興寧市技工學(xué)校機(jī)械系　黃　健

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使用反步法控制實(shí)時(shí)稱重機(jī)械臂對(duì)水產(chǎn)品分揀加工的改進(jìn)

興寧市技工學(xué)校機(jī)械系黃健

目前在國(guó)內(nèi)規(guī)則物體分揀技術(shù)比較成熟，并且也得到了廣泛應(yīng)用。但是對(duì)非規(guī)則物品的加工分揀技術(shù)還是比較落戶。傳統(tǒng)的水產(chǎn)品分揀方法整個(gè)分揀過程操作復(fù)雜、花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)分揀的效率與準(zhǔn)確度比較低。本文給出的反步法控制實(shí)時(shí)稱重機(jī)械臂分揀系統(tǒng)與視覺識(shí)別相結(jié)合，集成稱重、自動(dòng)規(guī)劃路線、分揀于一體，與傳統(tǒng)分揀相比，具有稱重簡(jiǎn)單，生產(chǎn)節(jié)拍短，成本低，節(jié)約成本，生產(chǎn)效率提高等特點(diǎn)。

機(jī)械臂；分揀系統(tǒng)；反步控制

1.引言

近年來，大型水產(chǎn)品物流中心急需先進(jìn)適用的自動(dòng)分揀設(shè)備。國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制出了A字型自動(dòng)分揀機(jī)，它由傳送帶和置于傳送帶上方的A字形貨架組成。該設(shè)備解決了分揀作業(yè)的自動(dòng)化，節(jié)省了人工，減少了差錯(cuò)，但由于傳送帶的線速度不宜過高，限制了設(shè)備的分揀效率，此外，還有托盤式分揀自動(dòng)分揀系統(tǒng)線，它根據(jù)郵政包裹分揀設(shè)備原理設(shè)計(jì)，存在上貨低和人工需求量大等問題；還有參考引進(jìn)設(shè)備開發(fā)的通道式自動(dòng)分揀設(shè)備，速度快，由于產(chǎn)能低，不滿足當(dāng)前需要。

圖1　.1 機(jī)械臂系統(tǒng)整體架構(gòu)和流程

本文研究機(jī)械臂在水產(chǎn)品分揀加工過程中的應(yīng)用，結(jié)合圖像視覺和實(shí)時(shí)稱重。主要內(nèi)容分為：機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型分析設(shè)計(jì)，圖像處理設(shè)計(jì)，稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

2.水產(chǎn)品分揀系統(tǒng)構(gòu)成

分揀系統(tǒng)硬件部分由機(jī)械臂、視覺分析模塊、稱重器等組成。攝像頭拍攝圖像到中控臺(tái)后臺(tái)進(jìn)行解析，此外，重量計(jì)算由機(jī)械臂手抓上的壓力傳感器采集并由中控后臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，所得的結(jié)果分別用于機(jī)械臂軌跡確定、重量計(jì)算、產(chǎn)品分類。

如圖1.1所示，機(jī)械臂主體高150cm，長(zhǎng)375cm，寬307cm。機(jī)械臂由轉(zhuǎn)動(dòng)圓板、上臂、前臂和手組成，各關(guān)節(jié)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械臂手末端安裝壓感設(shè)備，用于測(cè)定重量數(shù)據(jù)。

3.機(jī)械臂動(dòng)力模型設(shè)計(jì)

三連桿機(jī)械臂剛體動(dòng)力學(xué)建模方法主要有羅伯森·維騰波哥方法、牛頓-歐拉方法、拉格朗日法、凱恩方法以及休斯頓法。上述建模方法方程建立過程繁瑣，未知變量太多，求解計(jì)算工作量大，容易出錯(cuò)。多體運(yùn)動(dòng)分析的等效有限元法具有建模過程簡(jiǎn)單、高效，容易編程求解。

在機(jī)械臂三連桿關(guān)節(jié)作用三級(jí)行星減速器連接，這不僅擴(kuò)大電機(jī)的扭矩，增大了手臂的活動(dòng)范圍。單機(jī)械臂共4個(gè)自由度，在肩部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)和一個(gè)收張，在肘部有一個(gè)收張，在腕部有一個(gè)收張，三個(gè)電動(dòng)機(jī)支持伸展力，另一個(gè)電機(jī)支持肩部的旋轉(zhuǎn)力。機(jī)械硬件的參數(shù)，如表1所示。

表1　機(jī)械臂參數(shù)變量

電機(jī)的參數(shù)，如表2所示。

表2　電動(dòng)機(jī)硬件參數(shù)

4.機(jī)械臂組合稱重

國(guó)內(nèi)外組合稱重技術(shù)，工作時(shí)要完成70件/min，意味著在很短的時(shí)間內(nèi)完成重量檢測(cè)、組合計(jì)算。在整個(gè)過程中組合計(jì)算占用時(shí)間較長(zhǎng)，一方面要滿足精度要求，另一方面要滿足包裝速度。目前主要的稱重方法有：定量動(dòng)態(tài)稱重、起吊貨物動(dòng)態(tài)稱重、黏性食品動(dòng)態(tài)稱重。

結(jié)合機(jī)械臂和水產(chǎn)品的特性，本文提出了一套針對(duì)水產(chǎn)品的機(jī)械臂動(dòng)態(tài)組合稱重方式，如圖4.1所示。

圖4　.1 組合稱重流程

圖4　.2 稱重模塊硬件架構(gòu)

水產(chǎn)品加工完成后，經(jīng)傳動(dòng)帶輸送到稱重區(qū)，假設(shè)每次都隨機(jī)抽取15個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，單個(gè)樣品重量分別按照產(chǎn)品類別不同來定義重量區(qū)間，假設(shè)產(chǎn)品一（螃蟹）單重100～500之間，產(chǎn)品二（鮑魚）單重在200～600之間，產(chǎn)品三（鱈魚）單重在500～1500之間，我們可以根據(jù)重量大致分一下類，然而，這是作為一種分揀的依據(jù)。不僅可以實(shí)時(shí)稱重，而且可以結(jié)合圖像處理結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精確分類。

本文選取的西門子PLC組合秤作為控制系統(tǒng)。

電腦組合秤工作過程主要包括重量檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)輸入、計(jì)算、輸出、物料檢測(cè)、電機(jī)控制等（如圖4.2所示）。

人機(jī)界面：可以實(shí)現(xiàn)一些系統(tǒng)參數(shù)的修改，查看稱重記錄，以及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

稱重傳感器：采集被測(cè)對(duì)象的重量數(shù)據(jù)。

CPU：組合稱重的核心部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和分析。

檢測(cè)信號(hào)：負(fù)責(zé)檢測(cè)樣品是否符合要求。

原點(diǎn)信號(hào)：檢測(cè)電機(jī)是否達(dá)到既定工作狀態(tài)。

表3　機(jī)械臂執(zhí)行位置結(jié)果表

5.實(shí)驗(yàn)

文中提出了一種可實(shí)時(shí)稱重機(jī)械臂水產(chǎn)品分揀加工系統(tǒng)，為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的實(shí)用性、先進(jìn)性，將系統(tǒng)至于水產(chǎn)品加工中心平臺(tái)，進(jìn)行了測(cè)試。

5.1 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)械臂自主抓取，通過分析目標(biāo)實(shí)際坐標(biāo)位置與手抓到導(dǎo)致之間的誤差值，水產(chǎn)品實(shí)際重量和機(jī)械臂測(cè)量重量之間的誤差值，以及機(jī)械臂分類結(jié)果和實(shí)際分類結(jié)果的誤差，驗(yàn)證基于重量檢測(cè)和圖像識(shí)別的機(jī)械臂分揀加工系統(tǒng)的優(yōu)越性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。表中三個(gè)坐標(biāo)值的參考坐標(biāo)系均為機(jī)械臂的底座中心坐標(biāo)系，單位為毫米（mm），誤差值為機(jī)器運(yùn)行值與實(shí)際值之間的差值。表4所示為樣品實(shí)際重量和測(cè)量重量之間的差值。表5所示為樣品通過系統(tǒng)的分類結(jié)果和實(shí)際分類的誤差。

表4　稱重結(jié)果表

表5　分揀結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)得出，機(jī)器人計(jì)算得到的位置與目標(biāo)物體實(shí)際位置之間的平均誤差為（1.12，0.88，0.90），該誤差在允許范圍內(nèi)，機(jī)械臂可以準(zhǔn)確抓取到樣本。并且，根據(jù)重量檢測(cè)系統(tǒng)得到的重量與樣品的實(shí)際重量之間的平均誤差為2.35g，該范圍也在誤差允許范圍內(nèi)。此外，結(jié)合了圖像視覺和實(shí)時(shí)稱重系統(tǒng)的機(jī)械臂在分揀準(zhǔn)確性上也達(dá)到了92%以上。因此，文中所提出的機(jī)械臂實(shí)時(shí)稱重分揀加工系統(tǒng)是可行的。

［1］梁小波，蔡勇，蔣剛.三維串并聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2013，05:70-74+85.

［2］晁衍凱，徐昱琳，周勇飛，呂曉夢(mèng)，王明.基于雙目視覺的機(jī)器人目標(biāo)定位與機(jī)械臂控制［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，07:6-9.

［3］徐昱琳，楊永煥，李昕，陳萬米，晁衍凱.基于雙目視覺的服務(wù)機(jī)器人仿人機(jī)械臂控制［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，05:506-512.

［4］謝偉東，王磊，佘翊妮，游紅武.條煙自動(dòng)分揀的異步法及其裝置［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2007，02:112-116.

［5］劉坦.實(shí)時(shí)在線分揀和稱重系統(tǒng)研究［D］.上海海洋大學(xué)，2013.

［6］熊根良.具有柔性關(guān)節(jié)的輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［7］郭偉斌，陳勇，侯學(xué)貴，胡娜.除草機(jī)器人機(jī)械臂的逆向求解與控制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，04:108-112.

［8］張翠.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法及應(yīng)用研究［D］.蘭州交通大學(xué)，2014.

［9］李樹榮，馬慧超.基于反步法的機(jī)械臂魯棒自適應(yīng)位置/力控制［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，01:172-176.

［10］彭圣明，裴海龍，王清陽(yáng).基于機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究與應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，07:136-138.

［11］戴學(xué)豐，孫立寧，劉品寬，蔡鶴皋.柔性臂機(jī)器人控制算法綜述［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2002，02:158-161.

［12］梁小波，蔣剛.三連桿機(jī)械臂三維空間運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，12:67-69+72.

［13］張羽，李雁斌.一種新穎電機(jī)控制方法及其在機(jī)械臂控制中的應(yīng)用［J］.微電機(jī)，2008，09:54-57+77.

At present the rule object sorting technology is mature and is widely used in the domestic.But the process and items technology for irregular items is settled.The sorting process the traditional method of sorting of aquatic products operation is complicated and time is long.At the same time sorting efficiency and the accuracy is lower.In this paper，we use backstepping method control the sorting system of the real-time weighing mechanical arm.we give the mechanical arm，integrated weighing，automatic planning route，sorting into an organic whole，compared with the traditional sorting，weighing with simple，short production rhythm，low cost，cost savings，improve production efficiency，etc.

Mechanical arm；Sorting system；Backstepping control

黃健（1968—），男，興寧市技工學(xué)校機(jī)械系機(jī)械講師，機(jī)械高級(jí)技師，主要從事機(jī)械控制研究和教學(xué)工作。