程学报， 2018 ， 34 （ 7 ）： 15 - 22 .

JIA Honglei ， LI Sensen ， WANG Gang ， et al . Design and experiment of seedling avoidable weeding control device for intertillage maize（Zea Mays L.）［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2018 ， 34 （ 7 ）： 15 - 22 .

梁栋，孟胜 . 点接触曲线构型内啮合齿轮传动接触特性分析［J］. 科学技术与工程， 2022 ， 22 （ 30 ）： 13308 - 13314 .

LIANG Dong ， MENG Sheng . Meshing characteristics analysis of point-contact internal gear drive with curve construction ［J］. Science Technology and Engineering ， 2022 ， 22 （ 30 ）： 13308 - 13314 .

李伟杰 . 非圆齿轮行星轮系株间除草机构的设计与试验［D］. 杭州：浙江理工大学， 2021 ： 8 - 17 .

LI Weijie . Design and test of an intra-row weeding mechanism for planetary gear train with non-circular gears ［D］. Hangzhou ： Zhejiang Sci-Tech University ， 2021 ： 8 - 17 .

刘丽敏 . 非圆齿轮行星轮系乌龙茶摇青装置研制与工艺参数研究［J］. 茶叶科学， 2023 ， 43 （ 6 ）： 844 - 856 .

LIU Limin . Research on the prototype and process parameters of oolong tea rocking green mechanism of non-circular gear planetary gear train ［J］. Journal of Tea Science ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 844 - 856 .

伍松，张向军，付学中，等 . 非圆齿轮传动研究现状及发展趋势［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 11 ）： 168 - 175 .

WU Song ， ZHANG Xiangjun ， FU Xuezhong ， et al . Research status and development trend of non-circular gears ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 11 ）： 168 - 175 .

YU C N ， YE J ， JIA J M ， et al . Design，synthesis，and experiment of foot-driven lower limb rehabilitation mechanisms ［J］. Journal of Mechanisms and Robotics-Transactions of the ASME ， 2022 ， 14 （ 2 ）： 021001 .

WANG L ， SUN L ， YU G H ， et al . Approximate motion generation of an epicyclic gear train with noncircular gears based on optimization–Homotopy algorithm ［J］. Journal of Mechanisms and Robotics ， 2023 ， 15 （ 4 ）： 041002 .

徐亚丹，诸杨华，薛向磊，等 . 再生稻空间直取大偏移轮系宽窄行分插机构设计与试验［J］. 农业机械学报， 2022 ， 53 （ 9 ）： 83 - 90 .

XU Yadan ， ZHU Yanghua ， XUE Xianglei ， et al . Optimal design and experiment on gear train wide and narrow row transplanting mechanism of spatial direct extraction and large offset of ratooning rice ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ， 2022 ， 53 （ 9 ）： 83 - 90 .

石林榕，赵武云，孙步功，等 . 非圆齿轮驱动式玉米直插穴播机设计与试验［J］. 农业机械学报， 2024 ， 55 （ 10 ）： 157 - 167 .

SHI Linrong ， ZHAO Wuyun ， SUN Bugong ， et al . Design and experiment of non-circular gear-driven maize hole seeder with vertical insertion ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ， 2024 ， 55 （ 10 ）： 157 - 167 .

SUN L ， CHEN X ， WU C Y ， et al . Synthesis and design of rice pot seedling transplanting mechanism based on labeled graph theory ［J］. Computers and Electronics in Agriculture ， 2017 ， 143 ： 249 - 261 .

吴欣袁，田浩，杨文领，等 . 基于响应曲面法的割缝筛管结构参数优化［J］. 科学技术与工程， 2023 ， 23 （ 34 ）： 14555 - 14562 .

WU Xinyuan ， TIAN Hao ， YANG Wenling ， et al . Optimization of slotted screen structural parameters based on response surface method ［J］. Science Technology and Engineering ， 2023 ， 23 （ 34 ）： 14555 - 14562 .

童俊华，唐曲曲，武传宇，等 . 自动装盒机椭圆-圆齿轮行星轮系取盒机构轨迹分析与设计［J］. 机械工程学报， 2018 ， 54 （ 11 ）： 172 - 179 .

TONG Junhua ， TANG Ququ ， WU Chuanyu ， et al . Elliptical-circular planetary gear train box-taking mechanism design and trajectory analysis for automatic cartoning machines ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2018 ， 54 （ 11 ）： 172 - 179 .

林文 . 遗传算法在机器人控制系统优化设计中的作用［J］. 电子技术与软件工程， 2018 （ 4 ）： 88 .

LIN Wen . The role of genetic algorithm in the optimal design of robot control system ［J］. Electronic Technology & Software Engineering ， 2018 （ 4 ）： 88 .

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