并聯(lián)機(jī)器人在蠶繭分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王超　劉文烽　胡紫東

【摘 要】目的：蠶繭是繅絲生產(chǎn)中主要原材，蠶繭質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到繅絲質(zhì)量，將蠶繭中的優(yōu)質(zhì)品與殘次品分選后，才能將優(yōu)質(zhì)品用于繅絲工序，確保繅絲過程中生絲質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。方法：設(shè)計(jì)一套基于并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)選繭系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過機(jī)器視覺系統(tǒng)動(dòng)態(tài)識別與定位殘次繭，并聯(lián)機(jī)器人剔除重復(fù)識別過的蠶繭，通過傳送帶動(dòng)態(tài)跟蹤法預(yù)測殘次繭抓取位置，利用吸盤吸取殘次繭，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)選繭功能。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，自動(dòng)選繭系統(tǒng)能準(zhǔn)確地識別多種殘次繭，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)抓取。結(jié)論：該選繭系統(tǒng)可以有效提高生產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)機(jī)器人；動(dòng)態(tài)；選繭；識別；定位

【中圖分類號】TP242.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）04-0087-04

0 引言

我國是世界蠶業(yè)的發(fā)源地，繭絲綢業(yè)一直占據(jù)國際市場的重要地位，繭絲綢業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了極其重要的貢獻(xiàn)[1]。選繭，是指根據(jù)制絲工藝要求對原料繭進(jìn)行篩選分類的過程。由于蠶本身體質(zhì)和結(jié)繭時(shí)的環(huán)境不同，以及受收繭、烘繭、運(yùn)輸?shù)扔绊?，所以往往有一部分難以繅制高級生絲的次繭和不能繅絲的下繭，本文將次繭與下繭統(tǒng)稱為殘次繭。為提高生產(chǎn)效率和繅制品質(zhì)優(yōu)良的蠶絲，必須設(shè)計(jì)更加高效的選繭系統(tǒng)。目前，蠶繭的分揀方法主要包括肉眼評定法和振動(dòng)篩選2種方式。肉眼評定的整個(gè)作業(yè)過程基本上依靠人工完成，效率的高低在很大程度上依賴于員工的熟練程度，并且由于人本身具有主觀意識和情緒，無法恒定地評估產(chǎn)品的質(zhì)量，且識別率難以得到保障，同時(shí)該方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，雖然人工分揀的前期投資較低，但是維持其運(yùn)行的費(fèi)用不斷上升，總體消耗大、企業(yè)利潤低。振動(dòng)篩選是將顆粒大小不同的蠶繭多次通過均勻布孔的多層篩面，使原來雜亂無章排列的蠶繭發(fā)生分離，按顆粒大小進(jìn)行分層，形成小顆粒在下、大顆粒居上的排列規(guī)則，通過振動(dòng)實(shí)現(xiàn)對雙宮蠶繭的篩選[2]。此方法生產(chǎn)效率低，識別精度差，不適合實(shí)際工廠流水線作業(yè)。當(dāng)今分揀方法大多數(shù)還是采取間歇式分揀，該分揀方法即在蠶繭到達(dá)檢測區(qū)時(shí)，傳送帶停止向前，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)識別與定位，識別與定位完成后傳送帶繼續(xù)傳送到機(jī)器人抓取區(qū)域，蠶繭到達(dá)機(jī)器人抓取區(qū)域后，傳送帶停止傳送，機(jī)器人開始抓取，直到機(jī)器人完全抓取完，分揀進(jìn)入下一次循環(huán)。該分揀方法的效率和識別精度雖然比振動(dòng)篩選高許多，但是實(shí)際生產(chǎn)效率還是不夠高，且傳送裝置一直在運(yùn)行和停止之間切換，對電機(jī)的損耗太大[3]。以上技術(shù)均不符合“中國制造2025”戰(zhàn)略，針對如今選繭技術(shù)中存在的不足，本文設(shè)計(jì)了用于提高選繭效率和選繭的準(zhǔn)確性的動(dòng)態(tài)選繭系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)選繭系統(tǒng)由視覺系統(tǒng)、并聯(lián)機(jī)器人、抓取裝置、傳送帶、上車?yán)O下料區(qū)、殘次繭下料區(qū)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體示意圖如圖1所示。

動(dòng)態(tài)選繭系統(tǒng)流程圖如圖2所示。該系統(tǒng)傳送帶一直勻速運(yùn)動(dòng)，將待檢測蠶繭輸送到視覺系統(tǒng)的檢測區(qū)域，視覺系統(tǒng)對蠶繭進(jìn)行識別與定位并將殘次繭的視覺坐標(biāo)通過TCP/IP協(xié)議傳送給并聯(lián)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)器人將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除重復(fù)識別過的殘次繭，利用傳送帶動(dòng)態(tài)跟蹤法預(yù)測殘次繭的末端位置，通過機(jī)器人末端上的真空泵排氣式吸盤吸取殘次繭，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)抓取。

2 動(dòng)態(tài)選繭的實(shí)現(xiàn)

2.1 傳送帶裝置設(shè)計(jì)

傳送帶裝置的任務(wù)是對流水線的速度進(jìn)行調(diào)控，傳送帶末端裝配了上車?yán)O下料區(qū)。根據(jù)常見人工選繭傳送帶的尺寸和速度，確定傳送帶裝置相關(guān)參數(shù)如下：寬度約250 mm，長度約3 000 mm；輸送帶上表面距離地面約800 mm；輸送帶最大速度可達(dá)10 m/min；使用同步帶，避免打滑情況，使用伺服電機(jī)來調(diào)整和反饋傳送皮帶速度。

為了避免在抓取過程中，粘連蠶繭對其他蠶繭位置的影響，設(shè)計(jì)柔性凹形槽傳送帶如圖3所示，即在傳送帶上增添柔性凹形槽，每個(gè)凹形槽放一粒蠶繭，這樣可以避免蠶繭粘連造成機(jī)器人誤抓。每個(gè)凹形槽的長和寬都為50 mm，高為20 mm，即一排放5個(gè)蠶繭。

2.2 機(jī)器視覺設(shè)計(jì)

沒有配備機(jī)器視覺的機(jī)器人相當(dāng)于“盲人”，要想讓機(jī)器人更加智能，需要給機(jī)器人裝上“眼睛”，即智能相機(jī)。通過智能相機(jī)對蠶繭進(jìn)行識別與定位，將殘次繭坐標(biāo)發(fā)送給并聯(lián)機(jī)器人。

2.3 去掉重復(fù)的圖像

為了保證每個(gè)通過檢測區(qū)的蠶繭都能被識別出來，檢測區(qū)域的寬度M與傳送帶速度v和相機(jī)觸發(fā)間隔時(shí)間T必須滿足下列關(guān)系：

M-v×T>0（1）

通過視覺定位算法，可以確定檢測區(qū)中每個(gè)蠶繭在視覺坐標(biāo)系中的位置。建立如圖4的模擬蠶繭運(yùn)動(dòng)圖。

假設(shè)當(dāng)前幀中，時(shí)刻為t，蠶繭A、B、C的坐標(biāo)分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc）。則下一幀的時(shí)刻為t'，蠶繭A、B、C的坐標(biāo)分別為（xa'，ya'）、（xb'，yb'）、（xc'，yc'）。為實(shí)現(xiàn)蠶繭的去重復(fù)，選取機(jī)器人抓取區(qū)域上邊界H作為固定參考位置，l1為檢測區(qū)的上邊界到H的距離，通過當(dāng)前幀可計(jì)算A到達(dá)H的時(shí)刻：

2.5 同步時(shí)序

要想殘次繭在指定區(qū)域被抓取，必須設(shè)定抓取延時(shí)時(shí)間。機(jī)器人延時(shí)時(shí)間是傳送帶從檢測區(qū)域運(yùn)動(dòng)到指定抓取區(qū)域所用的時(shí)間。機(jī)器人的抓取區(qū)域的上邊界到檢測區(qū)域的上邊界的距離為650 mm，根據(jù)傳送帶的速度可以計(jì)算出延時(shí)時(shí)間為10 s，即機(jī)器人接受到殘次繭坐標(biāo)后延時(shí)10 s。

為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，當(dāng)抓取點(diǎn)超過安全區(qū)域，自動(dòng)釋放當(dāng)前數(shù)據(jù)開始抓取下次傳送過來的數(shù)據(jù)。

2.6 機(jī)器人選型

此次研究成果主要運(yùn)用在選繭方面，我們采用四軸并聯(lián)機(jī)器人，該機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)速度快、定位精確、效率高等優(yōu)勢[4]。該機(jī)器人采用ARM9作為主控芯片，相比于傳統(tǒng)單片機(jī)，ARM9可以直接在片上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，并且處理速度獲得了極大的提高，比較適合做實(shí)時(shí)控制。

并聯(lián)機(jī)器人每個(gè)軸內(nèi)其實(shí)是由獨(dú)立的伺服電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)，當(dāng)4個(gè)軸內(nèi)的伺服電機(jī)共同作業(yè)時(shí)，通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)，末端便能到達(dá)指定位置。因此，我們的主要任務(wù)是控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，即伺服電機(jī)的位移量。通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解[5]，可以根據(jù)末端位置反求每個(gè)軸的輸入角，即每個(gè)伺服電機(jī)的速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、期望位移等變量。

動(dòng)態(tài)抓取時(shí)，為實(shí)現(xiàn)殘次繭篩選，每次檢測的范圍只有r。即每次發(fā)送的數(shù)據(jù)為r內(nèi)所有殘次繭的數(shù)據(jù)。

r=v×t×w=65 mm/s×2 s×250 mm=130 mm×250 mm（18）

公式（18）中，v為傳送帶速度，t為智能相機(jī)觸發(fā)延時(shí)時(shí)間，w為傳送帶的寬度。

為避免漏選，在2 s的拍照間隔內(nèi)必須對殘次繭進(jìn)行完全抓取，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在r范圍內(nèi)，不粘連的蠶繭個(gè)數(shù)約13個(gè)，而殘次繭率最大為20%，即每批蠶繭最多只能有3個(gè)，因此機(jī)器人在2 s內(nèi)必須抓取3個(gè)蠶繭，即機(jī)器人的工作節(jié)拍為2/3=0.6 s/次，考慮到吸附情況和其他情況，選取的并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍必須小于0.5 s/次。

該系統(tǒng)采用優(yōu)愛寶DELTA700并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)體圖如圖5所示。其工作范圍為700 mm×700 mm，最大負(fù)載為3 kg，工作節(jié)拍可達(dá)0.4 s/次。

2.7 機(jī)器人末端抓取裝置設(shè)計(jì)

因?yàn)樾Q繭比較密集，機(jī)械夾鉗式取料手體積過大，抓取時(shí)容易觸碰到其他蠶繭，致使蠶繭的實(shí)際坐標(biāo)與抓取坐標(biāo)不一致，從而導(dǎo)致抓取失敗。氣吸式機(jī)器人末端執(zhí)行器利用吸盤內(nèi)產(chǎn)的負(fù)壓產(chǎn)生的吸力來吸住并移動(dòng)工件。吸盤就是用軟橡膠或者是塑料制成的皮碗中形成的負(fù)壓來吸住工件。常見的氣吸式吸盤有擠壓式吸盤、氣流負(fù)壓式壓盤、真空泵排氣式吸盤3種。

蠶繭表面比較粗糙，擠壓難以將吸盤中的空氣全部排出，形成的負(fù)壓不足于將殘次繭吸住。氣流負(fù)壓式吸盤利用氣流控制閥將來自氣泵中的壓縮空氣自噴嘴噴入，形成高速射流，將吸盤內(nèi)腔中的空氣帶走從而使腔內(nèi)形成負(fù)壓，然后吸盤吸住物體，但高速射流會(huì)對蠶繭的位置造成擾動(dòng)，影響精準(zhǔn)抓取。真空泵排氣式吸盤利用電磁控制閥將真空泵與吸盤連接，當(dāng)控制閥抽氣時(shí)，吸盤腔內(nèi)的空氣被抽走時(shí)，形成腔內(nèi)負(fù)壓從而吸住物體。反之，控制閥將吸盤與大氣連接時(shí)，吸盤會(huì)失去吸力從而松開工件。因此我們采用真空泵排氣式吸盤，吸盤抓取裝置通過連接法蘭安裝在機(jī)器人末端工具端臺(tái)上。由于蠶繭的高度不一，因此統(tǒng)一將吸盤下降到離傳送帶1cm處抓取，當(dāng)夾具快碰到殘次繭的時(shí)候開啟氣壓，實(shí)現(xiàn)抓取功能。機(jī)器人末端抓取裝置如圖6所示。

吸盤直徑的計(jì)算公式如公式（19）所示，其中D為真空吸盤的直徑（單位為mm），W為被吸蠶繭的重量（單位為N），t為安全系數(shù)，水平吸取時(shí)t≥4，垂直吸取時(shí)t≥8，n為吸盤數(shù)量，P為真空度（單位為MPa）。

D≥■（19）

該系統(tǒng)是為了抓取殘殘次繭，殘殘次繭中雙宮繭的質(zhì)量最大，取雙宮繭的最大重量為W，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)雙宮繭的重量小于10 g/個(gè)，因此W取0.1 N。采取單個(gè)作業(yè)，因此n取1。為了避免抓取中途脫落對后續(xù)抓取蠶繭造成的影響，安全系數(shù)t取8。實(shí)驗(yàn)所用的真空泵，真空度為0.2 MPa。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到針式吸盤的直徑D=5.09 mm。

3 結(jié)論

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，通過蠶繭的分揀實(shí)驗(yàn)，對機(jī)器人的蠶繭分揀工作的有效性和速率進(jìn)行測試。對多種殘次繭的識別率和抓取率見表1。其中，識別率是針對同一批蠶繭機(jī)器視覺系統(tǒng)識別的殘次繭總數(shù)與人眼辨別殘次繭總數(shù)的比值。抓取率是針對同一批實(shí)際抓取的總數(shù)與人眼辨別殘次繭總數(shù)的比值。

實(shí)驗(yàn)表明：采用該系統(tǒng)可對蠶繭進(jìn)行快速分揀，分揀速度可達(dá)到80次/min，可以做到利用分揀機(jī)器人代替人工作業(yè)的效果。由于形狀不規(guī)則的蠶繭難以準(zhǔn)確確定其重心及吸盤擠壓過高的蠶繭引起傳送帶震動(dòng)使重心發(fā)生偏移，因此導(dǎo)致抓取率下降。

該系統(tǒng)對殘次繭的識別、分選準(zhǔn)確，效率高，有助于提高蠶繭的附加值，改善勞動(dòng)條件。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]薛振福.選繭對繅絲產(chǎn)量質(zhì)量回收率的影響[J].遼寧絲綢，2006（1）：27-28.

[2]譚政榮，周金坤，姚建良，等.蠶繭分揀裝置[P].中國專利：201611117942.3，2017-02-22.

[3]張朝陽.基于視覺的機(jī)器人廢金屬分揀系統(tǒng)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[4]徐振偉，金嘉琦，馬佰勝.碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2017，36（1）：45-47.

[5]郭曉彬.Delta并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與動(dòng)力學(xué)控制[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]