一種氣動(dòng)塑料瓶分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

范景峰

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450042)

引言

隨著科技的進(jìn)步和人們生活方式的改變,塑料產(chǎn)品已經(jīng)逐步滲透到人們的生活中,例如:外賣餐飲盒、飲料瓶、廚房調(diào)料瓶等,塑料產(chǎn)品不僅與人們的生活息息相關(guān),還覆蓋到家用各種產(chǎn)品、工業(yè)各種零部件、醫(yī)療器械、建筑設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域[1]。塑料制品質(zhì)量輕、成本低、耐用、功能廣泛,是現(xiàn)代基礎(chǔ)材料中的重要生活材料之一,目前回收率僅僅在20%左右[2]。塑料瓶不僅使用廣泛,而且很難降解,容易造成環(huán)境污染,隨著國(guó)內(nèi)塑料利用越來(lái)越多,廢舊塑料市場(chǎng)的回收規(guī)模日益壯大,但是目前國(guó)內(nèi)塑料瓶分揀主要還是以人工分揀為主,不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低,而且環(huán)境相對(duì)惡劣、成本高,無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的回收,同時(shí)也無(wú)法滿足現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展和社會(huì)環(huán)境的要求。

周曉等[3]提出一種新型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廢舊塑料瓶顏色分揀方法,利用相機(jī)采集已經(jīng)標(biāo)注好的幾類廢舊塑料瓶的相關(guān)信息數(shù)據(jù),然后利用殘差連接的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。結(jié)果表明,提出的方法準(zhǔn)確率較高,能滿足實(shí)時(shí)性要求。曾維等[4]提出一種廢舊塑料瓶識(shí)別和定位算法,利用相關(guān)方法提取高清晰原始圖片,對(duì)圖片中的一系列特征進(jìn)行處理與分析;利用位置預(yù)測(cè)得到識(shí)別和定位結(jié)果,通過(guò)模型測(cè)試,得出YOLOv3算法優(yōu)越于其他算法,最終得出平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到90%,證明了此算法對(duì)復(fù)雜環(huán)境下廢舊塑料瓶檢測(cè)的有效性和實(shí)用性。楊懿等[5]分析了國(guó)內(nèi)外廢舊塑料分揀技術(shù)的欠缺現(xiàn)實(shí),介紹和分析了國(guó)內(nèi)外塑料分揀裝置的原理和應(yīng)用,提出一種利用近紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料的分揀,為后續(xù)廢舊家電塑料分揀提供參考依據(jù)。史韻等[6]分析了塑料瓶的顏色,目前國(guó)內(nèi)回收站主要采用人工分揀為主,勞動(dòng)強(qiáng)度大,分揀效率低,環(huán)境惡劣,對(duì)工人身體健康影響較大,針對(duì)這種情況,提出一種新型的視覺(jué)全自動(dòng)塑料瓶分揀機(jī),不僅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,而且分揀效率高,分揀精度高,從根本上解決了廢舊塑料瓶分揀難的問(wèn)題。

目前,國(guó)內(nèi)外廢舊塑料瓶分揀仍然存在很多問(wèn)題,識(shí)別精度低,分揀效率低,基于目前的情況,設(shè)計(jì)一種新型氣動(dòng)塑料瓶分揀系統(tǒng),本研究利用物理受力分析法對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械手進(jìn)行受力分析,得出影響機(jī)械手抓取因素,為機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考;利用數(shù)學(xué)分析法確定了影響機(jī)械手精準(zhǔn)抓取的因素,得出廢舊塑料瓶物體的位置和方向計(jì)算方法;利用氣壓回路控制機(jī)械手抓取過(guò)程,不僅成本低,控制回路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,維修方便,占用空間較小,而且能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)載保護(hù),長(zhǎng)期不間斷工作不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象;利用數(shù)學(xué)分析方法得出相機(jī)標(biāo)定的內(nèi)外參數(shù)表達(dá)式,采用張定友標(biāo)記法對(duì)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,使估算結(jié)果更加接近真實(shí)值。本研究設(shè)計(jì)的廢舊塑料瓶分揀系統(tǒng)不僅分揀精準(zhǔn),成本低,便于普及,自動(dòng)化程度高,還可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度,提高分揀效率,該系統(tǒng)的研制成功對(duì)于我國(guó)廢舊塑料瓶的分揀有極大的促進(jìn)作用。

1 分揀系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

利用三維軟件SolidWorks[7-8],設(shè)計(jì)出一種新型氣動(dòng)塑料瓶分揀設(shè)備,以(Charge Coupled Device,CCD)工業(yè)智能相機(jī)等為基礎(chǔ),搭建一種氣動(dòng)塑料瓶分揀系統(tǒng)平臺(tái),整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 塑料瓶分揀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of plastic bottle sorting system

氣動(dòng)塑料瓶分揀系統(tǒng)工作過(guò)程如下:

首先,經(jīng)過(guò)清洗的廢舊塑料瓶進(jìn)入震動(dòng)料倉(cāng)中,在震動(dòng)料倉(cāng)的作用下,廢舊塑料瓶單獨(dú)均勻落入傳動(dòng)帶上,而且廢舊塑料瓶在傳送帶上是等距離間隔,傳動(dòng)帶的運(yùn)動(dòng)是勻速運(yùn)動(dòng),當(dāng)廢舊塑料瓶運(yùn)動(dòng)到工業(yè)智能相機(jī)掃描區(qū)域后,工業(yè)相機(jī)對(duì)每個(gè)廢舊塑料瓶進(jìn)行圖像采集,將采集到的廢舊塑料瓶圖像傳給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)對(duì)收集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理,最終得到廢舊塑料瓶的類別及位置信息并通過(guò)串口傳遞給整個(gè)控制模塊,控制模塊得到坐標(biāo)信息后,根據(jù)傳動(dòng)帶的速度,對(duì)已經(jīng)采集過(guò)的廢舊塑料瓶進(jìn)行跟蹤,當(dāng)目標(biāo)廢舊塑料瓶中心到達(dá)機(jī)械手正下方時(shí),工業(yè)計(jì)算機(jī)分析出廢舊塑料瓶的相應(yīng)輪廓,辨別不同廢舊塑料瓶的尺寸和形狀特征,最后,分揀機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的抓取,將目標(biāo)廢舊塑料瓶放置到相應(yīng)的位置,從而完成廢舊塑料瓶的自動(dòng)分揀過(guò)程。

2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)與受力分析

2.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的主要組成[9]:伸縮氣缸、夾緊氣缸、夾爪、底座、支柱、升降氣缸等;機(jī)械手設(shè)計(jì)主要用于抓取廢舊塑料瓶,抓取最大載荷量為5 kg,最大工作半徑是2 m,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)采用氣動(dòng)系統(tǒng)控制,為了減輕抓取過(guò)程中機(jī)械臂承受的重力,機(jī)械手夾爪采用塑料制品,為了防止機(jī)械手在工作過(guò)程中與工人碰撞等,在機(jī)械手工作最大半徑范圍外安裝防護(hù)欄;機(jī)械手夾爪通過(guò)氣壓系統(tǒng)控制張開與夾緊,最大張開距離為0.3 m,能實(shí)現(xiàn)直徑在0.3 m內(nèi)的任意物體的抓取過(guò)程;機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1.伸縮氣缸 2.夾緊氣缸 3.夾爪 4.底座 5.支柱 6.升降氣缸圖2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical mobile phone structure

2.2 機(jī)械手受力分析

機(jī)械手在抓取的過(guò)程中,主要受到被抓取物重力的作用,為了能夠?qū)崿F(xiàn)順利精準(zhǔn)抓取,需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行受力分析,如圖3機(jī)械手結(jié)構(gòu)與受力分析簡(jiǎn)圖。

圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)與受力分析簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of mechanical arm structure and force analysis

機(jī)械手在杠桿的作用下,受到向上的拉力F,機(jī)械手滑槽對(duì)銷軸的反作用力大小分別為F1、F2,其力的方向分別沿OO1、OO2方向,根據(jù)受力平衡可得:

∑Fx=0

(1)

可得:

F1=F2

(2)

同理:

∑Fy=0

(3)

整理式(1)～式(3)可得:

(4)

(5)

∑M01(F)=0

(6)

由式(6)可得:

F1h=FNb

(7)

(8)

由上面的式子整理的,手抓的驅(qū)動(dòng)力:

(9)

式中,a—— 夾爪的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離

α—— 工件被夾緊時(shí)夾爪的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角

通過(guò)上面的分析可知,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大小一定時(shí),α角增大,則夾緊力FN也隨之增大,但α夾角過(guò)大可能引起拉桿行程過(guò)大,夾爪結(jié)構(gòu)增大,導(dǎo)致自重過(guò)大,不利于搬運(yùn)操作。

2.3 機(jī)械手精準(zhǔn)抓取確定性分析

廢舊塑料瓶的方向與形狀的正確分析是機(jī)械手夾爪精準(zhǔn)抓取的前提[10],因此,分析不同大小和方向的塑料瓶的形狀是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),以生活中最常見飲料塑料瓶為研究對(duì)象,如圖4所示。

圖4 飲料塑料瓶結(jié)構(gòu)示意圖簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of structure of plastic beverage bottles

假定在平面中選擇一條固定的直線,一是要確定坐標(biāo)原點(diǎn)到該直線的最近距離γ,二是要確定該直線與坐標(biāo)軸X的夾角θ,如圖5所示。

圖5 平面上該直線的兩個(gè)參數(shù)γ和θFig.5 Two parameters of line on plane γ and θ

利用數(shù)學(xué)關(guān)系式,可以求得直線方程為:

xsinθ-ycosθ+γ=0

(10)

該直線與坐標(biāo)軸X、Y軸的交點(diǎn)分別是(-γ/sinθ,0)、(0,γ/cosθ),坐標(biāo)原點(diǎn)到該直線最近的點(diǎn)的坐標(biāo)是(-γsinθ,γcosθ),該直線上的點(diǎn)參數(shù)方程為:

(11)

上式中,s是沿該直線到距原點(diǎn)最近點(diǎn)的距離。

選擇飲料塑料瓶物體在平面上的投影面上任意一點(diǎn)(x,y),該直線上最接近任意一點(diǎn)(x,y)的坐標(biāo)為(x0,y0),任意一點(diǎn)(x,y)到該直線的最短距離為l,如圖6所示。

圖6 點(diǎn)(x,y)到該直線的最短距離Fig.6 Shortest distance from point (x,y) to line

l2=(x-x0)2+(y-y0)2

(12)

將式(11)代入到式(12)中,得到:

l2=x2+y2+γ2+2γ(xsinθ-ycosθ)

-2s(xcosθ+ysinθ)+s2

(13)

對(duì)式(13)中的s求微分,整理得到下式:

s=xcosθ+ysinθ

(14)

將式(14)代入式(11)整理可得:

x-x0=sinθ(xsinθ-ycosθ+γ)

y-y0=-cosθ(xsinθ-ycosθ+γ)

(15)

由式(12)和式式(15)聯(lián)立整理可得:

l2=(xsinθ-ycosθ+γ)2

(16)

由式(10)和式(16)對(duì)比可得,直線就是l=0的點(diǎn)的軌跡,該直線方程參數(shù)化后,可直接得出相應(yīng)的距離。

如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精準(zhǔn)抓取,就要確定塑料瓶物體的位置和方向,塑料瓶物體上的點(diǎn)到該直線的距離平方的積分值最小,其積分表達(dá)式可寫為:

(17)

其中,I是物體投影面積區(qū),l是點(diǎn)(x,y)到直線的垂直距離。

將式(16)代入式(17)得:

(18)

對(duì)式(18)中的γ求微分令結(jié)果為0,得到如下公式:

(19)

(20)

xsinθ-ycosθ+γ=x′sinθ-y′cosθ

(21)

于是可得:

E=asin2θ-bsinθcosθ+ccos2θ

(22)

式中,a,b,c—— 式(23)給出的二階矩

(23)

因此,可整理得到E的表達(dá)式:

(24)

對(duì)式子(24)中的θ求微分可得,令結(jié)果為0可得:

(25)

如果b≠0,a≠c可得:

(26)

(27)

當(dāng)sin2θ,cos2θ兩個(gè)解中,有正值的時(shí)候,E有最小值,有負(fù)值時(shí)候,E最大;如果b=0,a=c時(shí),此時(shí)物體是對(duì)稱的,將無(wú)法確定對(duì)稱軸線;E的最小值與最大值之比越接近1時(shí),說(shuō)明塑料瓶物體越規(guī)則,塑料瓶的長(zhǎng)邊和短邊越接近,越近似于圓形,機(jī)械手越容易精準(zhǔn)抓取,系統(tǒng)分揀精度越高。

3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

機(jī)械手是廢舊塑料瓶分揀系統(tǒng)中重要的機(jī)構(gòu)之一[11-12],該機(jī)械手具有四個(gè)工位,即伸縮、回轉(zhuǎn)、升降、手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)運(yùn)動(dòng),機(jī)械手整個(gè)抓取動(dòng)作的流程如圖7所示。

圖7 機(jī)械手動(dòng)作原理圖Fig.7 Schematic diagram of mechanical arm action

機(jī)械手主要以壓縮裝置來(lái)壓縮空氣在壓力的作用下來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),氣動(dòng)控制主要優(yōu)點(diǎn)是:氣壓控制主要介質(zhì)是空氣,成本低,抓取塑料瓶物體重量相對(duì)較輕,需要壓力相對(duì)較小,氣動(dòng)控制能夠順利實(shí)現(xiàn);氣動(dòng)用完的氣體不需要回收,節(jié)約成本,氣壓控制回路相對(duì)簡(jiǎn)單,氣壓回路連接和維修更方便,氣動(dòng)元件相對(duì)較小,占用空間小;氣動(dòng)控制回路反應(yīng)快,對(duì)環(huán)境適應(yīng)好,可壓縮性強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)載自動(dòng)保護(hù),設(shè)備可以自行降溫,長(zhǎng)期工作不會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象;因此,該機(jī)械手控制采用氣壓系統(tǒng)控制,該裝置的機(jī)械手的動(dòng)作主要靠電磁換向閥來(lái)控制運(yùn)動(dòng),機(jī)械臂的升降、左右移動(dòng)以及底座的左右擺動(dòng)主要靠雙線圈二位電磁換向閥來(lái)控制,機(jī)械手中夾爪的拾取和放下主要靠單線圈二位電磁換向閥來(lái)控制;機(jī)械手運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)氣壓控制原理圖如圖8所示。

1.單向節(jié)流閥 2.三位四通電磁換向閥 3.手動(dòng)開關(guān)閥 4.壓力系統(tǒng)組 5.壓力繼電器 6.二位三通電磁換向閥圖8 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of robotic arm drive system

1) 底座氣缸運(yùn)動(dòng)控制

當(dāng)機(jī)械手開關(guān)接通后,壓力系統(tǒng)組工作,整個(gè)回路產(chǎn)生一定壓力,此時(shí),回轉(zhuǎn)氣缸回路工作,三位四通電磁滑閥工作,5YA/6YA通電,氣壓回路左右接通,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手底座左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

2) 機(jī)械手豎直方向運(yùn)動(dòng)的控制

底座擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),升降氣缸回路接通,行程開關(guān)1、2閉合,三位四通電磁換向閥2的1YA/2YA通電或者斷電,機(jī)械手在豎直氣缸的作用下實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。

3) 機(jī)械手水平方向運(yùn)動(dòng)的控制

當(dāng)?shù)鬃拓Q直方向氣缸運(yùn)動(dòng)的同時(shí),伸縮氣缸回路接通,行程開關(guān)5、6閉合,三位四通電磁換向閥的7YA/8YA通電或者斷電,機(jī)械手在伸縮氣缸的作用下實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)。

4) 機(jī)械手夾緊裝置的控制

機(jī)械手底座、豎直方向、水平方向同時(shí)運(yùn)動(dòng),到達(dá)相應(yīng)位置后,二位三通電磁換向閥3YA/4YA通電或者斷電,夾爪最終實(shí)現(xiàn)夾緊和松開功能,如表1為電磁換向閥與機(jī)械手控制運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表Tab.1 Electromagnet action sequence table

4 相機(jī)標(biāo)定

廢舊塑料瓶視覺(jué)采集是整個(gè)裝置系統(tǒng)的重要組成部分,以CCD工業(yè)智能相機(jī)為主建立視覺(jué)圖像采集系統(tǒng),視覺(jué)圖像采集過(guò)程中[13],需要對(duì)相機(jī)標(biāo)定,獲取內(nèi)、外參數(shù),獲取坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,根據(jù)采集到的圖像確定廢舊塑料瓶在二維空間中的具體位置。

4.1 相機(jī)成像分析

工業(yè)相機(jī)標(biāo)定過(guò)程中,需要確定四個(gè)坐標(biāo)系,分別為世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo),假設(shè)空間中某一點(diǎn)P的世界坐標(biāo)系為:(xw,yw,zw), 在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P′(xc,yc,zc), 點(diǎn)P′在圖像像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(u,v),圖像物理坐標(biāo)系原點(diǎn)O2位于像素坐標(biāo)系中的(u0,v0),在圖像物理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P點(diǎn)經(jīng)過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)得到P′點(diǎn),也即是P點(diǎn)在相機(jī)成像平面上的投影,如圖9為P點(diǎn)在各坐標(biāo)系下的投影示意圖。

圖9 P點(diǎn)在坐標(biāo)系下投影示意圖Fig.9 Schematic diagram of P point projection in coordinate system

根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)關(guān)系可得:

(28)

由于P點(diǎn)經(jīng)過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)得到P′點(diǎn),有數(shù)學(xué)知識(shí)可得:

(29)

式中,R—— 旋轉(zhuǎn)矩陣

T—— 平移向量

整理式(28)可得:

(30)

整理式(28)、式(30)可得:

(31)

其中:

式中,L1—— 相機(jī)的內(nèi)參矩陣

L2—— 相機(jī)的外參矩陣

其中參數(shù)有世界坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系兩者的位置關(guān)系決定,相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的確定通過(guò)標(biāo)定板來(lái)確定。

4.2 相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

采用張定友標(biāo)記法對(duì)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,通過(guò)不同高度、方位和角度對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行圖像采集,估算出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù),進(jìn)而采用優(yōu)化處理,使估算結(jié)果更加接近真實(shí)值。標(biāo)定具體方法如下:

(1) 制作一張標(biāo)定板,并固定在平面上;

(2) 利用相機(jī)從不同角度、高度、方位和姿態(tài)進(jìn)行拍照;

(3) 提取重要的點(diǎn)信息;

(4) 求出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù),利用最大似然估計(jì)方法進(jìn)一步提升和優(yōu)化標(biāo)定精度。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果示意圖Fig.10 Schematic diagram of experimental calibration results

通過(guò)建立棋盤相關(guān)尺寸參數(shù)和相機(jī)自身參數(shù),在根據(jù)相機(jī)坐標(biāo)關(guān)系,可計(jì)算出棋盤網(wǎng)格內(nèi)參數(shù)L1矩陣。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

為了驗(yàn)證塑料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性以及可行性等[14],根據(jù)三維模型搭建對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分別將廢舊的各種塑料瓶放置傳動(dòng)分揀線上,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of overall structure of testing platform

試驗(yàn)平臺(tái)整體運(yùn)行過(guò)程如下:

廢舊塑料瓶放置到傳動(dòng)帶上以后,通過(guò)傳動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)相機(jī)下方,工業(yè)相機(jī)拍照獲取各種廢舊塑料瓶的外形輪廓,通過(guò)對(duì)不同廢舊塑料瓶輪廓進(jìn)行分析,機(jī)械手實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取,分別選取200個(gè)洗衣液塑料瓶、廚房調(diào)料塑料瓶、農(nóng)夫山泉飲料塑料瓶、康師傅茉莉花茶飲料塑料瓶來(lái)進(jìn)行分組抓取試驗(yàn),經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的收集,得出表2機(jī)械手抓取試驗(yàn)結(jié)果。

表2 機(jī)械手抓取試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.2 Analysis of results of robotic arm grasping test

從表2統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可得,該分揀裝置系統(tǒng)的平均分揀成功率為0.99,分揀準(zhǔn)確率較高,機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)采用夾爪機(jī)構(gòu),該裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)械手夾爪不僅能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位而且還可以完成精準(zhǔn)抓取和放置。

在得到抓取成功率較高的同時(shí)還需要對(duì)在不同速度下的抓取精度進(jìn)行分析,利用搭建好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試數(shù)量和數(shù)據(jù)集的像素大小值相同,隨機(jī)對(duì)不同速度的測(cè)試數(shù)據(jù)集中的圖片進(jìn)行抽取識(shí)別,得到不同速度下抓取精準(zhǔn)率的折線圖,如圖12所示。

圖12 不同速度下抓取精準(zhǔn)率Fig.12 Grasp accuracy at different speeds

折線圖的縱橫坐標(biāo)分別代表精準(zhǔn)率和速度,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)試驗(yàn)和折線圖可知,隨著抓取速度的增加,抓取精度降低,當(dāng)抓取速度達(dá)到4 m/s時(shí),抓取平均精準(zhǔn)率為98.8%,滿足設(shè)計(jì)要求,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)塑料瓶的識(shí)別與精準(zhǔn)抓取,整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)抓取平均成功率為99.25%。

以廢舊塑料瓶為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)出一種氣動(dòng)塑料瓶分揀系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)視覺(jué)引導(dǎo)下的機(jī)械手精準(zhǔn)定位和分揀;通過(guò)受力分析,得出機(jī)械手夾爪在搬運(yùn)過(guò)程中影響夾爪受力的相關(guān)參數(shù);利用數(shù)學(xué)建模與分析方法,得出影響機(jī)械手夾爪精準(zhǔn)抓取的相關(guān)參數(shù),同時(shí)也得出影響機(jī)械手夾爪定位誤差的相關(guān)參數(shù);利用氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制;利用工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊塑料瓶圖像的精準(zhǔn)采集與處理;該系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,該系統(tǒng)分揀成功率在99%左右,完全滿足工業(yè)廢舊塑料瓶的分揀要求,該系統(tǒng)的特點(diǎn)是分揀準(zhǔn)確率高、成本低、易操作、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn),研究得到的影響該系統(tǒng)性能的相關(guān)參數(shù)能為后續(xù)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論參考依據(jù),為未來(lái)塑料瓶制品回收實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化分揀提供設(shè)計(jì)思路。