禽蛋自動撿拾系統結構設計及機械手運動方式分析
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摘要：我國禽蛋拾取系統目前并未完全實現自動化，禽蛋生產企業在工作效率方面較低，無法滿足企業發展需求.本文設計的禽蛋拾取裝置為禽蛋運輸裝置及震動矯正裝置聯合建立的自動拾取系統，這種系統能實現禽蛋自傳送帶到裝盤的流程，并確定機械手引力及吸盤參數，從而優化機械手工作效率，對機械手工作運動方式進行規劃，并追蹤放蛋結果，對撿蛋成功率進行分析，從而確定優化方案.本次實踐表明，此套設計方案，具有簡單、便捷特點，有利于快速定位，能夠滿足企業發展需求，具有應用價值.
關鍵詞：禽蛋;自動拾取系統;機械手;運動方式
中圖分類號：S24;TP241.3 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2019）05-0077-03
禽蛋作為我國農副產品的重要組成部分，在人們生活中體現出較大價值，禽蛋產業也是農業的支柱性產業.我國禽類養殖場多為中小型，且養殖區域較為分散，無法形成大規模的模式.我國在1980年以后，禽蛋產業發展進入新的時期，產業出現聚集現象，自動化要求不斷提升.國際中的禽蛋生產多數為量產，具有大規模、大生產的特點，利用自動化拾取系統，將禽蛋集中后轉移到托輥上，對禽蛋進行清洗及包裝，此套工作流程完全實現自動化，對人力的要求較低，使企業工作效率提升.而我國在此方面發展較為遲緩，雖然引進國外設備，但由于投資成本限制，自動化水平依舊無法提升.因此，本次實踐針對國內自動集蛋系統現狀，設計新型自動拾取系統，從而滿足企業發展需求，推動我國禽蛋產業的發展.
1 系統設計方案
我國禽蛋生產企業多數為中小型企業，對此考慮我國現狀，并對我國的禽蛋生產模式進行分析，從而觀察到禽蛋通過托輥進行轉移，達到設定地點后進行封裝，因此，禽蛋設計系統應當將傳送帶禽蛋輸送于托盤，使裝盤的能力改善，實現自動化.禽蛋轉移過程中，不能完全依賴一個硅膠槽或者多個必須裝滿的硅膠槽，若直接將禽蛋轉移至托盤，托盤將無法放滿，需要進行人工填充，因此在設計系統過程中，需思考無序傳送變為有序傳送，利用機械手將硅膠中的禽蛋拾取，從而系統可分辨硅膠槽放滿.若硅膠槽中有一定量的禽蛋，結合傳送帶運行速度，對禽蛋位置進行測算，從而控制機械手跟蹤禽蛋，將禽蛋抓取后，按照設定線路進行擺放.
1.1 系統框架
禽蛋自動識別系統利用禽蛋運輸設備及震動矯正設備等構成，主要開展禽蛋運輸及收集、存放工作，震動矯正裝置能夠將傳送帶的禽蛋無序擺放變為有序擺放，禽蛋拾取裝置則是復雜裝盤.在禽蛋運輸裝置中，對托輥滾動成本進行分析，可選擇加硅膠條的運輸方式.禽蛋運輸裝置可利用硅膠槽傳送帶及光電編碼器等設備能力，組建自動化運輸系統.集蛋槽傳輸帶表面為硅膠材質，根據傳送表面可形成多個矩形槽，不同矩形槽底部為圓弧狀，在寬度方向自由弧狀結構中分割，長度防線利用直線結構進行分行，不同格子中集蛋槽深度為蛋寬的一半，槽寬方向設定一個開縫，防止傳送過程中硅膠出現拉斷問題.集蛋槽傳送帶套設定在編碼器驅動上，從而實現禽蛋的有效傳送，保持運行的均勻性.傳送帶壓緊裝置放置在集蛋槽中段，其中涉及多個滾輪，防止傳送出現震動問題.傳送帶壓緊設備劃分兩個區域，即為矯正區及撿蛋區，矯正區能夠將禽蛋填充至矩形穴格，撿蛋區則是將禽蛋拾取于托盤.
在震動矯正裝置中，涉及彈簧及脈沖電磁鐵、敲打部件等，震動矯正裝置安裝于集蛋槽傳送帶下方，并采取等距安放方式.敲打部件下方則是安裝彈簧及脈沖磁鐵，上部設定齒狀物，能夠將禽蛋輸送于底部，為防止禽蛋運輸過程出現破損，齒狀物選擇橡膠材質，脈沖電磁則是根據頻率展開工作，敲打部件敲打集蛋槽底部，使集蛋槽上的禽蛋隨機分布，矯正后進入集蛋槽.
禽蛋拾取執行裝置，需思考硅膠傳送帶是否均需要有蛋，體現為禽蛋在硅膠槽中位置存在一定問題，需要進行改善與調整，若利用機器視覺技術，需要增加工業相機及光源，從而使設備成本增加.在本次實踐過程中，利用低成本的光電設計方案，若槽內存在禽蛋，根據傳送帶速度，能夠對禽蛋位置進行跟蹤，系統控制機械手將禽蛋吸取，據設定的線路放蛋.禽蛋拾取執行裝置，利用并聯系統控制結構，并聯系統中利用三自由度并聯裝置，從而實現擺臂.拾取機械手由旋轉設備及提升設備、真空吸盤組成.真空吸盤的作用在于抽氣將禽蛋拾取.旋轉設備能夠控制水平位移，從而滿足撿蛋需求，提升設備在真空吸盤的作用下，將禽蛋送入托盤.
1.2 禽蛋拾取系統控制結構
禽蛋拾取控制結構中，由PC控制器及控制卡、閉環控制器、驅動器扥組成.PC控制器相當于該結構的靈魂，能夠準確計算機實施監控，控制卡則是與閉環控制器及驅動器結合，從而對主動臂運動進行控制，單片機控制舵機及繼電器行為.旋轉設備對機械手水平活動范圍進行控制，從而保障舵機能夠有效控制機械手完成旋轉動作，接近傳感器能感應禽蛋，繼電器控制二位三通閥變位，該設備連接氣泵及抽氣孔，從而有效將禽蛋吸取及安放.
1.3 系統運作流程
禽蛋自動拾取系統在工作中，養殖場每排禽類籠子中，網面設置集蛋帶，將禽蛋收集后拉出，將禽蛋沖洗后，使納入禽蛋能夠整合于傳送帶中，禽蛋運輸過程中設置矯正區及撿蛋區，將禽蛋震動裝置矯正，使禽蛋能夠進入傳送帶硅膠槽中，使禽蛋擺放變得有序.禽蛋進入撿蛋區后，接近傳感器會感應禽蛋序列，單片機將信號傳導與串口PC控制器，將信號接收后計算禽蛋位置.PC控制卡利用閉環控制器對驅動電機進行控制，移動主動臂，將機械手末端的禽蛋吸取，等待PC控制器發出信號，從而使舵機真空吸盤旋轉90°后，將禽蛋豎直放下，機械手將禽蛋轉移至托盤上時，繼控器停止行為，二位三通閥變位及氣泵與大氣導通后，禽蛋進入托盤中，從而實現整體的自動流程.
2 自動拾取系統相關參數
拾取機械手是禽蛋自動拾取系統的關鍵，能夠對工作效率及成功率產生影響.舵機輸出能力及吸盤壓力是保障機械手開展工作的重要指標，需要對相關參數進行探討，從而使拾取機械手及抽氣泵選擇具有參考依據. 2.1 舵機輸出力矩
3 拾取機械手的運動路徑
3.1 系統布局及坐標的關系
禽蛋拾取系統在布局過程中，外側接近開關原點，并建立三維坐標，傳送帶據y軸向中心c過渡，距離為55mm，蛋托選擇紙質蛋托，規格為5*6，相鄰的單孔距離為45mm，傳送帶傳送的持續速度為V0，據此建立機械手吸盤坐標（x0，y0，z0），蛋托左上角蛋孔指標為x1y1，從而能夠建立坐標（x1，y1，0）.傳送帶還需設定不同的行數，從而使禽蛋有序排列，計算開關感應禽蛋計算時間，能夠確定禽蛋下落的行數.
3.2 拾取系統機械手的活動路徑
本次系統為并聯系統，機械手能夠開展各自的活動，在一次完整的禽蛋拾取過程中，順序為A-B-C-B-A-D-E-A-D-A.實現一次完整的動作，活動過程中，需要在B及D兩處停頓，從而使路徑長度改變，保障末端的運行速度.本次實踐過程中，采取圓拱門路徑方式，禽蛋拾取過程中，采取A-B-C-A方式，從而使整個活動過程更加順利，保障拾取效率及成功率.
3.3 拾取機械手活動線路評估
機械手在拾取禽蛋過程中，需要首先對目標進行識別，從而選擇適當的坐標，調節運行線路，獲得抓取目標.在大量禽蛋通過時，自動拾取系統對禽蛋進行順序擺放，從而運動的總路程及花費的時間存在差異，對禽蛋拾取系統工作效率產生一定影響.與相關研究人員的機器人栽苗方式較為類似，傳送帶不同起始點，利用蛇形走位進行禽蛋拾取，能夠在左右抓取過程中，拾取一列列禽蛋，禽蛋拾取方法較為多樣，能夠獲取64枚禽蛋，禽蛋保持定量運動，坐標產生變化時，禽蛋放蛋方案確定存在一定困難，需利用試驗方式進行優化.
4 結束語
本次實踐設計一套禽蛋自動拾取系統，操作方式較為簡單，坐標定位能力強，能夠實現禽蛋自傳送帶至蛋托的裝盤流程，從而為自動化禽蛋生產提供一定的依據.在本次實踐過程中，優化機械手活動路徑，從而撿蛋成功率在98%以上，能夠滿足企業生產需求.在自動取蛋系統優化中，利用遠程傳送方式，對禽蛋急性有序擺放，本次實踐結果較為理想，但在未來的規劃中，還需不斷深化，涉及禽蛋保鮮問題，調整驅動機功率，保障機械手的工作效率.
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