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雞蛋真空吸盤分揀機器人控制系統設計研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-01 13:19:12    瀏覽次數:240    評論:0
導讀

基于Delta機構,設計了裂紋雞蛋分揀控制系統,提高了雞蛋附加值。首先,分析雞蛋分揀機器人末端執行器運行的軌跡,找出運動規律,使機器人分揀運動更加平穩;其次,根據抓取需求,設計了氣動真空吸盤系統;最后,設計了總體的控制系統。該系統能夠滿足雞蛋自動分揀工作的要求。關鍵詞:雞蛋分揀;Delta機構;軌跡規

目前,中國雞蛋年產量2 999萬t,產量居世界第一[1]。在鮮蛋分揀方面,大部分仍采用人工作業[2],成本高,效率低,且存在感染疾病和污染蛋品的風險[3]。因此,研發適合國情的雞蛋品質檢測與分級技術,可以提升雞蛋生產的標準化和規?;?,增強雞蛋產業競爭力。不少國內專家、學者,基于殼蛋品質、新鮮度等因子,開展雞蛋分揀系統研究[4,5]。本文設計了一種雞蛋分揀機器人的控制系統,采集雞蛋表面信息對雞蛋進行分級,Delta機構根據分級結果進行抓取放置任務,實現雞蛋的自動分揀。

1 整體設計思路

基于Delta機構的雞蛋分揀系統架構如圖1所示。系統主要由雞蛋裂紋檢測系統、Delta機構、氣動真空吸盤系統、主控制器等組成。雞蛋品質檢測箱獲取雞蛋表面信息后,判斷雞蛋是否有裂紋,并將結果發送給主控制器。Delta機構系統用于執行搬運動作,優點是分揀高效、快速。氣動真空吸盤系統產生負壓,通過柔性吸盤對雞蛋進行吸附,實現無損抓取。

圖1 基于Delta機構的雞蛋分揀系統架構

注:1.雞蛋品質檢測箱;2.傳送帶;3.收集區;4.動平臺;5.Delta機構;6.靜平臺。

2 工作空間分析和末端執行器運行軌跡規劃

Delta機構采用吸盤結構抓取雞蛋,進行分揀,作業空間如圖2所示,包含一段傳送帶和一個裂紋蛋收集區。傳送帶的帶面寬度200mm,收集區域尺寸400mm×150mm。為滿足作業需求,圓柱形作業空間的底面直徑需大于420mm,高大于60mm。

圖2 作業空間示意圖

注:1.末端執行器;2.傳送帶;3.收集區;4.作業空間。

參考IRB360-1/800型Delta機構參數,初步確定雞蛋分揀Delta機構的主動臂連桿l1=240mm,從動臂連桿l2=800mm,靜平臺半徑R=200mm,動平臺半徑r=50mm。根據Delta機構運動學,采用MATLAB軟件,仿真分析雞蛋分揀Delta機構作業空間,結果如圖3所示。

雞蛋分揀作業時,Delta機構需要底面直徑420mm,高為60mm的圓柱形作業空間,從圖3(b)可以看出,Delta機構實際的作業空間是底面直徑600mm、高100mm的圓柱形區域,滿足雞蛋分揀要求。

圖3 作業空間仿真

在搬運過程中,若機構振動較大,雞蛋就容易從吸盤上掉落。通常情況下,為使Delta機構的搬運過程平穩快速,末端執行器的運動軌跡應采用圖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,由單一圓弧構成。Delta機構的末端執行器,僅在傳送帶與收集區之間運動,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,在相同的運動規律下,使用圓弧軌跡的運動周期更短。因此,選用圓弧軌跡作為雞蛋分揀Delta機構末端執行器的運動軌跡。

圖4 機器人末端移動軌跡

以圓弧軌跡所在的平面進行分析,假設圓弧軌跡在XOZ平面內,軌跡初始點A坐標(x A,yA,zA),G點坐標(x G,yG,zG),D點坐標(( x A+xG)/2,(y A+yG/2,zA+h ) ),則圓弧軌跡方程:

電機轉速快速突然提高時,會對機器人產生沖擊力,造成機器人震動,為消除沖擊力,電機采用正弦修正梯形加速度曲線進行控制,位移曲線表達式如下:

其中,T表示運動周期;am表示末端執行器的最大加速度;K=amT255 296π2;P1=8cos[4 π (t-3T 8)T]-6 ;P2=8cos[1 2 π(t-3T/8)T]-6;P3=cos[8 π (t-7T 8)T]+13 ;P4=cos[2 4 π(t-7T 8)T]+13;3m+n=48(m >0,n>0 )。

Delta機構完成一次分揀任務的總行程L,與T、am之間的關系為:

3 氣動真空吸盤系統

抓取雞蛋的氣動吸盤系統,包括真空發生裝置、真空吸盤、流速調節裝置、稱重傳感器和氣壓傳感器。其中,真空發生裝置包括空氣壓縮機、調壓過濾閥、電磁閥、真空發生器和真空過濾器,工作流程如圖5所示??諝鈮嚎s機產生壓縮空氣,經調壓過濾閥輸出。電磁閥控制系統啟停,導通時,系統啟動,壓縮空氣進入真空發生器,再經過真空過濾器過濾。真空發生器利用正壓氣源產生負壓。真空吸盤接觸裂紋蛋表面后,對其進行吸附。由于吸附的原理是在柔性吸盤內部創造真空環境,利用大氣壓將裂紋蛋壓在柔性吸盤上,且柔性吸盤實際作用面積較小,故裂紋蛋整體受力較為均勻,所以整個抓取放置過程中對裂紋蛋個體的損傷可忽略不計,避免了由于裂紋蛋破裂對傳送帶造成的破壞。

圖5 真空發生裝置的組成部分連接示意圖

4 控制系統設計

4.1 Delta機構控制程序

上電后,控制器先初始化系統,隨后打開串口中斷,準備接收工控機發送的指令信息。當控制器接收到工控機發送的數據后,若數據標準,則為指令信息,控制器執行對應子程序;若數據不標準,則控制器繼續等待接收下一次工控機發送的數據。子程序有2個,一個用于電機復位子程序;另一個是抓取放置子程序。

電機復位子程序用于電機復位。當控制器接收到工控機發送的復位信號時,控制器開始控制電機轉動,同時利用光電傳感器檢測與電機軸相連的主動臂位置。當主動臂旋轉到水平位置時,光電傳感器向控制器發送信號,使之關閉對應電機的脈沖輸出通道。當3個脈沖輸出通道都被關閉后,對電機角度進行修正,完成電機復位,此時執行末端到達初始位置。

抓取放置子程序用于雞蛋搬運。當控制器接收工控機發送的檢測結果且裂紋蛋到達抓取點時,控制器會打開氣動真空吸盤系統,控制執行末端抓取裂紋蛋;隨后將裂紋蛋搬運到對應收集區,關閉氣動真空吸盤系統,控制執行末端松開裂紋蛋。執行末端松開裂紋蛋后,會回到初始位置,等待下一次抓取放置子程序的運行。

抓取放置子程序的關鍵是控制執行末端按照事先規劃的軌跡移動。首先,向控制器內輸入軌跡方程與插補點個數;然后,控制執行末端按順序移動到各個插補點的位置,直到執行末端達到軌跡終點??刂破骺刂茍绦心┒嗽诓逖a點間移動的基本流程如下:執行末端到達一個插補點后,首先根據目標插補點的位置計算出每一個電機需要轉動的角度,根據角度計算需要的脈沖個數;然后設置電機的轉向及轉速;最后使脈沖輸出通道,電機開始轉動。當脈沖輸出通道產生的中斷個數達到對應的中斷數時,對應電機停止轉動;當3個電機都停止轉動時,執行末端到達目標插補點位置;重復上述基本流程,直到執行末端達到軌跡終點。

4.2 總控制系統結構設計

基于Delta機構的雞蛋分揀系統由雞蛋裂紋檢測系統、Delta機構、氣動吸盤系統、主控制器等組成??刂葡到y架構如圖6所示,其中,工控機與主控制器通過無線串口模塊實現信息交互。主控制器直接控制Delta機構執行機構電機、控制氣動真空吸盤系統的啟停,接收雞蛋位置檢測信號的輸入。

圖6 總系統結構關系圖

5 結語

本文構建了雞蛋自動分揀系統。針對雞蛋分揀的運動要求,采用圓弧運動軌跡,選取正弦修正梯形加速度曲線作為運動規律,對分揀Delta機構執行末端進行了軌跡規劃。設計氣動真空吸盤系統,柔性吸取雞蛋。最后設計了系統控制結構,系統可以滿足雞蛋自動分揀機器人速度快、運動精度高、運行平穩且分揀準確的要求。

參考文獻:

[1]孫丹丹,秦玉昌,李軍國.雞蛋生產質量安全問題分析及控制研究進展[J].中國家禽,2015(5):45-49.

[2]段宇飛,王巧華,李小明,等.基于凸包算法的雞蛋尺寸形狀在線視覺高通量檢測方法[J].農業工程學報,2016(15):282-288.

[3]李文康,劉雪,杜娟,等.殼蛋品質質量分級技術的研究進展和發展趨勢[J].食品工業科技,2018(7):340-347.

[4]張世慶,涂佳,孫力,等.雞蛋質量與長短軸在線檢測方法[J].農業機械學報,2014(2):204-209.

[5]魏萱,何金成,鄭書河,等.基于圖像紋理特征的土雞蛋微裂紋無損檢測[J].福建農林大學學報(自然科學版),2017(6):118-122.


 
(文/小編)
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