雞蛋分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉群銘 蘭育飛 史穎剛

摘 要：基于Delta機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了裂紋雞蛋分揀控制系統(tǒng)，提高了雞蛋附加值。首先，分析雞蛋分揀機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)行的軌跡，找出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使機(jī)器人分揀運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn);其次，根據(jù)抓取需求，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng);最后，設(shè)計(jì)了總體的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足雞蛋自動(dòng)分揀工作的要求。

關(guān)鍵詞：雞蛋分揀;Delta機(jī)構(gòu);軌跡規(guī)劃;氣動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號：S831.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0018-03

Abstract： Based on the Delta organization， a crack egg sorting control system was designed to increase the added value of eggs. Firstly， the trajectory of the end effector of the egg sorting robot was analyzed， and the motion law was planned to make the sorting movement of the robot more stable. Then， according to the grasping requirements， a pneumatic vacuum suction cup system was designed. Finally， the overall control system was designed. The system can meet the requirements of automatic egg sorting work.

Keywords： egg sorting;Delta mechanism;trajectory planning;pneumatic system

目前，中國雞蛋年產(chǎn)量2 999萬t，產(chǎn)量居世界第一[1]。在鮮蛋分揀方面，大部分仍采用人工作業(yè)[2]，成本高，效率低，且存在感染疾病和污染蛋品的風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此，研發(fā)適合國情的雞蛋品質(zhì)檢測與分級技術(shù)，可以提升雞蛋生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?，增強(qiáng)雞蛋產(chǎn)業(yè)競爭力。不少國內(nèi)專家、學(xué)者，基于殼蛋品質(zhì)、新鮮度等因子，開展雞蛋分揀系統(tǒng)研究[4，5]。本文設(shè)計(jì)了一種雞蛋分揀機(jī)器人的控制系統(tǒng)，采集雞蛋表面信息對雞蛋進(jìn)行分級，Delta機(jī)構(gòu)根據(jù)分級結(jié)果進(jìn)行抓取放置任務(wù)，實(shí)現(xiàn)雞蛋的自動(dòng)分揀。

1 整體設(shè)計(jì)思路

基于Delta機(jī)構(gòu)的雞蛋分揀系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由雞蛋裂紋檢測系統(tǒng)、Delta機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng)、主控制器等組成。雞蛋品質(zhì)檢測箱獲取雞蛋表面信息后，判斷雞蛋是否有裂紋，并將結(jié)果發(fā)送給主控制器。Delta機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用于執(zhí)行搬運(yùn)動(dòng)作，優(yōu)點(diǎn)是分揀高效、快速。氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓，通過柔性吸盤對雞蛋進(jìn)行吸附，實(shí)現(xiàn)無損抓取。

2 工作空間分析和末端執(zhí)行器運(yùn)行軌跡規(guī)劃

Delta機(jī)構(gòu)采用吸盤結(jié)構(gòu)抓取雞蛋，進(jìn)行分揀，作業(yè)空間如圖2所示，包含一段傳送帶和一個(gè)裂紋蛋收集區(qū)。傳送帶的帶面寬度200mm，收集區(qū)域尺寸400mm×150mm。為滿足作業(yè)需求，圓柱形作業(yè)空間的底面直徑需大于420mm，高大于60mm。

參考IRB360-1/800型Delta機(jī)構(gòu)參數(shù)，初步確定雞蛋分揀Delta機(jī)構(gòu)的主動(dòng)臂連桿[l1=240 mm]，從動(dòng)臂連桿[l2=800 mm]，靜平臺(tái)半徑R=200mm，動(dòng)平臺(tái)半徑r=50mm。根據(jù)Delta機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，采用MATLAB軟件，仿真分析雞蛋分揀Delta機(jī)構(gòu)作業(yè)空間，結(jié)果如圖3所示。

雞蛋分揀作業(yè)時(shí)，Delta機(jī)構(gòu)需要底面直徑420mm，高為60mm的圓柱形作業(yè)空間，從圖3（b）可以看出，Delta機(jī)構(gòu)實(shí)際的作業(yè)空間是底面直徑600mm、高100mm的圓柱形區(qū)域，滿足雞蛋分揀要求。

在搬運(yùn)過程中，若機(jī)構(gòu)振動(dòng)較大，雞蛋就容易從吸盤上掉落。通常情況下，為使Delta機(jī)構(gòu)的搬運(yùn)過程平穩(wěn)快速，末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)采用圖4所示的門形軌跡和圓弧軌跡。ABCDEFG為門形軌跡，由直線和圓弧軌跡組成;ADG為圓弧軌跡，由單一圓弧構(gòu)成。Delta機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器，僅在傳送帶與收集區(qū)之間運(yùn)動(dòng)，圓弧軌跡和門形軌跡均滿足要求。圓弧軌跡的總長度小于門形軌跡的總長度，在相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律下，使用圓弧軌跡的運(yùn)動(dòng)周期更短。因此，選用圓弧軌跡作為雞蛋分揀Delta機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡。

以圓弧軌跡所在的平面進(jìn)行分析，假設(shè)圓弧軌跡在XOZ平面內(nèi)，軌跡初始點(diǎn)A坐標(biāo)[xA，yA，zA]，G點(diǎn)坐標(biāo)[xG，yG，zG]，D點(diǎn)坐標(biāo)[xA+xG/2，yA+yG/2，zA+h]，則圓弧軌跡方程：

（1）

（2）

（3）

電機(jī)轉(zhuǎn)速快速突然提高時(shí)，會(huì)對機(jī)器人產(chǎn)生沖擊力，造成機(jī)器人震動(dòng)，為消除沖擊力，電機(jī)采用正弦修正梯形加速度曲線進(jìn)行控制，位移曲線表達(dá)式如下：

（5）

3 氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng)

抓取雞蛋的氣動(dòng)吸盤系統(tǒng)，包括真空發(fā)生裝置、真空吸盤、流速調(diào)節(jié)裝置、稱重傳感器和氣壓傳感器。其中，真空發(fā)生裝置包括空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓過濾閥、電磁閥、真空發(fā)生器和真空過濾器，工作流程如圖5所示。空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)調(diào)壓過濾閥輸出。電磁閥控制系統(tǒng)啟停，導(dǎo)通時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，壓縮空氣進(jìn)入真空發(fā)生器，再經(jīng)過真空過濾器過濾。真空發(fā)生器利用正壓氣源產(chǎn)生負(fù)壓。真空吸盤接觸裂紋蛋表面后，對其進(jìn)行吸附。由于吸附的原理是在柔性吸盤內(nèi)部創(chuàng)造真空環(huán)境，利用大氣壓將裂紋蛋壓在柔性吸盤上，且柔性吸盤實(shí)際作用面積較小，故裂紋蛋整體受力較為均勻，所以整個(gè)抓取放置過程中對裂紋蛋個(gè)體的損傷可忽略不計(jì)，避免了由于裂紋蛋破裂對傳送帶造成的破壞。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 Delta機(jī)構(gòu)控制程序

上電后，控制器先初始化系統(tǒng)，隨后打開串口中斷，準(zhǔn)備接收工控機(jī)發(fā)送的指令信息。當(dāng)控制器接收到工控機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，若數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，則為指令信息，控制器執(zhí)行對應(yīng)子程序;若數(shù)據(jù)不標(biāo)準(zhǔn)，則控制器繼續(xù)等待接收下一次工控機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。子程序有2個(gè)，一個(gè)用于電機(jī)復(fù)位子程序;另一個(gè)是抓取放置子程序。

電機(jī)復(fù)位子程序用于電機(jī)復(fù)位。當(dāng)控制器接收到工控機(jī)發(fā)送的復(fù)位信號時(shí)，控制器開始控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)利用光電傳感器檢測與電機(jī)軸相連的主動(dòng)臂位置。當(dāng)主動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，光電傳感器向控制器發(fā)送信號，使之關(guān)閉對應(yīng)電機(jī)的脈沖輸出通道。當(dāng)3個(gè)脈沖輸出通道都被關(guān)閉后，對電機(jī)角度進(jìn)行修正，完成電機(jī)復(fù)位，此時(shí)執(zhí)行末端到達(dá)初始位置。

抓取放置子程序用于雞蛋搬運(yùn)。當(dāng)控制器接收工控機(jī)發(fā)送的檢測結(jié)果且裂紋蛋到達(dá)抓取點(diǎn)時(shí)，控制器會(huì)打開氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng)，控制執(zhí)行末端抓取裂紋蛋;隨后將裂紋蛋搬運(yùn)到對應(yīng)收集區(qū)，關(guān)閉氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng)，控制執(zhí)行末端松開裂紋蛋。執(zhí)行末端松開裂紋蛋后，會(huì)回到初始位置，等待下一次抓取放置子程序的運(yùn)行。

抓取放置子程序的關(guān)鍵是控制執(zhí)行末端按照事先規(guī)劃的軌跡移動(dòng)。首先，向控制器內(nèi)輸入軌跡方程與插補(bǔ)點(diǎn)個(gè)數(shù);然后，控制執(zhí)行末端按順序移動(dòng)到各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的位置，直到執(zhí)行末端達(dá)到軌跡終點(diǎn)?？刂破骺刂茍?zhí)行末端在插補(bǔ)點(diǎn)間移動(dòng)的基本流程如下：執(zhí)行末端到達(dá)一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)后，首先根據(jù)目標(biāo)插補(bǔ)點(diǎn)的位置計(jì)算出每一個(gè)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，根據(jù)角度計(jì)算需要的脈沖個(gè)數(shù);然后設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速;最后使脈沖輸出通道，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)脈沖輸出通道產(chǎn)生的中斷個(gè)數(shù)達(dá)到對應(yīng)的中斷數(shù)時(shí)，對應(yīng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)3個(gè)電機(jī)都停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行末端到達(dá)目標(biāo)插補(bǔ)點(diǎn)位置;重復(fù)上述基本流程，直到執(zhí)行末端達(dá)到軌跡終點(diǎn)。

4.2 總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Delta機(jī)構(gòu)的雞蛋分揀系統(tǒng)由雞蛋裂紋檢測系統(tǒng)、Delta機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)吸盤系統(tǒng)、主控制器等組成?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖6所示，其中，工控機(jī)與主控制器通過無線串口模塊實(shí)現(xiàn)信息交互。主控制器直接控制Delta機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)、控制氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng)的啟停，接收雞蛋位置檢測信號的輸入。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了雞蛋自動(dòng)分揀系統(tǒng)。針對雞蛋分揀的運(yùn)動(dòng)要求，采用圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡，選取正弦修正梯形加速度曲線作為運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對分揀Delta機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端進(jìn)行了軌跡規(guī)劃。設(shè)計(jì)氣動(dòng)真空吸盤系統(tǒng)，柔性吸取雞蛋。最后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以滿足雞蛋自動(dòng)分揀機(jī)器人速度快、運(yùn)動(dòng)精度高、運(yùn)行平穩(wěn)且分揀準(zhǔn)確的要求。

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