雞蛋分揀機器人控制系統設計研究

劉群銘 蘭育飛 史穎剛

摘 要：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;軌跡規劃;氣動系統

中圖分類號：S831.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0018-03

Abstract： Based on the Delta organization， a crack egg sorting control system was designed to increase the added value of eggs. Firstly， the trajectory of the end effector of the egg sorting robot was analyzed， and the motion law was planned to make the sorting movement of the robot more stable. Then， according to the grasping requirements， a pneumatic vacuum suction cup system was designed. Finally， the overall control system was designed. The system can meet the requirements of automatic egg sorting work.

Keywords： egg sorting;Delta mechanism;trajectory planning;pneumatic system

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模化，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。

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。

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=240 mm]，從動臂連桿[l2=800 mm]，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。

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。

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[xA，yA，zA]，G點坐標[xG，yG，zG]，D點坐標[xA+xG/2，yA+yG/2，zA+h]，則圓弧軌跡方程：

（1）

（2）

（3）

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：

（5）

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。空氣壓縮機產生壓縮空氣，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。

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。控制器控制執行末端在插補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。控制系統架構如圖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。

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.

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