破損禽蛋分揀裝備定位設計與試驗

2020-10-10 20:43:34崔航浩

機電信息 2020年27期

摘要：針對國內禽蛋初加工流水線仍以人工作業為主的現狀以及勞動強度大等問題，通過分析現有機械手的優缺點，設計了一種破損禽蛋分揀裝備，其具有定位精度高、裝備運行穩定性好的特點。通過分析速度PI閉環控制系統及電機S曲線加減速參數二者相互作用對機械手穩定性的影響，確定了機械手最佳工作參數的組合。對分揀裝備定位作業效果進行試驗，結果表明，各項指標達到國家相關標準技術要求，該研究初步可用于禽蛋初加工流水線。

關鍵詞：破損;禽蛋;分揀;定位;試驗

0 ? ?引言

目前，我國的破損禽蛋檢測及分揀作業仍以人工作業為主，工作強度大，生產效率低。因此，研制一款造價低廉、適應性強、檢測精度和速度高的破損禽蛋分揀裝備勢在必行。

文獻[1]結合應用凸包算法，可以快速準確提取出群體雞蛋圖像上的特征參數，并按尺寸大小與扁圓程度進行分級，其正確率分別為90.5%和89.3%。

在家禽生產中，種蛋的篩選是影響孵化成效的直接因素，用小波變換求長短軸的方法，可以占用少量的存儲空間和時間，提高運算效率[2]。

文獻[3]基于偏振光和聚類分析對皮蛋殼裂紋進行無損檢測。

文獻[4]通過機器視覺檢測系統進行雞蛋的圖像處理分析，可以完成雞蛋的初步分級。

文獻[5]通過DSP處理可以判斷禽蛋蛋殼是否出現破損。

文獻[6]采用機器視覺技術和支持向量機等技術手段，分析無裂紋蛋和裂紋蛋在圖像上的差異，可以實現蛋殼裂紋的自動識別。

本文設計了符合實際且應用面廣的圓柱坐標機械臂結構;并設計了由光電編碼器構成的閉環系統，使機械臂定位精確度更高;采用雙目立體視覺技術，實現機械臂對破損禽蛋的自動定位，并吸附破損禽蛋到指定存放箱。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?機械結構及其工作原理

為達到破損禽蛋定位過程中的高精度性要求，經對禽蛋加工廠進行分析研制出一種新型破損禽蛋分揀裝備。該裝備的傳動裝置主要由末端執行器——帶緩沖裝置的吸盤機構和笛卡爾圓柱坐標機械手兩部分組成，機械手和執行末端結構圖如圖1所示。

其中：定滑輪用于防止懸臂梁負載過大導致梁的傾斜;光電編碼器用于構成閉環系統的檢測裝置;吸盤與真空電磁閥、真空泵及繼電器構成氣動系統，實現吸附功能;限位開關用于提高設備的安全性能。

手臂運動是通過依靠固定在底座1上一號電機3使手臂實現旋轉功能;依靠一號絲桿支架6與一號絲桿5配合安裝，并通過安裝在其頂端的二號電機14驅動，使手臂實現升降功能;依靠一號滑塊9與一號絲桿5構成滾珠絲桿滑動配合，將二號絲桿支架12水平固定安裝在一號滑塊9上且二號絲桿11安裝在二號絲桿支架12之間，并通過安裝在其右端的三號電機10驅動，使手臂實現橫向運動功能。

1.2 ? ?機械手控制系統設計

本文提出用電機S型曲線作為電機加減速控制算法。這種算法不但參數少，而且可控性強，是一種適用于機械手定位禽蛋的電機控制算法。這種算法相對于梯形算法，能保證速度、加速度連續，有效減少工作時間，滿足吸附破損禽蛋的實時性要求。

1.2.1 ? ?電機S型曲線

電機S型曲線加減速模型如圖2所示，假設電機的初始速度為vs，在T1時間中電機做加速度a增加的變加速運動，在T2時間中電機做加速度a減小的變加速運動，使電機穩定快速地達到最大速度vm并勻速保持T3時間，在T4、T5運行時間階段電機做變減速運動，終點速度vc與初始速度vs一致。

運用THKDSP-1實驗平臺進行設計，根據現有電機速度PI參數確定了比例系數為0.244 1和0.500 0、微分系數為0.000 3和0.002 5、積分系數保持0.002 4不變的三種動態參數。應用THKDSP-1實驗平臺的運動控制模塊對電機進行仿真分析。

比例控制Kpn加大，可以使系統動作靈敏，速度加快;但Kpn偏大，振蕩次數增多，調節時間加長;當Kpn太大時，系統處于不穩定狀態，Kpn太小，系統動作緩慢。同時，當Kin取得合適值時，可以減少系統的超調量，提高系統的穩定性，但當Kin太大時，其調節時間太長，系統的快速性降低。

1.2.2 ? ?電機S型曲線控制算法利用定時器的工作原理

由于考慮到DMA雖不占用CPU但是占用總線，而STM32定時器具有的級聯功能能解決此問題，同時可提高電機的運行效果和CPU的效率，因此本項目設計的是基于定時器的級聯或DMA方式步進電機S曲線控制算法。

1.3 ? ?機器視覺定位系統設計

機器視覺系統在此項目中的應用可以分為兩大方面，一方面是破損禽蛋的檢測，另一方面是破損禽蛋坐標的標定及反饋。

1.3.1 ? ?破損禽蛋的檢測

為避免光照強弱對檢測結果的干擾，對于圖像的處理在HSV空間的H通道進行。對每個禽蛋的對應區域進行Canny邊緣提取，得到一組圖像A;進行自適應閾值處理，得到另一組圖像B。容器A中的每個圖像與容器B中的對應圖像相減得到的目標圖像如圖3所示。

1.3.2 ? ?破損禽蛋坐標的標定及反饋

破損雞蛋坐標的標定分為三步，第一步是利用含有已知長度黑線的破損禽蛋檢測圖得到黑線的像素長度，從而知道圖像坐標與實際機械坐標的換算關系;第二步是對灰度處理后的圖像進行霍夫圓檢測得到禽蛋中心點的像素坐標，再換算成二維機械坐標;第三步是通過超聲波測距儀檢測禽蛋的高度坐標，通過串口通信將坐標傳遞給STM32。

2 ? ?結果分析

通過對機械手電機速度PI參數、電機加減速S模型結構參數和機器視覺定位工作參數的試驗，確實了最優的電機速度PI參數和電機加減速S模型結構參數組合，即速度PI參數比例系統Kpn為0.244 1，積分系數Kin為0.000 3，微分Kcorn為0.002 4;S模型結構中加加速時間M_FRE_AA為0.3 s，勻加速時間M_T_UA為0.6 s，減加速時間M_T_RA為0.2 s，加減速時間M_FRE_AR為0.2 s，勻減速時間M_T_UR為0.6 s，減減速時間M_T_RR為0.3 s;電機工作最高速度為300 r/min。采用以上參數對破損禽蛋分揀裝備整機作業效果進行測試。機械手距離靜態破損禽蛋設定為300 mm，連續作業3次，每次對禽蛋坐標進行測試。

2.1 ? ?電機運動穩定性

機械手在進行定位的過程中，控制電機的頻率變化時刻影響著電機運動速度的變化，即在3次連續作業狀態下，在0.7 s、1.4 s、2.1 s三個同一時間段采樣所測得控制電機的頻率變化數據如表1所示。

2.2 ? ?機械手對破損禽蛋定位的準確率

需要測量機械手執行末端部分到指定坐標數據并進行誤差分析，其中定位過程是以機械手旋轉軸為基準，坐標為（200，0，300），結果如表2所示。

由表1和表2可知，在3次連續作業過程中，電機在0.7 s、1.4 s、2.1 s時，其頻率平均值分別是2 466.67 Hz、9 733.33 Hz、5 233.33 Hz，頻率在平均值上下波動，誤差控制在0%～1%范圍內，說明電機運動較穩定。同時，計算出機械手執行末端部分距離破損禽蛋坐標均方差為8.66 mm2、6.888 9 mm2，由此可知，橫向位置和上升位置與原坐標中X、Z值大體一致。

對于任何坐標來說，Z值是根據機械手上升高度確定，而X、Y值則是根據旋轉角度三角公式確定：

X=Asin C

Y=Acos C

式中：C為機械手旋轉角度。

3 ? ?總結與討論

（1）電機工作參數分析結果表明，電機的穩定性隨著速度PI閉環控制系統參數及S型曲線參數的改變而改變，通過分析PI閉環控制系統和S型曲線二者交互作用對電機穩定性的影響，確定了各關鍵工作參數。

（2）對安裝好吸盤機構的機械手進行定位作業效果試驗，結果表明，機械手在工作過程中電機速度誤差在1%范圍之內，而其定位誤差也較小，各項指標達到國家相關指標要求。

（3）對于機械手在禽蛋初加工流水線環境下出現的振動特性及動態視覺定位還需要進一步研究。

[參考文獻]

[1] 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，2016，32（15）：282-288.

[2] 馬秀蓮，崔業勤.小波分析的種蛋蛋形指數提取研究[J].中國家禽，2012，34（13）：64-65.

[3] 王芳，文友先，譚佐軍，等.基于偏振光和聚類分析的皮蛋殼裂紋無損檢測[J].農業工程學報，2014，30（9）：249-255.