鸡蛋分拣机器人控制系统设计研究

刘群铭 兰育飞 史颖刚

摘 要：基于Delta机构，设计了裂纹鸡蛋分拣控制系统，提高了鸡蛋附加值。首先，分析鸡蛋分拣机器人末端执行器运行的轨迹，找出运动规律，使机器人分拣运动更加平稳;其次，根据抓取需求，设计了气动真空吸盘系统;最后，设计了总体的控制系统。该系统能够满足鸡蛋自动分拣工作的要求。

关键词：鸡蛋分拣;Delta机构;轨迹规划;气动系统

中图分类号：S831.4 文献标识码：A 文章编号：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，中国鸡蛋年产量2 999万t，产量居世界第一[1]。在鲜蛋分拣方面，大部分仍采用人工作业[2]，成本高，效率低，且存在感染疾病和污染蛋品的风险[3]。因此，研发适合国情的鸡蛋品质检测与分级技术，可以提升鸡蛋生产的标准化和规模化，增强鸡蛋产业竞争力。不少国内专家、学者，基于壳蛋品质、新鲜度等因子，开展鸡蛋分拣系统研究[4，5]。本文设计了一种鸡蛋分拣机器人的控制系统，采集鸡蛋表面信息对鸡蛋进行分级，Delta机构根据分级结果进行抓取放置任务，实现鸡蛋的自动分拣。

1 整体设计思路

基于Delta机构的鸡蛋分拣系统架构如图1所示。系统主要由鸡蛋裂纹检测系统、Delta机构、气动真空吸盘系统、主控制器等组成。鸡蛋品质检测箱获取鸡蛋表面信息后，判断鸡蛋是否有裂纹，并将结果发送给主控制器。Delta机构系统用于执行搬运动作，优点是分拣高效、快速。气动真空吸盘系统产生负压，通过柔性吸盘对鸡蛋进行吸附，实现无损抓取。

2 工作空间分析和末端执行器运行轨迹规划

Delta机构采用吸盘结构抓取鸡蛋，进行分拣，作业空间如图2所示，包含一段传送带和一个裂纹蛋收集区。传送带的带面宽度200mm，收集区域尺寸400mm×150mm。为满足作业需求，圆柱形作业空间的底面直径需大于420mm，高大于60mm。

参考IRB360-1/800型Delta机构参数，初步确定鸡蛋分拣Delta机构的主动臂连杆[l1=240 mm]，从动臂连杆[l2=800 mm]，静平台半径R=200mm，动平台半径r=50mm。根据Delta机构运动学，采用MATLAB软件，仿真分析鸡蛋分拣Delta机构作业空间，结果如图3所示。

鸡蛋分拣作业时，Delta机构需要底面直径420mm，高为60mm的圆柱形作业空间，从图3（b）可以看出，Delta机构实际的作业空间是底面直径600mm、高100mm的圆柱形区域，满足鸡蛋分拣要求。

在搬运过程中，若机构振动较大，鸡蛋就容易从吸盘上掉落。通常情况下，为使Delta机构的搬运过程平稳快速，末端执行器的运动轨迹应采用图4所示的门形轨迹和圆弧轨迹。ABCDEFG为门形轨迹，由直线和圆弧轨迹组成;ADG为圆弧轨迹，由单一圆弧构成。Delta机构的末端执行器，仅在传送带与收集区之间运动，圆弧轨迹和门形轨迹均满足要求。圆弧轨迹的总长度小于门形轨迹的总长度，在相同的运动规律下，使用圆弧轨迹的运动周期更短。因此，选用圆弧轨迹作为鸡蛋分拣Delta机构末端执行器的运动轨迹。

以圆弧轨迹所在的平面进行分析，假设圆弧轨迹在XOZ平面内，轨迹初始点A坐标[xA，yA，zA]，G点坐标[xG，yG，zG]，D点坐标[xA+xG/2，yA+yG/2，zA+h]，则圆弧轨迹方程：

（1）

（2）

（3）

电机转速快速突然提高时，会对机器人产生冲击力，造成机器人震动，为消除冲击力，电机采用正弦修正梯形加速度曲线进行控制，位移曲线表达式如下：

（5）

3 气动真空吸盘系统

抓取鸡蛋的气动吸盘系统，包括真空发生装置、真空吸盘、流速调节装置、称重传感器和气压传感器。其中，真空发生装置包括空气压缩机、调压过滤阀、电磁阀、真空发生器和真空过滤器，工作流程如图5所示。空气压缩机产生压缩空气，经调压过滤阀输出。电磁阀控制系统启停，导通时，系统启动，压缩空气进入真空发生器，再经过真空过滤器过滤。真空发生器利用正压气源产生负压。真空吸盤接触裂纹蛋表面后，对其进行吸附。由于吸附的原理是在柔性吸盘内部创造真空环境，利用大气压将裂纹蛋压在柔性吸盘上，且柔性吸盘实际作用面积较小，故裂纹蛋整体受力较为均匀，所以整个抓取放置过程中对裂纹蛋个体的损伤可忽略不计，避免了由于裂纹蛋破裂对传送带造成的破坏。

4 控制系统设计

4.1 Delta机构控制程序

上电后，控制器先初始化系统，随后打开串口中断，准备接收工控机发送的指令信息。当控制器接收到工控机发送的数据后，若数据标准，则为指令信息，控制器执行对应子程序;若数据不标准，则控制器继续等待接收下一次工控机发送的数据。子程序有2个，一个用于电机復位子程序;另一个是抓取放置子程序。

电机复位子程序用于电机复位。当控制器接收到工控机发送的复位信号时，控制器开始控制电机转动，同时利用光电传感器检测与电机轴相连的主动臂位置。当主动臂旋转到水平位置时，光电传感器向控制器发送信号，使之关闭对应电机的脉冲输出通道。当3个脉冲输出通道都被关闭后，对电机角度进行修正，完成电机复位，此时执行末端到达初始位置。

抓取放置子程序用于鸡蛋搬运。当控制器接收工控机发送的检测结果且裂纹蛋到达抓取点时，控制器会打开气动真空吸盘系统，控制执行末端抓取裂纹蛋;随后将裂纹蛋搬运到对应收集区，关闭气动真空吸盘系统，控制执行末端松开裂纹蛋。执行末端松开裂纹蛋后，会回到初始位置，等待下一次抓取放置子程序的运行。

抓取放置子程序的关键是控制执行末端按照事先规划的轨迹移动。首先，向控制器内输入轨迹方程与插补点个数;然后，控制执行末端按顺序移动到各个插补点的位置，直到执行末端达到轨迹终点。控制器控制执行末端在插补点间移动的基本流程如下：执行末端到达一个插补点后，首先根据目标插补点的位置计算出每一个电机需要转动的角度，根据角度计算需要的脉冲个数;然后设置电机的转向及转速;最后使脉冲输出通道，电机开始转动。当脉冲输出通道产生的中断个数达到对应的中断数时，对应电机停止转动;当3个电机都停止转动时，执行末端到达目标插补点位置;重复上述基本流程，直到执行末端达到轨迹终点。

4.2 总控制系统结构设计

基于Delta机构的鸡蛋分拣系统由鸡蛋裂纹检测系统、Delta机构、气动吸盘系统、主控制器等组成。控制系统架构如图6所示，其中，工控机与主控制器通过无线串口模块实现信息交互。主控制器直接控制Delta机构执行机构电机、控制气动真空吸盘系统的启停，接收鸡蛋位置检测信号的输入。

5 结语

本文构建了鸡蛋自动分拣系统。针对鸡蛋分拣的运动要求，采用圆弧运动轨迹，选取正弦修正梯形加速度曲线作为运动规律，对分拣Delta机构执行末端进行了轨迹规划。设计气动真空吸盘系统，柔性吸取鸡蛋。最后设计了系统控制结构，系统可以满足鸡蛋自动分拣机器人速度快、运动精度高、运行平稳且分拣准确的要求。

参考文献：

[1]孙丹丹，秦玉昌，李军国.鸡蛋生产质量安全问题分析及控制研究进展[J].中国家禽，2015（5）：45-49.

[2]段宇飞，王巧华，李小明，等.基于凸包算法的鸡蛋尺寸形状在线视觉高通量检测方法[J].农业工程学报，2016（15）：282-288.

[3]李文康，刘雪，杜娟，等.壳蛋品质质量分级技术的研究进展和发展趋势[J].食品工业科技，2018（7）：340-347.

[4]张世庆，涂佳，孙力，等.鸡蛋质量与长短轴在线检测方法[J].农业机械学报，2014（2）：204-209.

[5]魏萱，何金成，郑书河，等.基于图像纹理特征的土鸡蛋微裂纹无损检测[J].福建农林大学学报（自然科学版），2017（6）：118-122.