面向釀造工藝流程的智能機(jī)器人系統(tǒng)研究

何榮譽(yù)，刁一峰

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙,410126）

0 引言

上甄操作是整個(gè)釀造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)踐證明上甄操作的好壞直接影響釀造的質(zhì)量。隨著我國(guó)大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是人工機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，釀造工藝基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但是唯獨(dú)上甄環(huán)節(jié)還是以傳統(tǒng)的人工操作完成。雖然通過熟練技師的操作可以提高上甄的操作質(zhì)量，但是其不可避免存在人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高以及工作效率低下的問題。其原因是因?yàn)樵卺勗爝^程中所產(chǎn)生的水蒸氣等會(huì)影響上甄操作的質(zhì)量，因此本文設(shè)計(jì)一種基于紅外視覺系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)釀造工藝上甄操作的智能化控制。

1 基于紅外視覺檢測(cè)技術(shù)上甑系統(tǒng)構(gòu)建的原因

白酒行業(yè)的機(jī)械化經(jīng)過近些年的發(fā)展，取得了顯著的成績(jī)。目前在釀酒生產(chǎn)線上除上甑蒸酒外，其他釀造生產(chǎn)工藝都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。究其原因是作為白酒釀造5 個(gè)A 級(jí)工序點(diǎn)的上甑工序，其操作復(fù)雜，要求苛刻，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上甑困難重重。因此，目前國(guó)內(nèi)上甑操作仍廣泛采用人工上甑以及代替部分人工操作的半自動(dòng)上甑[1]。為了滿足白酒釀造企業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，研究并開發(fā)一種基于紅外視覺檢測(cè)技術(shù)的白酒釀造自動(dòng)上甑系統(tǒng)很有必要。

2 面向釀造工藝流程的智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人模型的建立

本著機(jī)械設(shè)計(jì)適用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等要求的前提下，采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，經(jīng)過精確的邏輯和物理關(guān)系的計(jì)算，確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并運(yùn)用 Slidworks 對(duì)其進(jìn)行三維模型以及二維工程圖的建立。（1）機(jī)器人本體設(shè)計(jì)。采用伺服電機(jī)帶動(dòng)立柱旋轉(zhuǎn)并采用滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的上升，為了整體的穩(wěn)定性的考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了 4 根立柱，3 根為了上升安裝有絲桿，另外一根是為了起支撐作用。這樣我們就得到了機(jī)器人的整體模型，并用Slidworks 軟件建立了三維模型。（2）送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。在其內(nèi)部安裝有送料螺桿，通過絞龍電機(jī)的帶動(dòng)送料螺桿不間斷的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料在機(jī)械臂內(nèi)的傳送，同時(shí)兩個(gè)機(jī)械臂之間也是聯(lián)通的，原料能夠在兩個(gè)機(jī)械臂中通過而不會(huì)泄露，機(jī)器人的前臂安裝有一個(gè)進(jìn)料口直接與送料傳送帶連接，保證了上甄的連續(xù)性。（3）撒料器的設(shè)計(jì)。采用扇葉的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)撒料器，使物料輕松均勻的進(jìn)入甄桶，保證了上甄的質(zhì)量。

2.2 上甄機(jī)器人的視覺控制系統(tǒng)

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，紅外熱成像技術(shù)是一種采用攝像機(jī)作為中心的圖象收集組件，其能夠采集物體表面的紅外輻射，并能據(jù)此得到溫度差異，繼而得到我們需要的一系列圖像信息。

2.3 圖像處理

數(shù)字圖像處理是一種把圖象中的色彩、亮度等圖象信號(hào)轉(zhuǎn)變成可以用計(jì)算機(jī)分析的數(shù)字信息的過程。將攝像機(jī)采集到的原始圖象進(jìn)行數(shù)字化處理就得到了以像素為根本單元的數(shù)字圖像，數(shù)字圖像相較模擬圖像其優(yōu)點(diǎn)在于能夠使用智能計(jì)算機(jī)和數(shù)字化電路進(jìn)行儲(chǔ)存和分析。在模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像的過程中，首先將圖像中的連續(xù)空間離散化得到圖像的基本元素像素，各個(gè)像素的位置坐標(biāo)、灰度值以及顏色值的信息都是整數(shù)值。一般來(lái)說，像素以二維整數(shù)組的光柵圖像儲(chǔ)存在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，傳輸和儲(chǔ)存時(shí)一般采用儲(chǔ)存值的壓縮格式。

圖像處理有多種形式，一般來(lái)說這些處理是為了對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，數(shù)字圖像處理具體的流程圖一般如圖1。

圖1 數(shù)字圖像處理過程

2.4 基于matlab 的視覺圖片處理

上甄機(jī)器人實(shí)際工作時(shí)紅外攝像機(jī)拍攝得到的圖片是一組甄桶內(nèi)部料層的溫度分布圖，通過這些照片我們無(wú)法知道具體的補(bǔ)料位置。因此，需要對(duì)這些紅外視覺照片進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過提取圖像高溫的特征，可獲得具體的漏氣位置，從而控制機(jī)器人對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行補(bǔ)料。

3 基于視覺的上甄補(bǔ)料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人控制器的選擇

目前工業(yè)機(jī)器人行業(yè)，控制器主要有單片機(jī)、基于 DPS 的運(yùn)動(dòng)控制器以及基于 PLC 的運(yùn)動(dòng)控制器等多種控制器。機(jī)器人控制器是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的中心部分，它完成了系統(tǒng)由控制到本體的信號(hào)轉(zhuǎn)換，促使機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作[2]?？刂破魇菣?quán)衡機(jī)器人工作能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，也在某種程度上體現(xiàn)了機(jī)器人使用的方便程度，對(duì)機(jī)器人的發(fā)展有著極大的促進(jìn)作用?？刂破鞑粌H要實(shí)現(xiàn) PTP 控制(point to point control)，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn) CP 控制(continuouspath control)。目前的三種運(yùn)動(dòng)控制器中，PLC 控制器所要求的硬件條件不是太苛刻硬件，不需要設(shè)計(jì)繁雜的電路板就可完成相應(yīng)的功能。根據(jù)實(shí)際需要，我們采用美國(guó)羅克斯韋爾公司的 1769-L3ERM 控制器作為上甄機(jī)器人的控制設(shè)備。同時(shí)為機(jī)器人加入傳送設(shè)備以及必要的照明設(shè)備以后，機(jī)器人就能正常的進(jìn)行工作。

3.2 PLC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上甄布料流程圖見圖2 所示，控制裝甄布料機(jī)械手的PLC 有以下輸入信號(hào)：4 個(gè)啟動(dòng)、復(fù)位、急停和停止按鈕，用于不同裝甄操作方式的1 個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)連續(xù)旋動(dòng)開關(guān)，6 個(gè)分別用來(lái)檢測(cè)底座和后臂伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)及其極限，2 個(gè)前臂上下限位信號(hào)，2 個(gè)前后壁送料螺桿變頻警報(bào)，1 個(gè)左右鍋切換按鈕，3 個(gè)工序按鈕，2 個(gè)送料螺桿堵料檢測(cè)，以及相應(yīng)的3個(gè)安全光柵，共24 個(gè)。

3.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

通過以上設(shè)計(jì)和分析，我們最終得到了智能上甄機(jī)器人的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制中心采用工業(yè)計(jì)算機(jī)為控制中心，進(jìn)行電機(jī)控制和開關(guān)量控制的主要控制元件采用 PLC 運(yùn)動(dòng)控制器，具體包括機(jī)器人本體控制、視覺系統(tǒng)控制、傳輸系統(tǒng)控制和其他附屬系統(tǒng)的控制，如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人本體控制主要是通過 PLC 控制三個(gè)伺服電機(jī)以及兩個(gè)絞龍電機(jī)，三個(gè)伺服電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在鉛垂面上的上下運(yùn)動(dòng)和水平面上機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絞龍電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂內(nèi)部的螺旋攪拌器不斷旋轉(zhuǎn)輸送物料。

視覺系統(tǒng)則由紅外攝像機(jī)、圖像采集處理模塊以及上位機(jī)組成。高速攝像機(jī)與圖像采集處理模塊間，圖像采集處理模塊與上位機(jī)間分別采用脈沖通訊和以太網(wǎng)通訊?？刂剖菆D像采集的開關(guān)，其將采集到的圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理后進(jìn)一步上傳到上位機(jī)，相應(yīng)的上位機(jī)將機(jī)器人的信息再返回給控制器。

傳輸系統(tǒng)主要是電機(jī)和一條傳送帶組成，控制器直接控制傳送帶上的伺服，當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，電機(jī)得到控制器給出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)作。另外，為了實(shí)時(shí)掌握傳送帶的速度，我們?cè)谄渖习惭b有編碼器。

附屬系統(tǒng)包括夜間工作照明、急停開關(guān)和狀態(tài)指示燈等開關(guān)量的控制.

4 結(jié)論

視覺實(shí)驗(yàn)通過給予機(jī)器人料層漏氣照片證明了機(jī)器人能夠得到準(zhǔn)確的漏氣位置；釀酒實(shí)驗(yàn)通過比較機(jī)器人釀造的白酒和人工上甄得到的白酒驗(yàn)證了機(jī)器人在釀酒品質(zhì)以及產(chǎn)量上都有著較好的表現(xiàn)。