基于關(guān)節(jié)機器人的禽蛋檢測與分級機器人設(shè)計

基于關(guān)節(jié)機器人的禽蛋檢測與分級機器人設(shè)計

0畜禽蛋分級和檢測美國、日本和荷蘭等國家的先進蛋產(chǎn)區(qū)通常配備完整的自動蛋收集設(shè)備和新鮮蛋處理系統(tǒng)。鳥類蛋產(chǎn)于輸送線，送到驗蛋機，去除破損的殼蛋，進入洗蛋機自動清洗，然后進入殺雞蛋處理機，以便自動映射和干燥。然后進入養(yǎng)雞場的自動檢驗機，進行自動檢查和等級判斷，并將雞蛋作為一個整體進行處理。如荷蘭Hot-Cheers公司推出的FPSMOBA計算機控制雞蛋分級與包裝機。該機還可以與臟蛋檢測系統(tǒng),裂縫檢測系統(tǒng),內(nèi)部血斑、蛋殼顏色檢測系統(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、干燥和上油保護系統(tǒng)。禽蛋自動檢測普遍使用的方法有光譜檢測蛋內(nèi)異物和蛋殼質(zhì)量;用蛋的聲學(xué)特性或振動特性檢測蛋殼破損;用機器視覺和圖像處理技術(shù)檢測蛋的破損、新鮮度、孵化成活性和蛋的形狀、大小及蛋殼表面污漬。在禽蛋的檢測和分級過程中,自動上下料技術(shù)直接影響檢測的效率、分級的準確性和檢測過程中的破損率,發(fā)達國家產(chǎn)品往往配置全自動上料系統(tǒng)和與雞舍相連的中心集蛋傳輸系統(tǒng),但造價高,占地面積大。本文集成了機器視覺(判斷每枚蛋的位置和方向)、機器人技術(shù)(運動、控制和執(zhí)行)、基于聲音信號的禽蛋破損檢測系統(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系統(tǒng),開發(fā)出集檢測、分級和柔性搬運于一體的禽蛋檢測分級機器人系統(tǒng)(SystemofRobotforDetectingandGradingEggs,簡稱:SRDGE)。1工作任務(wù)檢測為了實現(xiàn)在禽蛋檢測和分級過程中的柔性搬運,用一個帶氣動吸盤末端執(zhí)行器的5自由度關(guān)節(jié)機器人,將檢測和分級系統(tǒng)各工作任務(wù)有機聯(lián)系起來。SRDGE由機器視覺定位系統(tǒng)(含場景圖像采集、處理、蛋位置特征值提取)、柔性搬運系統(tǒng)(含機器人運動子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng))、破損識別系統(tǒng)(含聲音產(chǎn)生、采集、處理)和內(nèi)部品質(zhì)檢測系統(tǒng)(含光源、彩色圖像采集、圖像處理)等組成(圖1)。2運動控制策略禽蛋放置在場景攝像機視域下工作臺的矩形區(qū)域內(nèi),場景攝像機攝起蛋的群體圖像,經(jīng)過圖像處理,獲得每枚蛋的中心坐標和長軸方向,將該數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標變換和機器人運動求解,獲得機器人關(guān)節(jié)運動量,機械手帶著氣動吸盤運動到蛋的中心位置,調(diào)整位姿(機械手運動路線一),發(fā)送信號給氣動吸盤單片機控制器,啟動真空吸附氣路,將蛋吸取。機器人根據(jù)規(guī)劃好的運動軌跡,將蛋搬運到蛋殼敲擊裝置上方(機械手運動路線二),蛋殼被敲擊發(fā)出聲音,麥克風采集該聲音信號,送DSP系統(tǒng)處理,運用相應(yīng)識別模型判斷蛋的破損,將識別結(jié)果傳遞給機器人運動控制器,如果是破損蛋,就放到破損蛋箱(機械手運動路線三);如果不是破損蛋,機械手運動到彩色攝像頭前(機械手運動路線四),獲得蛋內(nèi)容物彩色圖像,經(jīng)過圖像處理,按相應(yīng)識別模型判斷蛋的新鮮度,按新鮮度分級,將分級信息傳遞給機器人運動控制器,控制機械手將蛋放入相應(yīng)等級的蛋箱中(機械手運動路線五),圖2為系統(tǒng)的工作過程。3配置和參數(shù)選擇srd3.1系統(tǒng)硬件組成工作臺上的禽蛋處于雜亂無章狀態(tài),機器人必須通過機器視覺子系統(tǒng),實時攝取這種狀態(tài)的圖像,經(jīng)過圖像處理(攝像機標定、圖像與背景分割、禽蛋個體分割、個體標識、特征值提取等),定位每一枚蛋的中心坐標和長軸方向,引導(dǎo)機器人末端執(zhí)行器到達指定位置。系統(tǒng)硬件由CCD攝像機、圖像采集卡、圖像顯示卡及計算機等設(shè)備構(gòu)成。采用黑白CCD攝像機,其成像器件為LG1/3″CCD,系統(tǒng)信號為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發(fā)包,使用WindowsVFW軟件架構(gòu)設(shè)計采集程序。3.2moveswell-em機器人研究中使用華中科技大學(xué)智能機器人研究所MoveMaster-EX機器人,該機器人為日本制造的一種精密輕型5自由度開鏈連桿式通用機器人,其主要技術(shù)參數(shù)見表1。3.3運動控制器接口設(shè)計本研究選用DeltaTau公司開發(fā)的開放結(jié)構(gòu)PMAC運動控制器,每卡最多可以同步控制8-32個運動軸,并且可以并連使用,實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運動。其核心由Motorala的DSP56K數(shù)字信號處理器和FPGA組成,可以實現(xiàn)高性能的控制計算。本研究選擇PCI總線和RS232串行通訊接口。使用運動控制器提供的C語言函數(shù)庫和Windows動態(tài)連接庫,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、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起,構(gòu)造符合禽蛋檢測分級運動要求的控制系統(tǒng)。首先上電計算機電源、驅(qū)動器電源、端子板電源;運行PEWIN.exe;在菜單欄選擇“基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置”界面;在“運動控卡選擇”欄,打開下拉菜單,選擇要操作的卡號;設(shè)置“行程開關(guān)觸發(fā)電平”;設(shè)置“編碼器方向”;設(shè)置控制周期,運動控制卡缺省的控制周期是200μs。設(shè)置250μs的控制周期。3.4盤替換蝦夾頭末端執(zhí)行器由于本課題的搬運對象是極易破碎的禽蛋,為此選用硅橡膠制作的真空吸盤替換原裝兩瓣半圓形的夾頭末端執(zhí)行器,吸盤參數(shù)為盤徑:20mm;座徑:16mm;孔徑:10mm;高度:26mm。真空吸盤的氣路控制采用AT89S52單片機控制(圖3),以實現(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,此信號由麥克風將其轉(zhuǎn)換為電信號,電信號經(jīng)過放大、濾波后,再經(jīng)過閥值觸發(fā)電路進入到DSP(TMS320VC33)的中斷口,DSP受理此中斷信號,啟動A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器對經(jīng)過濾波后的信號進行采樣﹑保持﹑量化﹑編碼,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。DSP主頻為75MHz,指令周期為13ns,浮點運算能力可達150MFLOPS,流水線深度為四級,采用了內(nèi)部1.8V、外部3.3V供電,功耗低于200mW。DSP通過軟件對輸入的數(shù)字信號進行數(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JTAG接口與PC機通信,PC機根據(jù)判別結(jié)果選擇機械手的運動路線。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計算機等組成。3.7運動控制卡有助于快速通信系統(tǒng)采用一臺PC計算機(CPU主頻2000MHz,內(nèi)存DDRII1024M,華碩M2A-VMHDMI主板)為上位機,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運動控制卡,通過串口與AT89S52單片機通信,通過USB口與DSP通信。上位機與兩塊圖像采集卡和運動控制卡為整體式結(jié)構(gòu),與單片機和DSP等下位機為分布式結(jié)構(gòu)。整個檢測和分級流程為順序控制,圖像分別由兩塊圖像采集卡采集并在卡內(nèi)緩存,電磁閥動作由單片機控制,聲音信號處理由DSP完成,機器人運動規(guī)劃和誤差補償由運動控制卡實現(xiàn),上位機只完成場景圖像處理、彩色圖像處理、與下位機通信和機械手運動路線一、二的計算,運動路線三、四為固定路徑,運動路線五為四條固定路徑,按蛋的品質(zhì)等級選擇。4系統(tǒng)處理運行情況試驗中,人工將40枚鴨蛋隨機放置在場景攝像機視域下工作臺的矩形區(qū)域內(nèi),其中有10枚鴨蛋被人為打破成不同程度的破損。由于機器人運動采用軌跡規(guī)劃插補算法,處理每枚蛋的時間不盡相同,破損蛋最長處理時間1.8s,未破損蛋最長處理時間2.3s,系統(tǒng)平均處理處理時間為1.5s/枚。其中,禽蛋定位時間約200ms,視覺定位精度<1mm(機器人重復(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?shù)捌茡p嚴重,吸盤邊緣正好接觸裂紋,機械手加速轉(zhuǎn)動時,試驗中有蛋跌落記錄。系統(tǒng)連續(xù)運行8h,重復(fù)啟動50次工作均正常。試驗時鴨蛋為人工放置,實際應(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1)開發(fā)了一套實現(xiàn)全程自動化禽蛋檢測和分級的集成系統(tǒng),即SRDGE,該系統(tǒng)改變了已有的自動化禽