基于觸覺感知的家禽凈膛機械手及其控制系統的設計

熊利榮，鄭 偉，羅舒豪

0 引 言

近年來，中國的家禽養殖業得到迅猛的發展，綜合生產能力顯著增強，禽肉的消費量以每年5%～10%的速度持續增長[1-2]。自動凈膛技術是家禽屠宰加工過程當中關鍵的技術之一，也是目前制約中國禽類屠宰加工行業向產業化、規模化方向發展的瓶頸問題。凈膛作業主要分為自動聯合作業和人工輔助流水線生產 2種作業方式[3-4]，歐美等發達國家的大型家禽屠宰生產線基本采用自動聯合作業裝置。由于自動取內臟聯合作業凈膛設備引進成本比較高，中國只有少數企業引進該類裝置，其他均采用人工輔助流水線生產作業，該模式存在許多弊端。利用人工進行凈膛，基于人手極為靈活的特點，雖然凈膛效果很好，但工作效率很低，工作量很大。凈膛作業的工作環境也相對復雜，會對人的身體造成一定的傷害。另外人工生產環節可能由于工人的疏忽或錯誤操作，導致凈膛作業時禽體或內臟受到污染，甚至導致疾病的傳播，食品安全存在隱患。機器人智能化的不斷發展，為自主研發性價比高的家禽自動凈膛設備提供了契機，使家禽屠宰領域潛在的市場價值得到挖掘。

家禽的自動凈膛技術是家禽屠宰加工過程中重要的技術手段，隨著凈膛機械手的發展，凈膛方式也在不斷更新[5-6]。根據取內臟方式的差異，可以分為扒取式、挖取式和夾取式 3種凈膛機械手，是目前家禽屠宰加工行業運用最為廣泛的幾種取內臟的方式[7-10]，由于凈膛過程中夾取式凈膛機械手對內臟破損較小的特點，故成為目前研究的主要方向之一。王猛[11]根據家禽腹腔輪廓曲線對夾取式機械手的結構和運動參數進行了設計，滿足了凈膛要求。王麗紅[12]以扒取式取內臟方式開發了一套自動取內臟機，并得到了較好的凈膛效果。

目前取內臟的方式主要是利用特定的機械結構之間的相互配合形成固定的運動軌跡來執行機械手的凈膛動作，而且該設備對機械結構的設計和尺寸精度要求也比較高，同時這類掏膛方式對家禽肉質和內臟的破壞也較大。

基于國內掏膛機械手自動化程度相對低下、機械結構復雜單一且掏膛過程中內臟容易受破損的現狀，在吸收和消化現有的凈膛設備的優點上，充分利用現代計算機技術和傳感器技術，設計一套在計算機控制系統下，根據內臟的位置和所能承受的壓力大小，實時改變機械手抓緊力度的夾取式凈膛機械手控制系統，實現凈膛過程的自動化，以保證凈膛效果，減少了內臟的破損。

1 機械手與控制系統硬件設計

1.1 機械手與控制系統整體結構

系統整體結構如圖 1所示。該系統由機械手、可調節升降肉雞固定裝置、控制柜、試驗臺以及計算機組成。控制柜包括STM32單片機、步進電機驅動器、降壓模塊、壓阻轉換模塊等電氣元件。4根壓阻式薄膜傳感器安裝在手指內側、機械手爪與機械臂構成了凈膛機械手。

上位機通過USB轉串口向STM32單片機發送機械手控制指令，STM32單片機接受指令分析并處理數據，通過驅動器驅動步進電機執行凈膛動作。系統運作過程中，單片機實時采集機械手爪上的壓力，將得到的壓力值與設定的內臟壓力閾值比較，若壓力大于設定值，機械手爪張開一定角度，若壓力小于設定值，機械手爪執行系統設定的初始值，從而達到調節手爪壓力的目的。

試驗前對機械手進行初始化和參數設置，包括對機械臂 3軸各方向上位置的初始化，對機械手爪原始張開位置的初始化，以及對機械手爪閉合位置的參數設置。調試系統，調整好掛鉤上肉雞內臟的位置，確保機械手能夠自動定點抓取到內臟。

圖1 家禽凈膛系統結構圖Fig.1 Structure diagram of poultry evisceration system

1.2 機械手爪的設計

機械手爪整體為對稱式結構，步進電機由電機固定架固定，電機軸通過聯軸器與螺桿相連。螺桿和滑塊之間為絲杠傳動，滑塊與機械手手指之間通過連桿連接，能把滑塊的推力傳遞到手指上，控制機械手爪上步進電機的旋轉方向和轉速，就能分別控制手指的張角和抓取或松開速度。機械手爪結構示意圖如圖2a所示。

根據家禽腹腔造型，將手指的 3指節長度分別定為32、18、16 mm，相鄰2指節的角度分別定為160°和150°。手指[13]由相對比較柔軟的樹脂材料加工而成，其他部分采用鋼材料進行加工與裝配。手指的具體參數如圖2b所示。

圖2 機械手爪結構及參數Fig.2 Structure and parameters of mechanical paw

1.3 機械臂的設計

按照機械臂的結構形式，將機械臂分為關節型機械臂和非關節型機械臂[14-15]。關節型機械臂一般是由移動副和轉動副進行不同形式的組合而組成的，最常用的機械臂就是直角坐標型和開鏈連桿式關節型機械臂[16-18]。

考慮機械手爪先抓取內臟然后將內臟直接拉出的凈膛動作和設計成本，本系統選擇空間直角坐標系下的機械臂作為機械手的主體，機械臂的結構示意圖如圖3所示。

圖3 機械臂結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of mechanical arm

該機械臂滿足笛卡爾空間直角坐標系，它的運動是由X，Y，Z三軸方向上的直線運動組成，為滿足內臟拉出的行程要求，將X，Y，Z各軸的有效行程分別為300、600和400 mm。通過絲桿傳動，各臂分別沿著自身所在坐標軸方向上做前進、升降和伸縮運動。

1.4 主控芯片的選型

本控制系統選用 STM32ZET6型號的單片機作為主控芯片，該芯片是ARM公司的CortexM3內核的處理器。

1）該芯片內部時鐘頻率高達72 MHz，具有5個串口、1個USB接口以及3組共18路的12位模數轉換器ADC（analog-to-digital converter）。利用內部的ADC能對外部電路中的電壓等模擬量進行高精度采集，而且可以是多通道ADC同時采集，并將采集的數據通過串口發送給PC機。

2）具有2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器。高級定時器TIM1和TIM8可以同時產生7路的PWM輸出。而通用定時器也能同時產生4路的PWM輸出，STM32最多可以同時產生30路PWM輸出，更利于對步進電機的控制[19-21]。

本機械手控制系統只需4路PWM輸出控制4個步進電機，利用單片機自帶ADC的4個通道進行壓力采集，故該型號的單片機能滿足實際控制要求。

1.5 觸覺系統硬件設計與驅動電路搭建

1.5.1 壓阻式薄膜傳感器

本系統將4根安裝在機械手爪手指內側的RFP-6系列 601型號的壓阻式薄膜傳感器作為手爪的觸覺感知部件。該傳感器敏感區域直徑為7 mm，量程為10 N。當傳感器上壓力變大時，電阻值變小。反之，當壓力變小時，電阻值會變大。

實際中所用的4根傳感器的電阻-壓力的對應關系曲線如圖 4所示，該關系曲線是在實驗室通過標準的壓力標定測試所得到的。

圖4 壓阻式薄膜傳感器載荷-電阻的對應關系曲線Fig.4 Corresponding relation curve of load and resistance of piezoresistive film sensor

1.5.2 壓力采集電路的搭建

壓阻式薄膜壓力傳感器輸出信號為電阻信號，轉換模塊的作用是將電阻信號轉換為便于采集的模擬電壓信號。將4根傳感器分別與4個模塊的傳感器接口連接（不分正負極），即完成如圖5所示的壓力信號采集電路的搭建。

圖5 壓力信號采集電路示意圖Fig.5 Diagram of pressure signal acquisition circuit

將轉換模塊VCC端供3.3 V電壓，GND端接地，模擬電壓輸出AO端與對單片機進行ADC初始配置的對應通用輸入輸出GPIO（general purpose input output）口對接，就可以測定傳感器力的變化所對應的電壓值。

設壓力傳感器的阻值為 Rs，模擬電壓輸出口電壓為Vout，則傳感器的電阻值Rs為

根據上位機接收的電壓值outV 可以得到Rs的值，通過壓阻式薄膜傳感器的壓力與電阻的特性曲線即可得到對應的壓力值。

1.5.3 步進電機與驅動器

步進電機是一種將脈沖信號轉化為相應角位移的執行元件[22-24]。根據機械臂各軸及機械手爪的負載，選擇相應的步進電機，具體參數如表1所示。

表1 步進電機主要參數Table 1 Main technical parameters of stepping motor

本系統采用 TB6600型號的驅動器來驅動步進電機工作，是一款專業的兩相混合式步進電機驅動器，接口采用高速光耦隔離，具有抗高頻干擾能力強等特點[25]。

1.5.4 步進電機驅動電路連接

本系統對步進電機和驅動器之間采用共陰極接法，為了保證機械手在安全的行程中運動，機械臂的X、Y、Z 軸方向上的兩側均安裝有限位開關，開關的一端接在驅動器EN+的一端，另一端接在+5 V電源上。步進電機、STM32單片機、驅動器和電源的系統接線如圖6所示。

圖6 步進電機驅動電路示意圖Fig.6 Schematic diagram of driver circuit of stepping motor

2 控制系統軟件設計

控制系統軟件主要包括掏膛機械手控制界面和基于keil5開發的控制程序 2大部分。其中控制程序又包括ADC壓力采集程序和控制機械手運動的執行程序。

STM32單片機定時器產生占空比為50%的PWM信號，上位機通過串口向下位機發送不同數據，使能定時器的時鐘控制對應步進電機，ADC實時采集手爪上的壓力，最后達到機械手自動掏膛的目的。系統控制的流程圖如圖7所示。

圖7 自動控制模式流程圖Fig.7 Flow chart of automatic control mode

2.1 STM32單片機PWM輸出

STM32具有豐富的定時器資源，利用4個通用定時器分別產生4路PWM輸出，每路PWM輸出分別控制機械臂X、Y、Z軸方向和機械手爪的步進電機。為了產生PWM輸出，必須對相應的定時器功能進行初始化配置，包括GPIO的初始化、定時器的初始化、定時器PWM輸出通道的初始化和使能定時器等。

2.2 ADC壓力采集實現

STM32ZET6單片機包含ADC1、ADC2和ADC3三個模擬數字轉換器，每個轉換器都包含十幾個通道，可實現對多個模擬量同時進行采集。

本系統選擇ADC1的通道0、通道2、通道4和通道5共 4個通道對電壓模擬量進行采集，各通道所對應的GPIO 端口分別為 PA0、PA2、PA4和 PA5。首先利用Adc_Init()函數進行初始化，包括ADC1對應通道的GPIO初始化、設置ADC的工作模式、轉換觸發方式、設置數模轉換的通道模式等。ADC初始化部分代碼為：

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Indepen dent;//ADC工作在獨立模式

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE;//模數轉換工作在單通道模式

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DIS ABLE;//模數轉換工作在單次轉換模式

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_Ext ernalTrigConv_None; //轉換由軟件而不是外部觸發啟動

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //ADC數據右對齊

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;//順序進行規則轉換的ADC通道的數目

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);//初始化外設ADC1的寄存器

利用Get_Adc()函數設置ADC1的規則通道、采樣時間等參數，最后利用Get_Adc_Average()函數對Get_Adc()獲取的電壓值取10次的平均值，保證數據的準確性。

2.3 人機交互界面設計

Qt Creator是一個跨平臺的、完整的Qt集成開發環境（IDE）[26-28]。信號槽機制是 Qt的一個中心特征并且是Qt與其他工具包的最不相同的部分[29-30]，本系統的人機交互界面就是基于其信號槽機制編寫的，控制界面如圖8所示。

該界面主要由串口、顯示框、自動模式、手動模式和運行控制 5個部分組成。在操作掏膛機械手控制界面時，應通過串口數據線將PC機與STM32單片機進行連接，保證能搜索到相應的串口號，然后選擇正確的串口序列號，點擊“打開串口”按鈕使上位機與下位機通信端口正常連接，點擊“復位”按鈕對系統進行初始化設置后，此時就可以對控制界面進行操作。

圖8 控制系統人機交互界面Fig.8 Human-computer interactive interface of control system

通過上述的串口設置后，自動模式下，只需要在“Line edit”框中輸入機械臂X、Y、Z軸各方向需要運動的距離，然后點擊“開始”按鈕就可以對機械手進行相應的控制。在手動模式下，只需要點擊控制機械臂或是機械手爪的相應按鈕，就可以實現對機械手的點動操作。

以 X軸方向的“左”按鈕為例，該按鈕的對象名為left_Button，當按壓該按鈕時，會執行void Main Window::on_left_Button_pressed()函數，當松開按鈕時，執行 void MainWindow::on_left_released()函數，兩種狀態的執行代碼如下：

3 系統測試及試驗設計

3.1 壓力閾值測定試驗與凈膛試驗

3.1.1 試驗材料

在農貿市場購買24只現場屠宰且經過脫毛、放血、割肛等工序的新鮮肉雞，肉雞的質量在1.3～1.7 kg之間，無斷腿和斷翅，健康狀態良好。

3.1.2 試驗方法

將肉雞倒掛在掛鉤上進行家禽自動取內臟試驗。以12只肉雞為一組，共進行2組試驗。

1）確定內臟壓力閾值Fave

每一次抓取內臟試驗都使機械手爪從原始張開狀態運動到機械手爪完全抓緊閉合，獲取壓力采集系統保存的機械手爪處于完全閉合時機械手爪上 4根傳感器中的最大壓力值。本試驗以第1組肉雞為對象，對12次試驗中的壓力值取平均值，并將平均值作為內臟臨界壓力值，即內臟壓力閾值Fave。觀察內臟的破損情況，計算內臟凈膛率。

2）凈膛試驗

將內臟壓力閾值Fave在程序中進行設定，當機械手爪的力大于臨界壓力值時，說明機械手爪對內臟的壓力過大，單片機執行這一條件下的程序，控制機械手爪步進電機反轉，使機械手爪張開一定角度，從而達到控制機械手爪抓力的目的。抓取過程中，若壓力沒達到臨界值，機械手爪則完全閉合，保證內臟不至于脫落。本試驗以第2組肉雞為對象，觀察內臟的破損、評價凈膛效果。

3.2 測試指標

1）肉雞內臟破損程度的評定

內臟的破損程度采用10分制進行評定。家禽內臟主要包括肝臟、心臟、腎臟、脾臟、以及一些消化道和腸道等[31]。為了評定內臟的破損情況，主要是對肝臟和心臟等易破損的器官進行評定，將肝臟和心臟的得分權重設置為50%和 30%，其他組織合計在一個對象中一起評定，并將得分權重設置為 20%。最后將肝臟、心臟和其他組織這 3項評定對象的總分作為肉雞內臟破損程度的評定值，具體方法如表2所示。

表2 內臟破損情況的權重值Table 2 Weights of poultry entrails damage

2）肉雞內臟凈膛率的評定

內臟的凈膛率主要用來表征機械手取內臟時的凈膛程度，也是衡量機械手性能的一個重要指標。凈膛率λ（%）

式中λ為凈膛率，%；m為掏出內臟的質量，g；M為內臟的總質量，g。

4 結果與分析

4.1 內臟壓力閾值測定結果

對第 1組肉雞進行內臟壓力閾值的確定試驗，得到如表 3所示的結果。可以得到機械手爪上的平均抓力為7.7 N，內臟破損得分平均值為4.75分，凈膛率平均值為87.9%。

表3 確定內臟壓力閾值試驗Table 3 Test of determining entrails pressure threshold

4.2 凈膛試驗結果

將內臟臨界壓力值設定為7.7 N，以第2組肉雞為試驗對象，進行一定臨界值壓力下的凈膛試驗，得到如表4所示的結果。從表中可以得到內臟破損得分平均值為 4分，凈膛率平均值為87.4%。

表4 內臟壓力閾值自動控制模式下的凈膛試驗Table 4 Taking entrails test in pressure threshold and automatic control mode

4.3 試驗結果分析

由表 3可知，質量相差較大的肉雞，機械手爪上的力度也相差較大，一般質量大的機械手爪上的力度較大。內臟壓力閾值Fave=7.7 N下，帶觸覺系統機械手凈膛試驗的內臟破損得分為4，且凈膛率87.4%。不帶觸覺系統的機械手爪完全閉合抓取內臟時，內臟破損得分為 4.75，且凈膛率為87.9%，可以得到帶觸覺系統的機械手爪對內臟的破損更小，但凈膛率相差不大。

一般情況下，肉雞的體型越大，內臟中的器官就越大。由于機械手爪完全閉合時的包絡空間是一定的，在抓取體型較大的肉雞內臟時，無疑會使機械手爪上的壓力變大，在拉出內臟的過程中，就會導致內臟的一些部位單點受力較大，從而致使內臟的破損相對較大。而設定內臟壓力閾值后，當手爪上的壓力大于閾值時，機械手爪會張開一個設定的小角度，控制機械手爪上的力度，使壓力不至于過大，掏內臟時，內臟會慢慢地在機械手指上有略微的滑動，起到了緩沖作用，分散了內臟上的集中應力，故內臟的破損相對會小些。

5 結 論

該系統以STM32單片機為核心控制器，以壓阻式薄膜傳感器作為機械手爪的觸覺部分，以Qt軟件編寫的控制界面作為上位機，探索設計出了一套全自動化的凈膛機械手。對凈膛機械手的機械手爪進行了構思和設計，通過試驗確定了內臟壓力閾值，利用傳感器實時采集凈膛過程中機械手爪對內臟的壓力并根據壓力改變機械手爪的抓緊力度，達到減小內臟破損的目的。根據實際試驗可知，具有觸覺系統的機械手內臟破損得分為4，凈膛率為87.4%，不帶觸覺系統的機械手爪完全閉合抓取內臟時，內臟破損得分為4.75，且凈膛率為87.9%，可以得到帶觸覺系統的機械手爪對內臟的破損更小，但凈膛率相差不大。且性能較為穩定，能很好地實現凈膛動作，凈膛效果基本可以滿足家禽掏膛生產要求。

在后續的研究中，可以對機械手爪做進一步的優化或改進，以便更好地適應內臟的抓取動作，另外，可以在手爪安裝多點壓力傳感器進行壓力監測和采集，以提高壓力采集精度。

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