煙筐自動(dòng)清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

朱建新，趙淑華，韓慧丹，常亞寧，李小川，張玉祥，朱永明，4

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽(yáng)卷煙廠，河南省安陽(yáng)市龍安區(qū)煙廠路1號(hào)455004

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市大學(xué)路1號(hào)221116

3.鞏義市建設(shè)機(jī)械制造有限公司，鄭州市鞏義市河洛路石灰務(wù)工業(yè)區(qū)451200

4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市金水區(qū)農(nóng)業(yè)路63號(hào)450002

制絲線真空回潮段一般采用鋼制煙筐盛裝煙葉，紙箱煙包開(kāi)包后經(jīng)分切裝入煙筐或先裝筐后叉分輸送至真空回潮機(jī)，真空回潮處理后輸送至翻箱喂料機(jī)，倒料完成后空筐返回進(jìn)行再次裝料［1］。煙葉真空回潮處理后，受到煙葉自身質(zhì)量擠壓及增溫增濕的作用，部分煙葉會(huì)粘附在周轉(zhuǎn)煙筐內(nèi)壁及底部，不僅影響煙葉實(shí)際投料質(zhì)量的控制精度，粘附煙葉經(jīng)反復(fù)真空回潮還會(huì)形成水漬煙而失去使用價(jià)值，造成原料浪費(fèi)［2］。針對(duì)周轉(zhuǎn)煙筐粘料嚴(yán)重的問(wèn)題目前已有相關(guān)研究，李奇等［3］在翻箱喂料機(jī)前加裝壓縮空氣噴管，通過(guò)控制管路上電磁閥的通斷對(duì)周轉(zhuǎn)煙筐進(jìn)行吹掃；楊勇等［4］設(shè)計(jì)了基于PLC的真空回潮周轉(zhuǎn)箱自動(dòng)清理裝置，通過(guò)PLC控制清掃噴嘴，提高周轉(zhuǎn)箱底部殘留煙葉的清理效果；冀躍峰等［5］通過(guò)改進(jìn)周轉(zhuǎn)箱內(nèi)襯材料，降低因周轉(zhuǎn)箱粘料而造成的原料浪費(fèi)。但上述方式仍存在煙筐粘附煙葉清理不徹底、殘留煙葉過(guò)多等問(wèn)題。近年來(lái)工業(yè)機(jī)器人和視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在包裝［6］、煙草［7］、物流［8］等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。為此，基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種煙筐自動(dòng)清掃機(jī)器人，以期減少煙筐煙葉粘附量，提高煙筐清掃智能化程度和清潔效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

煙筐自動(dòng)清掃機(jī)器人主要由直線導(dǎo)軌裝置、六軸機(jī)械手、清掃裝置、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)等部分組成［9］，見(jiàn)圖1。其中，直線導(dǎo)軌裝置可以使清掃機(jī)器人移動(dòng)至工作位；六軸機(jī)械手在各軸的配合下控制清掃裝置進(jìn)行清掃動(dòng)作；清掃裝置用于清掃煙筐底部粘附的煙葉；視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煙筐底部煙葉粘附量檢測(cè)。

圖1 煙筐自動(dòng)清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of robot for tobacco basket cleaning

由圖2可見(jiàn)，翻箱喂料機(jī)將煙筐翻轉(zhuǎn)倒料后，再將其回轉(zhuǎn)35°；當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到煙筐到達(dá)清掃位置（即回轉(zhuǎn)35°位置）時(shí)，向工控機(jī)發(fā)送信號(hào)；工控機(jī)接收到信號(hào)后，控制視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)翻箱倒料后煙筐粘附煙葉情況進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，并將檢測(cè)情況及檢測(cè)完成信號(hào)反饋至工控機(jī)，工控機(jī)依據(jù)視覺(jué)檢測(cè)情況設(shè)定機(jī)械手清掃運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)發(fā)送視覺(jué)檢測(cè)完成信號(hào)至直線導(dǎo)軌裝置；直線導(dǎo)軌裝置將六軸機(jī)械手送至翻箱倒料后的煙筐內(nèi)進(jìn)行清掃準(zhǔn)備，并將六軸機(jī)械手到位信號(hào)反饋至工控機(jī)；工控機(jī)接收到六軸機(jī)械手到位信號(hào)后，六軸機(jī)械手帶動(dòng)清掃裝置按照清掃運(yùn)動(dòng)軌跡在煙筐內(nèi)移動(dòng)，對(duì)煙筐進(jìn)行清掃。

圖2 煙筐自動(dòng)清掃機(jī)器人工作流程圖Fig.2 Work flow of robot for tobacco basket cleaning

1.2 六軸機(jī)械手軌跡規(guī)劃

1.2.1 S形曲線軌跡規(guī)劃

在煙筐清掃過(guò)程中，清掃機(jī)器人既要準(zhǔn)確達(dá)到清掃位置，又要頻繁變換清掃方向以及快速實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止動(dòng)作。因此，在此過(guò)程中應(yīng)保證清掃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平滑，避免出現(xiàn)速度、加速度、加加速度突變等情況，進(jìn)而避免使清掃機(jī)器人產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)和沖擊［10］。S形曲線軌跡規(guī)劃見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，S形曲線軌跡規(guī)劃的加加速度各段均為常數(shù)，可表示為：

式中：ti為時(shí)間，s；J0為加加速度最大值，m/s3。

對(duì)加加速度積分即可得到關(guān)于加速度的函數(shù)，可表示為：

式中：a0為最大加速度，m/s2。

對(duì)加速度積分即可得到關(guān)于速度的函數(shù)，可表示為：

式中：v0為最大速度，m/s；vi為各時(shí)間對(duì)應(yīng)速度，m/s。

分析可見(jiàn)，清掃機(jī)器人為S形曲線軌跡規(guī)劃時(shí)，速度和加速度過(guò)渡平滑，能夠滿足工作要求，但其加加速度存在突變現(xiàn)象，容易導(dǎo)致清掃機(jī)器人產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊現(xiàn)象。

1.2.2 基于正弦函數(shù)的S形曲線軌跡規(guī)劃

由于正弦函數(shù)的多階積分仍為三角連續(xù)函數(shù)，故采用基于正弦函數(shù)的S形曲線軌跡規(guī)劃以保證速度、加速度和加加速度的連續(xù)性。因此，加加速度函數(shù)可表示為：

式中：T為加速度增加或減小所用時(shí)間，T=t1=t3-t2=t5-t4=t7-t6，s。

對(duì)加加速度函數(shù)一階和二階積分即可得到加速度和加加速度函數(shù)，可分別表示為：

以清掃機(jī)器人從左至右清掃煙筐過(guò)程為例，設(shè)定勻速運(yùn)動(dòng)階段速度v03=0.6 m/s，加速度增加或減少所用時(shí)間T=0.2 s，勻速運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)間t3=0.5 s，結(jié)束時(shí)間t4=1.5 s，將上述數(shù)據(jù)代入公式（4）～（6），即可得到清掃機(jī)器人基于正弦函數(shù)的S形曲線軌跡規(guī)劃，按照該軌跡控制清掃機(jī)器人從左到右清掃煙筐，監(jiān)測(cè)其在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度、加速度、加加速度的變化情況，見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，速度、加速度以及加加速度曲線均連續(xù)無(wú)突變，可以保證清掃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的平滑性，避免對(duì)清掃機(jī)器人及煙筐造成損壞。

圖4 基于正弦函數(shù)的S形曲線軌跡規(guī)劃Fig.4 S-shaped trajectory planning based on sine function

1.3 清掃裝置設(shè)計(jì)

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清掃裝置位于六軸機(jī)械手末端，由速度控制器、伺服電機(jī)、清掃毛刷和壓縮空氣清吹噴嘴等部分組成，見(jiàn)圖5。速度控制器接收工控機(jī)指令，根據(jù)指令控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；伺服電機(jī)是清掃毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源；清掃毛刷是清掃裝置的主體，毛刷的轉(zhuǎn)速、材質(zhì)、直徑、長(zhǎng)度等是影響煙筐清掃清潔度的主要因素；壓縮空氣清吹噴嘴可輔助毛刷清掃煙筐，促使粘附的煙葉脫落，同時(shí)吹掃煙筐內(nèi)襯篩網(wǎng)網(wǎng)孔中堵塞的煙末以及毛刷上粘附的煙葉，使內(nèi)襯篩網(wǎng)保持良好透氣性，提高煙葉真空回潮的回透率，保證清掃效果。

圖5 清掃裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of cleaning device

1.3.2 清掃毛刷實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

毛刷常用材料有PBT絲、豬鬃、尼龍絲、PP絲、金屬絲等，其中PBT絲和豬鬃材質(zhì)較軟，清潔效果不理想；PP絲彈性較差，長(zhǎng)時(shí)間工作容易產(chǎn)生變形且難以恢復(fù)；金屬絲較硬，容易損壞煙筐底面；尼龍絲軟硬適中、彈性及清潔效果均較好且性價(jià)比高，故清掃機(jī)器人毛刷采用尼龍材料。在材料確定的前提下，分析毛刷的其他因素（轉(zhuǎn)速、直徑、長(zhǎng)度）對(duì)清潔效果的影響。本實(shí)驗(yàn)中影響清掃毛刷清潔度的因素主要有3個(gè)，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)［11］，見(jiàn)表1。

表1 清掃毛刷清潔度正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor levels of orthogonal experiment for cleanliness of cleaning brush

正交表的選用原則是能夠安排實(shí)驗(yàn)的全部因素，并盡可能減少部分水平組合數(shù)。因此，本實(shí)驗(yàn)中選用了L9（33）正交表，見(jiàn)表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of orthogonal experimental data

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終選用直徑0.4 mm、長(zhǎng)度60 mm的尼龍材質(zhì)毛刷，該毛刷在300 r/min轉(zhuǎn)速下清掃效果最佳。

1.4 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1 硬件組成

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清掃機(jī)器人智能化的核心部分，由彩色工業(yè)相機(jī)（Hikvision/MV-CA050-20GC）、工業(yè)鏡頭（Hikvision/MVL-KF1228M-12MP）、LED光源（Omnitek/OKDM）、光電傳感器、圖像處理單元、通訊模塊、工控機(jī)等部分組成。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中將工控機(jī)作為服務(wù)器，六軸機(jī)械手作為客戶端，工控機(jī)與機(jī)械手通過(guò)TCP/IP通訊連接；彩色工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)IP配置在同一網(wǎng)段，通過(guò)千兆網(wǎng)線連接，千兆網(wǎng)線的最大傳輸距離達(dá)100 m；工業(yè)鏡頭與相機(jī)利用C-mount接口實(shí)現(xiàn)通訊。

1.4.2 圖像處理

視覺(jué)檢測(cè)工作流程見(jiàn)圖6。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到煙筐到達(dá)清掃位置（煙筐翻箱倒料后回轉(zhuǎn)35°位置）時(shí)，向工控機(jī)發(fā)送信號(hào)；工控機(jī)接收到信號(hào)后，控制LED光源開(kāi)啟及工業(yè)相機(jī)拍照。工業(yè)相機(jī)將圖像傳輸至圖像處理單元，在圖像處理單元首先調(diào)整閾值并通過(guò)二值化［12］完成圖像抽取過(guò)程，然后在有限灰度級(jí)的圖像中劃分區(qū)域進(jìn)行BLOB（Binary Large Object）分析［13］，獲取殘留煙葉大小、數(shù)量、位置、方向等數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)整合并格式化成最大長(zhǎng)度為256字節(jié)的字符串，通過(guò)TCP/IP通訊協(xié)議發(fā)送至機(jī)械手，控制清掃裝置對(duì)煙筐內(nèi)煙葉進(jìn)行清掃。

圖6 視覺(jué)檢測(cè)工作流程圖Fig.6 Work flow of visual inspection

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“黃金葉（硬紅旗渠）”煙葉5批次，每批次50箱（由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽(yáng)卷煙廠提供）。

設(shè)備：WZ1135型真空回潮機(jī)（鞏義市建設(shè)機(jī)械制造有限公司）；翻箱喂料機(jī)（鞏義市建設(shè)機(jī)械制造有限公司）；煙筐（北京宏大峰鉆石機(jī)械有限責(zé)任公司）；HA-620型電子秤［精度0.1 kg，百利達(dá)（上海）商貿(mào)有限公司］；自動(dòng)清掃機(jī)器人（自制）。

方法：對(duì)清掃機(jī)器人使用前后的清掃效果進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。①使用清掃機(jī)器人前，每批次生產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行人工清掃，清掃出的煙葉作為廢料處理，收集每批次人工清掃煙葉并稱重，統(tǒng)計(jì)每批次損耗煙葉質(zhì)量；②使用清掃機(jī)器人后，每次翻箱倒料后機(jī)器人對(duì)煙筐進(jìn)行自動(dòng)清掃，清掃出的煙葉直接倒入喂料倉(cāng)進(jìn)入下一工序，收集每批次生產(chǎn)結(jié)束后煙筐內(nèi)殘留煙葉并稱重，統(tǒng)計(jì)每批次損耗煙葉質(zhì)量。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表3可見(jiàn)，使用自動(dòng)清掃機(jī)器人后，每批次可節(jié)省煙葉20 kg左右，煙筐清掃效果顯著，有效降低了煙葉損耗量。按全年處理煙葉1 000批次計(jì)算，每年可降低煙葉損耗20 000 kg左右；煙葉平均價(jià)格按47.73元/kg計(jì)算，每年可節(jié)約原料費(fèi)用95.4萬(wàn)元左右。此外，使用自動(dòng)清掃機(jī)器人后，兩班制煙筐人工清掃崗位取消，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，一年可節(jié)約人工成本20萬(wàn)元左右。

表3 煙筐自動(dòng)清掃機(jī)器人使用前后煙葉損耗量對(duì)比Tab.3 Comparison of tobacco loss before and after using robot for tobacco basket cleaning

3 結(jié)論

利用煙筐自動(dòng)清掃機(jī)器人有效解決了真空回潮后因煙筐內(nèi)粘附煙葉而造成煙葉浪費(fèi)等問(wèn)題，在保證煙筐清潔度的同時(shí)，提高了煙筐清掃智能化程度，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。以安陽(yáng)卷煙廠生產(chǎn)的“黃金葉（硬紅旗渠）”煙葉為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：①在不影響生產(chǎn)連續(xù)性的前提下，自動(dòng)清掃機(jī)器人能夠有效識(shí)別煙筐內(nèi)粘附煙葉，實(shí)現(xiàn)煙筐的自動(dòng)清掃；②與人工清掃相比較，采用清掃機(jī)器人后可節(jié)約煙葉20 kg/批次左右，降低煙葉損耗約20 000 kg/年，節(jié)省生產(chǎn)費(fèi)用約115.4萬(wàn)元/年，在煙草行業(yè)同類設(shè)備中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。