禽蛋自動撿拾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)械手運(yùn)動方式分析

陳華

摘要：我國禽蛋拾取系統(tǒng)目前并未完全實現(xiàn)自動化，禽蛋生產(chǎn)企業(yè)在工作效率方面較低，無法滿足企業(yè)發(fā)展需求.本文設(shè)計的禽蛋拾取裝置為禽蛋運(yùn)輸裝置及震動矯正裝置聯(lián)合建立的自動拾取系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能實現(xiàn)禽蛋自傳送帶到裝盤的流程，并確定機(jī)械手引力及吸盤參數(shù)，從而優(yōu)化機(jī)械手工作效率，對機(jī)械手工作運(yùn)動方式進(jìn)行規(guī)劃，并追蹤放蛋結(jié)果，對撿蛋成功率進(jìn)行分析，從而確定優(yōu)化方案.本次實踐表明，此套設(shè)計方案，具有簡單、便捷特點，有利于快速定位，能夠滿足企業(yè)發(fā)展需求，具有應(yīng)用價值.

關(guān)鍵詞：禽蛋;自動拾取系統(tǒng);機(jī)械手;運(yùn)動方式

中圖分類號：S24;TP241.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）05-0077-03

禽蛋作為我國農(nóng)副產(chǎn)品的重要組成部分，在人們生活中體現(xiàn)出較大價值，禽蛋產(chǎn)業(yè)也是農(nóng)業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè).我國禽類養(yǎng)殖場多為中小型，且養(yǎng)殖區(qū)域較為分散，無法形成大規(guī)模的模式.我國在1980年以后，禽蛋產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新的時期，產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，自動化要求不斷提升.國際中的禽蛋生產(chǎn)多數(shù)為量產(chǎn)，具有大規(guī)模、大生產(chǎn)的特點，利用自動化拾取系統(tǒng)，將禽蛋集中后轉(zhuǎn)移到托輥上，對禽蛋進(jìn)行清洗及包裝，此套工作流程完全實現(xiàn)自動化，對人力的要求較低，使企業(yè)工作效率提升.而我國在此方面發(fā)展較為遲緩，雖然引進(jìn)國外設(shè)備，但由于投資成本限制，自動化水平依舊無法提升.因此，本次實踐針對國內(nèi)自動集蛋系統(tǒng)現(xiàn)狀，設(shè)計新型自動拾取系統(tǒng)，從而滿足企業(yè)發(fā)展需求，推動我國禽蛋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

我國禽蛋生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)為中小型企業(yè)，對此考慮我國現(xiàn)狀，并對我國的禽蛋生產(chǎn)模式進(jìn)行分析，從而觀察到禽蛋通過托輥進(jìn)行轉(zhuǎn)移，達(dá)到設(shè)定地點后進(jìn)行封裝，因此，禽蛋設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)將傳送帶禽蛋輸送于托盤，使裝盤的能力改善，實現(xiàn)自動化.禽蛋轉(zhuǎn)移過程中，不能完全依賴一個硅膠槽或者多個必須裝滿的硅膠槽，若直接將禽蛋轉(zhuǎn)移至托盤，托盤將無法放滿，需要進(jìn)行人工填充，因此在設(shè)計系統(tǒng)過程中，需思考無序傳送變?yōu)橛行騻魉?，利用機(jī)械手將硅膠中的禽蛋拾取，從而系統(tǒng)可分辨硅膠槽放滿.若硅膠槽中有一定量的禽蛋，結(jié)合傳送帶運(yùn)行速度，對禽蛋位置進(jìn)行測算，從而控制機(jī)械手跟蹤禽蛋，將禽蛋抓取后，按照設(shè)定線路進(jìn)行擺放.

1.1 系統(tǒng)框架

禽蛋自動識別系統(tǒng)利用禽蛋運(yùn)輸設(shè)備及震動矯正設(shè)備等構(gòu)成，主要開展禽蛋運(yùn)輸及收集、存放工作，震動矯正裝置能夠?qū)魉蛶У那莸盁o序擺放變?yōu)橛行驍[放，禽蛋拾取裝置則是復(fù)雜裝盤.在禽蛋運(yùn)輸裝置中，對托輥滾動成本進(jìn)行分析，可選擇加硅膠條的運(yùn)輸方式.禽蛋運(yùn)輸裝置可利用硅膠槽傳送帶及光電編碼器等設(shè)備能力，組建自動化運(yùn)輸系統(tǒng).集蛋槽傳輸帶表面為硅膠材質(zhì)，根據(jù)傳送表面可形成多個矩形槽，不同矩形槽底部為圓弧狀，在寬度方向自由弧狀結(jié)構(gòu)中分割，長度防線利用直線結(jié)構(gòu)進(jìn)行分行，不同格子中集蛋槽深度為蛋寬的一半，槽寬方向設(shè)定一個開縫，防止傳送過程中硅膠出現(xiàn)拉斷問題.集蛋槽傳送帶套設(shè)定在編碼器驅(qū)動上，從而實現(xiàn)禽蛋的有效傳送，保持運(yùn)行的均勻性.傳送帶壓緊裝置放置在集蛋槽中段，其中涉及多個滾輪，防止傳送出現(xiàn)震動問題.傳送帶壓緊設(shè)備劃分兩個區(qū)域，即為矯正區(qū)及撿蛋區(qū)，矯正區(qū)能夠?qū)⑶莸疤畛渲辆匦窝ǜ?，撿蛋區(qū)則是將禽蛋拾取于托盤.

在震動矯正裝置中，涉及彈簧及脈沖電磁鐵、敲打部件等，震動矯正裝置安裝于集蛋槽傳送帶下方，并采取等距安放方式.敲打部件下方則是安裝彈簧及脈沖磁鐵，上部設(shè)定齒狀物，能夠?qū)⑶莸拜斔陀诘撞?，為防止禽蛋運(yùn)輸過程出現(xiàn)破損，齒狀物選擇橡膠材質(zhì)，脈沖電磁則是根據(jù)頻率展開工作，敲打部件敲打集蛋槽底部，使集蛋槽上的禽蛋隨機(jī)分布，矯正后進(jìn)入集蛋槽.

禽蛋拾取執(zhí)行裝置，需思考硅膠傳送帶是否均需要有蛋，體現(xiàn)為禽蛋在硅膠槽中位置存在一定問題，需要進(jìn)行改善與調(diào)整，若利用機(jī)器視覺技術(shù)，需要增加工業(yè)相機(jī)及光源，從而使設(shè)備成本增加.在本次實踐過程中，利用低成本的光電設(shè)計方案，若槽內(nèi)存在禽蛋，根據(jù)傳送帶速度，能夠?qū)η莸拔恢眠M(jìn)行跟蹤，系統(tǒng)控制機(jī)械手將禽蛋吸取，據(jù)設(shè)定的線路放蛋.禽蛋拾取執(zhí)行裝置，利用并聯(lián)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，并聯(lián)系統(tǒng)中利用三自由度并聯(lián)裝置，從而實現(xiàn)擺臂.拾取機(jī)械手由旋轉(zhuǎn)設(shè)備及提升設(shè)備、真空吸盤組成.真空吸盤的作用在于抽氣將禽蛋拾取.旋轉(zhuǎn)設(shè)備能夠控制水平位移，從而滿足撿蛋需求，提升設(shè)備在真空吸盤的作用下，將禽蛋送入托盤.

1.2 禽蛋拾取系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

禽蛋拾取控制結(jié)構(gòu)中，由PC控制器及控制卡、閉環(huán)控制器、驅(qū)動器扥組成.PC控制器相當(dāng)于該結(jié)構(gòu)的靈魂，能夠準(zhǔn)確計算機(jī)實施監(jiān)控，控制卡則是與閉環(huán)控制器及驅(qū)動器結(jié)合，從而對主動臂運(yùn)動進(jìn)行控制，單片機(jī)控制舵機(jī)及繼電器行為.旋轉(zhuǎn)設(shè)備對機(jī)械手水平活動范圍進(jìn)行控制，從而保障舵機(jī)能夠有效控制機(jī)械手完成旋轉(zhuǎn)動作，接近傳感器能感應(yīng)禽蛋，繼電器控制二位三通閥變位，該設(shè)備連接氣泵及抽氣孔，從而有效將禽蛋吸取及安放.

1.3 系統(tǒng)運(yùn)作流程

禽蛋自動拾取系統(tǒng)在工作中，養(yǎng)殖場每排禽類籠子中，網(wǎng)面設(shè)置集蛋帶，將禽蛋收集后拉出，將禽蛋沖洗后，使納入禽蛋能夠整合于傳送帶中，禽蛋運(yùn)輸過程中設(shè)置矯正區(qū)及撿蛋區(qū)，將禽蛋震動裝置矯正，使禽蛋能夠進(jìn)入傳送帶硅膠槽中，使禽蛋擺放變得有序.禽蛋進(jìn)入撿蛋區(qū)后，接近傳感器會感應(yīng)禽蛋序列，單片機(jī)將信號傳導(dǎo)與串口PC控制器，將信號接收后計算禽蛋位置.PC控制卡利用閉環(huán)控制器對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制，移動主動臂，將機(jī)械手末端的禽蛋吸取，等待PC控制器發(fā)出信號，從而使舵機(jī)真空吸盤旋轉(zhuǎn)90°后，將禽蛋豎直放下，機(jī)械手將禽蛋轉(zhuǎn)移至托盤上時，繼控器停止行為，二位三通閥變位及氣泵與大氣導(dǎo)通后，禽蛋進(jìn)入托盤中，從而實現(xiàn)整體的自動流程.

2 自動拾取系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

拾取機(jī)械手是禽蛋自動拾取系統(tǒng)的關(guān)鍵，能夠?qū)ぷ餍始俺晒β十a(chǎn)生影響.舵機(jī)輸出能力及吸盤壓力是保障機(jī)械手開展工作的重要指標(biāo)，需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行探討，從而使拾取機(jī)械手及抽氣泵選擇具有參考依據(jù).

2.1 舵機(jī)輸出力矩

3 拾取機(jī)械手的運(yùn)動路徑

3.1 系統(tǒng)布局及坐標(biāo)的關(guān)系

禽蛋拾取系統(tǒng)在布局過程中，外側(cè)接近開關(guān)原點，并建立三維坐標(biāo)，傳送帶據(jù)y軸向中心c過渡，距離為55mm，蛋托選擇紙質(zhì)蛋托，規(guī)格為5*6，相鄰的單孔距離為45mm，傳送帶傳送的持續(xù)速度為V0，據(jù)此建立機(jī)械手吸盤坐標(biāo)（x0，y0，z0），蛋托左上角蛋孔指標(biāo)為x1y1，從而能夠建立坐標(biāo)（x1，y1，0）.傳送帶還需設(shè)定不同的行數(shù)，從而使禽蛋有序排列，計算開關(guān)感應(yīng)禽蛋計算時間，能夠確定禽蛋下落的行數(shù).

3.2 拾取系統(tǒng)機(jī)械手的活動路徑

本次系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)，機(jī)械手能夠開展各自的活動，在一次完整的禽蛋拾取過程中，順序為A-B-C-B-A-D-E-A-D-A.實現(xiàn)一次完整的動作，活動過程中，需要在B及D兩處停頓，從而使路徑長度改變，保障末端的運(yùn)行速度.本次實踐過程中，采取圓拱門路徑方式，禽蛋拾取過程中，采取A-B-C-A方式，從而使整個活動過程更加順利，保障拾取效率及成功率.

3.3 拾取機(jī)械手活動線路評估

機(jī)械手在拾取禽蛋過程中，需要首先對目標(biāo)進(jìn)行識別，從而選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)，調(diào)節(jié)運(yùn)行線路，獲得抓取目標(biāo).在大量禽蛋通過時，自動拾取系統(tǒng)對禽蛋進(jìn)行順序擺放，從而運(yùn)動的總路程及花費(fèi)的時間存在差異，對禽蛋拾取系統(tǒng)工作效率產(chǎn)生一定影響.與相關(guān)研究人員的機(jī)器人栽苗方式較為類似，傳送帶不同起始點，利用蛇形走位進(jìn)行禽蛋拾取，能夠在左右抓取過程中，拾取一列列禽蛋，禽蛋拾取方法較為多樣，能夠獲取64枚禽蛋，禽蛋保持定量運(yùn)動，坐標(biāo)產(chǎn)生變化時，禽蛋放蛋方案確定存在一定困難，需利用試驗方式進(jìn)行優(yōu)化.

4 結(jié)束語

本次實踐設(shè)計一套禽蛋自動拾取系統(tǒng)，操作方式較為簡單，坐標(biāo)定位能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)禽蛋自傳送帶至蛋托的裝盤流程，從而為自動化禽蛋生產(chǎn)提供一定的依據(jù).在本次實踐過程中，優(yōu)化機(jī)械手活動路徑，從而撿蛋成功率在98%以上，能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)需求.在自動取蛋系統(tǒng)優(yōu)化中，利用遠(yuǎn)程傳送方式，對禽蛋急性有序擺放，本次實踐結(jié)果較為理想，但在未來的規(guī)劃中，還需不斷深化，涉及禽蛋保鮮問題，調(diào)整驅(qū)動機(jī)功率，保障機(jī)械手的工作效率.

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