基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的禽蛋檢測(cè)與分級(jí)機(jī)器人設(shè)計(jì)

基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的禽蛋檢測(cè)與分級(jí)機(jī)器人設(shè)計(jì)

0畜禽蛋分級(jí)和檢測(cè)美國(guó)、日本和荷蘭等國(guó)家的先進(jìn)蛋產(chǎn)區(qū)通常配備完整的自動(dòng)蛋收集設(shè)備和新鮮蛋處理系統(tǒng)。鳥(niǎo)類(lèi)蛋產(chǎn)于輸送線，送到驗(yàn)蛋機(jī)，去除破損的殼蛋，進(jìn)入洗蛋機(jī)自動(dòng)清洗，然后進(jìn)入殺雞蛋處理機(jī)，以便自動(dòng)映射和干燥。然后進(jìn)入養(yǎng)雞場(chǎng)的自動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行自動(dòng)檢查和等級(jí)判斷，并將雞蛋作為一個(gè)整體進(jìn)行處理。如荷蘭Hot-Cheers公司推出的FPSMOBA計(jì)算機(jī)控制雞蛋分級(jí)與包裝機(jī)。該機(jī)還可以與臟蛋檢測(cè)系統(tǒng),裂縫檢測(cè)系統(tǒng),內(nèi)部血斑、蛋殼顏色檢測(cè)系統(tǒng),紫外線殺菌系統(tǒng)配合使用。如果生產(chǎn)需要,還可以配備清洗、干燥和上油保護(hù)系統(tǒng)。禽蛋自動(dòng)檢測(cè)普遍使用的方法有光譜檢測(cè)蛋內(nèi)異物和蛋殼質(zhì)量;用蛋的聲學(xué)特性或振動(dòng)特性檢測(cè)蛋殼破損;用機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)檢測(cè)蛋的破損、新鮮度、孵化成活性和蛋的形狀、大小及蛋殼表面污漬。在禽蛋的檢測(cè)和分級(jí)過(guò)程中,自動(dòng)上下料技術(shù)直接影響檢測(cè)的效率、分級(jí)的準(zhǔn)確性和檢測(cè)過(guò)程中的破損率,發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)品往往配置全自動(dòng)上料系統(tǒng)和與雞舍相連的中心集蛋傳輸系統(tǒng),但造價(jià)高,占地面積大。本文集成了機(jī)器視覺(jué)(判斷每枚蛋的位置和方向)、機(jī)器人技術(shù)(運(yùn)動(dòng)、控制和執(zhí)行)、基于聲音信號(hào)的禽蛋破損檢測(cè)系統(tǒng),基于透射光(背光)照射下禽蛋圖像特征的新鮮度和蛋的大小檢測(cè)系統(tǒng),開(kāi)發(fā)出集檢測(cè)、分級(jí)和柔性搬運(yùn)于一體的禽蛋檢測(cè)分級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)(SystemofRobotforDetectingandGradingEggs,簡(jiǎn)稱(chēng):SRDGE)。1工作任務(wù)檢測(cè)為了實(shí)現(xiàn)在禽蛋檢測(cè)和分級(jí)過(guò)程中的柔性搬運(yùn),用一個(gè)帶氣動(dòng)吸盤(pán)末端執(zhí)行器的5自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人,將檢測(cè)和分級(jí)系統(tǒng)各工作任務(wù)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。SRDGE由機(jī)器視覺(jué)定位系統(tǒng)(含場(chǎng)景圖像采集、處理、蛋位置特征值提取)、柔性搬運(yùn)系統(tǒng)(含機(jī)器人運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng))、破損識(shí)別系統(tǒng)(含聲音產(chǎn)生、采集、處理)和內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)(含光源、彩色圖像采集、圖像處理)等組成(圖1)。2運(yùn)動(dòng)控制策略禽蛋放置在場(chǎng)景攝像機(jī)視域下工作臺(tái)的矩形區(qū)域內(nèi),場(chǎng)景攝像機(jī)攝起蛋的群體圖像,經(jīng)過(guò)圖像處理,獲得每枚蛋的中心坐標(biāo)和長(zhǎng)軸方向,將該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)求解,獲得機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量,機(jī)械手帶著氣動(dòng)吸盤(pán)運(yùn)動(dòng)到蛋的中心位置,調(diào)整位姿(機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路線一),發(fā)送信號(hào)給氣動(dòng)吸盤(pán)單片機(jī)控制器,啟動(dòng)真空吸附氣路,將蛋吸取。機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)軌跡,將蛋搬運(yùn)到蛋殼敲擊裝置上方(機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路線二),蛋殼被敲擊發(fā)出聲音,麥克風(fēng)采集該聲音信號(hào),送DSP系統(tǒng)處理,運(yùn)用相應(yīng)識(shí)別模型判斷蛋的破損,將識(shí)別結(jié)果傳遞給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器,如果是破損蛋,就放到破損蛋箱(機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路線三);如果不是破損蛋,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到彩色攝像頭前(機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路線四),獲得蛋內(nèi)容物彩色圖像,經(jīng)過(guò)圖像處理,按相應(yīng)識(shí)別模型判斷蛋的新鮮度,按新鮮度分級(jí),將分級(jí)信息傳遞給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器,控制機(jī)械手將蛋放入相應(yīng)等級(jí)的蛋箱中(機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路線五),圖2為系統(tǒng)的工作過(guò)程。3配置和參數(shù)選擇srd3.1系統(tǒng)硬件組成工作臺(tái)上的禽蛋處于雜亂無(wú)章?tīng)顟B(tài),機(jī)器人必須通過(guò)機(jī)器視覺(jué)子系統(tǒng),實(shí)時(shí)攝取這種狀態(tài)的圖像,經(jīng)過(guò)圖像處理(攝像機(jī)標(biāo)定、圖像與背景分割、禽蛋個(gè)體分割、個(gè)體標(biāo)識(shí)、特征值提取等),定位每一枚蛋的中心坐標(biāo)和長(zhǎng)軸方向,引導(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí)行器到達(dá)指定位置。系統(tǒng)硬件由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像顯示卡及計(jì)算機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。采用黑白CCD攝像機(jī),其成像器件為L(zhǎng)G1/3″CCD,系統(tǒng)信號(hào)為PAL制式,感光面積4.9mm×3.7mm,其掃描頻率為:15.625kHz(水平)和50Hz(垂直),像素500×582。圖像采集卡采用圖碼公司生產(chǎn)的天敏SDK-2000視頻采集卡,該卡基于PCI總線,其最大顯示分辨率為640×480、24bit真彩,采樣頻率為PAL制14.7MHz,使用復(fù)合視頻端子輸入。載入其自帶的二次開(kāi)發(fā)包,使用WindowsVFW軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)采集程序。3.2moveswell-em機(jī)器人研究中使用華中科技大學(xué)智能機(jī)器人研究所MoveMaster-EX機(jī)器人,該機(jī)器人為日本制造的一種精密輕型5自由度開(kāi)鏈連桿式通用機(jī)器人,其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。3.3運(yùn)動(dòng)控制器接口設(shè)計(jì)本研究選用DeltaTau公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)放結(jié)構(gòu)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器,每卡最多可以同步控制8-32個(gè)運(yùn)動(dòng)軸,并且可以并連使用,實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其核心由Motorala的DSP56K數(shù)字信號(hào)處理器和FPGA組成,可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。本研究選擇PCI總線和RS232串行通訊接口。使用運(yùn)動(dòng)控制器提供的C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)連接庫(kù),將這些控制函數(shù)與本控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶(hù)接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起,構(gòu)造符合禽蛋檢測(cè)分級(jí)運(yùn)動(dòng)要求的控制系統(tǒng)。首先上電計(jì)算機(jī)電源、驅(qū)動(dòng)器電源、端子板電源;運(yùn)行PEWIN.exe;在菜單欄選擇“基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置”界面;在“運(yùn)動(dòng)控卡選擇”欄,打開(kāi)下拉菜單,選擇要操作的卡號(hào);設(shè)置“行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)電平”;設(shè)置“編碼器方向”;設(shè)置控制周期,運(yùn)動(dòng)控制卡缺省的控制周期是200μs。設(shè)置250μs的控制周期。3.4盤(pán)替換蝦夾頭末端執(zhí)行器由于本課題的搬運(yùn)對(duì)象是極易破碎的禽蛋,為此選用硅橡膠制作的真空吸盤(pán)替換原裝兩瓣半圓形的夾頭末端執(zhí)行器,吸盤(pán)參數(shù)為盤(pán)徑:20mm;座徑:16mm;孔徑:10mm;高度:26mm。真空吸盤(pán)的氣路控制采用AT89S52單片機(jī)控制(圖3),以實(shí)現(xiàn)蛋的吸起和放下。3.5dsp控制回路蛋殼受到敲擊后發(fā)出聲音信號(hào),此信號(hào)由麥克風(fēng)將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后,再經(jīng)過(guò)閥值觸發(fā)電路進(jìn)入到DSP(TMS320VC33)的中斷口,DSP受理此中斷信號(hào),啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)進(jìn)行采樣﹑保持﹑量化﹑編碼,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。DSP主頻為75MHz,指令周期為13ns,浮點(diǎn)運(yùn)算能力可達(dá)150MFLOPS,流水線深度為四級(jí),采用了內(nèi)部1.8V、外部3.3V供電,功耗低于200mW。DSP通過(guò)軟件對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、FFT變換及頻譜分析等,然后根據(jù)相應(yīng)的判別模型判別出好殼蛋和破損蛋,判別結(jié)果由DSP系統(tǒng)通過(guò)JTAG接口與PC機(jī)通信,PC機(jī)根據(jù)判別結(jié)果選擇機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路線。3.6內(nèi)部質(zhì)量分析系統(tǒng)該系統(tǒng)主要應(yīng)用圖像處理方法檢測(cè)禽蛋新鮮度、蛋芯顏色和蛋的大小。硬件設(shè)備由燈箱、彩色攝像頭、圖像采集卡、PC計(jì)算機(jī)等組成。3.7運(yùn)動(dòng)控制卡有助于快速通信系統(tǒng)采用一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)(CPU主頻2000MHz,內(nèi)存DDRII1024M,華碩M2A-VMHDMI主板)為上位機(jī),主板PCI插槽上插入天敏SDK-2000視頻采集卡、DH-VRT-CG200型圖像采集卡和PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡,通過(guò)串口與AT89S52單片機(jī)通信,通過(guò)USB口與DSP通信。上位機(jī)與兩塊圖像采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡為整體式結(jié)構(gòu),與單片機(jī)和DSP等下位機(jī)為分布式結(jié)構(gòu)。整個(gè)檢測(cè)和分級(jí)流程為順序控制,圖像分別由兩塊圖像采集卡采集并在卡內(nèi)緩存,電磁閥動(dòng)作由單片機(jī)控制,聲音信號(hào)處理由DSP完成,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和誤差補(bǔ)償由運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn),上位機(jī)只完成場(chǎng)景圖像處理、彩色圖像處理、與下位機(jī)通信和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路線一、二的計(jì)算,運(yùn)動(dòng)路線三、四為固定路徑,運(yùn)動(dòng)路線五為四條固定路徑,按蛋的品質(zhì)等級(jí)選擇。4系統(tǒng)處理運(yùn)行情況試驗(yàn)中,人工將40枚鴨蛋隨機(jī)放置在場(chǎng)景攝像機(jī)視域下工作臺(tái)的矩形區(qū)域內(nèi),其中有10枚鴨蛋被人為打破成不同程度的破損。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)采用軌跡規(guī)劃插補(bǔ)算法,處理每枚蛋的時(shí)間不盡相同,破損蛋最長(zhǎng)處理時(shí)間1.8s,未破損蛋最長(zhǎng)處理時(shí)間2.3s,系統(tǒng)平均處理處理時(shí)間為1.5s/枚。其中,禽蛋定位時(shí)間約200ms,視覺(jué)定位精度<1mm(機(jī)器人重復(fù)定位精度0.05mm)。在真空度-0.075MPa以下吸附可靠,在-0.06~0.075MPa之間,當(dāng)?shù)捌茡p嚴(yán)重,吸盤(pán)邊緣正好接觸裂紋,機(jī)械手加速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),試驗(yàn)中有蛋跌落記錄。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行8h,重復(fù)啟動(dòng)50次工作均正常。試驗(yàn)時(shí)鴨蛋為人工放置,實(shí)際應(yīng)用中可以與集蛋裝置配合使用,以提高工作效率。5srdge的系統(tǒng)性能指標(biāo)1)開(kāi)發(fā)了一套實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化禽蛋檢測(cè)和分級(jí)的集成系統(tǒng),即SRDGE,該系統(tǒng)改變了已有的自動(dòng)化禽