陳立辛, 張春燕, 喬印虎

(安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

蘋果富含多種維生素，深受人們喜愛。同時，蘋果種植的經(jīng)濟(jì)效益也很高，對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的作用。近年來，水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合是大勢所趨[1-2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在蘋果的整個產(chǎn)業(yè)鏈中，多采用自動化設(shè)備、機(jī)器人及其他非標(biāo)智能設(shè)備來協(xié)助完成不同環(huán)節(jié)的工作?，F(xiàn)階段，從果農(nóng)采摘蘋果到智能視覺分級檢測環(huán)節(jié)基本已實(shí)現(xiàn)半自動化，但收集、裝箱這些環(huán)節(jié)還依靠人工完成，其中裝箱是最耗時、費(fèi)力的環(huán)節(jié)，不僅效率低，而且人工成本很高，難以適應(yīng)智能化市場的發(fā)展[3]。在國外，品種單一且包裝形式固定的產(chǎn)品一般都通過箱裝、捆扎或塑封等方式進(jìn)行定位包裝，其中盒裝與箱裝系列產(chǎn)品占整個包裝行業(yè)的半壁江山。但是，不同直徑蘋果的自動裝箱仍屬于薄弱環(huán)節(jié)，特別是分流后進(jìn)入人工擺盤的裝箱環(huán)節(jié)，由于產(chǎn)品在外形、規(guī)格上的制約，實(shí)現(xiàn)自動裝盤、后續(xù)批量打包裝箱有很大難度，并沒有實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)智能裝箱[4]。國內(nèi)市場已采用高速度、輕負(fù)載的Delta并聯(lián)機(jī)器人搭配機(jī)器視覺檢測完成蘋果在線分級裝箱，但是由于蘋果的直徑與質(zhì)量等因素的限制，仍然不能做到根據(jù)蘋果直徑進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，而且每次僅能抓取1個蘋果[5-6]。

本研究采用大行程、重負(fù)載的桁架機(jī)器人作為執(zhí)行主體，搭載U型槽可變距的末端執(zhí)行負(fù)壓吸取裝置[7-8]，單次可抓取4～5個蘋果。倒吸式自動輸送裝置采用變距分散方式與回收等距方式將蘋果放置于內(nèi)層隔板上，比傳統(tǒng)裝箱設(shè)備的適應(yīng)性更好。使用蘋果自動裝箱機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對放置于圓形托盤上已單列化的蘋果進(jìn)行自動拾取和按固定模式進(jìn)行自動裝箱[9]，承載相同級別蘋果的托盤由分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)均等分進(jìn)入兩通道托盤滾筒輸送線，連續(xù)輸送的蘋果托盤在兩通道托盤滾筒輸送機(jī)的輸送下進(jìn)入裝箱區(qū)，裝箱區(qū)有檢測有無蘋果的傳感器和阻擋機(jī)構(gòu)，限位機(jī)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際需求阻擋或放行計(jì)數(shù)后裝有蘋果的托盤。

運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于PAC控制器的EtherCAT總線通信方式，結(jié)合蘋果自動抓取裝盤操作方式進(jìn)行路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)，以點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動為關(guān)鍵點(diǎn)控制路徑規(guī)劃[10]，編寫蘋果裝盤應(yīng)用控制程序。裝箱有單次抓取1組5個蘋果與分次碼放多層2種方式，整個自動裝箱系統(tǒng)的運(yùn)行方式采用“雙道多盤匯聚收集→機(jī)器人抓取→單次多盤輸送”形式，按照步進(jìn)方式控制輸送線的啟停。本研究機(jī)器人的末端執(zhí)行器可自適應(yīng)調(diào)節(jié)蘋果間距，實(shí)現(xiàn)智能化蘋果抓取后放隔板柔性操作。裝箱機(jī)器人滿足了多規(guī)格蘋果生產(chǎn)包裝需求[11-12]，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，在裝箱效率方面達(dá)到了預(yù)期效果，對蘋果自動包裝產(chǎn)業(yè)甚至整個水果行業(yè)的智能自動化轉(zhuǎn)型具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1 裝箱機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過研究蘋果分類抓取自動化裝箱功能，本研究將設(shè)計(jì)一款成本低、整體結(jié)構(gòu)簡單的新型2軸桁架式裝箱機(jī)器人。該裝箱機(jī)器人由X軸與Z軸構(gòu)成，可沿著X軸與Z軸方向直線運(yùn)動，機(jī)器人末端執(zhí)行器沿Z軸旋轉(zhuǎn)擺動。其中，X軸為導(dǎo)軌安裝梁，采用方管作為安裝基準(zhǔn)固定端，X軸導(dǎo)軌安裝梁是不可移動的?？紤]到抓取與裝箱過程中整個機(jī)架處于靜止?fàn)顟B(tài)，選用寬幅為170 mm的截面，壁厚由4 mm增加到6 mm以提高剛性。Z軸在生產(chǎn)運(yùn)行時處于往復(fù)運(yùn)動狀態(tài)，除了具有良好的剛性，還應(yīng)考慮質(zhì)量。兩軸在設(shè)計(jì)上選用的電缸滑臺做到輕量化，一方面為了更快加減速，另一方面對整個設(shè)備系統(tǒng)不會造成太大的沖擊。另外，在X軸的一段增加了手動調(diào)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)裝置，以保障適應(yīng)調(diào)節(jié)。

本研究機(jī)器人主要由本體、電缸滑臺、十字模組、基座、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，結(jié)合操作空間及機(jī)器人的工作任務(wù)，最大負(fù)載約1.5 kg，抓取蘋果并放入空紙箱?？紤]到整個操作空間的需求，確定X軸的運(yùn)動需求，即輸送蘋果的滾筒式輸送線和輸送紙箱的帶式輸送線必須保持一定的相對位置。本研究機(jī)器人選用的電缸滑臺X軸型號為GTH-17，X軸的有效行程為1 515 mm，最大行程為1 840 mm，蘋果從紙箱上方放入紙箱；Z軸型號為GTH-12，紙箱滾筒輸送線上方為機(jī)器人Z軸豎直方向運(yùn)動行程，Z軸最大行程為1 289 mm，有效行程為1 015 mm，負(fù)載可達(dá)30 kg；電缸滑臺的精度可達(dá)±0.05 mm，定位精度可達(dá)±0.02 mm。為保證精度要求和對末端執(zhí)行器位置的實(shí)時反饋，本研究機(jī)器人選用中達(dá)電通ECMA系列伺服電機(jī)，該系列電機(jī)配套絕對型編碼器，可有效抑制機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振，提升定位精度與低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定度，確保機(jī)器人運(yùn)動軌跡平順。伺服電機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

表1 伺服電機(jī)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of servo motor

2 機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

為了使裝箱機(jī)器人具有良好的通用性與靈活性，機(jī)器人末端執(zhí)行器需要在抓取過程中根據(jù)不同直徑的蘋果進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，且不能損傷蘋果。本研究設(shè)計(jì)了一種U型槽式可變距結(jié)構(gòu)的柔性末端抓取裝置，調(diào)節(jié)橫向移動線軌可一次兼顧直徑為50～80 mm的蘋果。機(jī)器人末端滿足回轉(zhuǎn)運(yùn)動的工作要求，采用回轉(zhuǎn)氣缸作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)器人2個軸關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動通過電缸滑臺來實(shí)現(xiàn)，電缸滑臺的橫向移動即機(jī)器人的各種運(yùn)動均由相應(yīng)的氣缸來實(shí)現(xiàn)。由于蘋果果柄位置內(nèi)凹面的表面平整，考慮到吸盤在吸取過程中需要大行程的壓縮量，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，選用德國施邁茨公司生產(chǎn)的多級風(fēng)琴式吸盤，其內(nèi)部支撐端配有輔助吸盤擋圈，可以有效減少吸取蘋果時的提取入箱搖晃現(xiàn)象。根據(jù)蘋果外形及相關(guān)尺寸與收集完成的收納入盤方式，確定最終的同步開閉由進(jìn)、出氣氣路管道統(tǒng)一部署并通過電磁閥協(xié)調(diào)控制。該機(jī)器人的負(fù)壓吸取式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 負(fù)壓吸取式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of negative pressure suction end-effector

3 蘋果自動裝箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 蘋果輸送抓取系統(tǒng)

入盤分道輸送線將待裝箱的蘋果送到機(jī)器人的抓取范圍，此時機(jī)器人處于待抓取輸送線正上方，以確保機(jī)器人在蘋果抓取過程中用時最短，具體如圖2所示。蘋果輸送流程如圖3所示。分道裝置的功能是完成已連續(xù)輸送入盤蘋果的收集，在雙道輸送過程中，控制節(jié)拍按照先后順序進(jìn)入待抓取1道，然后由分道阻擋機(jī)構(gòu)完成調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)單次1組5個蘋果進(jìn)入等待收集區(qū)。收集區(qū)由2個分道組成，見圖4的黑色橢圓形區(qū)域。當(dāng)各分道聚集預(yù)先設(shè)定數(shù)量的蘋果后，程序?qū)?zhí)行一次抓取，此時通過對射型傳感器發(fā)送已寫入的抓取信號至PAC控制器內(nèi)部，進(jìn)行指令執(zhí)行操作，完成單層蘋果裝箱動作。

圖2 蘋果自動抓取裝箱設(shè)備總體方案Fig.2 Apple′s overall scheme for automatic capture boxing devices

圖3 蘋果輸送流程Fig.3 Flow chart of apple delivery

圖4 蘋果分道與收集示意圖Fig.4 Schematic diagram of apple lane division and collection

在蘋果抓取位置的前端和后端分別加裝阻擋機(jī)構(gòu)和5個定位裝置，再加裝5個傳感器來檢測蘋果位置，如圖4所示。具體流程如下：首次啟動時第1位置傳感器(24 V開關(guān)量信號控制)檢測到信號前端阻擋裝置進(jìn)行阻擋，后端阻擋裝置根據(jù)蘋果來料的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)數(shù)抓取，如果本次動作是抓取5個蘋果，即第5個傳感器檢測到5個蘋果后，后端阻擋裝置開始設(shè)置計(jì)數(shù)阻擋模式，從而實(shí)現(xiàn)5個傳感器都檢測到信號后進(jìn)行定位抓取。如果本次是抓取3個蘋果，最后1個傳感器檢測到3個蘋果后，后端阻擋裝置將進(jìn)行阻擋，即可實(shí)現(xiàn)間隔式位置抓取。第1個傳感器檢測到物料即定位，第3個傳感器檢測物料計(jì)數(shù)2次后開始定位，按照第1～5傳感器計(jì)數(shù)方式循環(huán)定位，定位完成后停止輸送帶并給出抓取信號。抓取完成后定位裝置松開，前端阻擋與后端阻擋打開，等待下一組蘋果。

3.2 控制系統(tǒng)

蘋果裝箱機(jī)器人系統(tǒng)的硬件控制器部分對控制系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)選用的PAC控制器基于PC-based工業(yè)控制系統(tǒng)，具備PC工業(yè)控制器的開放性與模塊式構(gòu)架，包含運(yùn)動控制及過程控制的處理單位；采用EtherCAT總線控制進(jìn)行通信設(shè)置，可進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的位置控制，控制模式有速度、扭力與位置控制；可以進(jìn)行各種單軸或多軸運(yùn)動控制，滿足蘋果自動裝箱生產(chǎn)需求；可根據(jù)蘋果自動化裝箱要求完成蘋果入盤分道、盤數(shù)收集計(jì)數(shù)、機(jī)器人抓取及放置入箱等工序?；赑AC控制的蘋果裝箱系統(tǒng)被分成兩部分，即運(yùn)動控制和邏輯控制，其中運(yùn)動控制主要是通過控制伺服電機(jī)來驅(qū)動電缸滑臺與末端執(zhí)行器，往復(fù)執(zhí)行抓取蘋果、放置隔板及返回初始等待點(diǎn)等操作。

系統(tǒng)按照預(yù)先編寫的程序執(zhí)行以下任務(wù)：(1)機(jī)器人末端執(zhí)行器下降，下降過程中末端吸盤通過U型槽進(jìn)行蘋果間距的適應(yīng)性調(diào)整，多級風(fēng)琴式吸盤開始吸取經(jīng)傳感器計(jì)數(shù)、氣缸阻擋的1組5個蘋果；(2)機(jī)器人完成抓取蘋果動作；(3)機(jī)器人末端執(zhí)行器上升，旋轉(zhuǎn)調(diào)整至預(yù)放角度，并移動到對應(yīng)的分裝輸送帶上方；(4)機(jī)器人末端執(zhí)行器下降(由滑臺升降氣缸實(shí)現(xiàn))；(5)末端執(zhí)行器松放蘋果(該過程由末端夾緊氣缸完成)；(6)末端執(zhí)行器上升并旋轉(zhuǎn)，末端吸盤裝置吸取隔板放置于一層蘋果上面，完成一層蘋果的裝箱放隔板操作(由滑臺升降氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸共同完成)，機(jī)器人還原至初始待抓取位置。

設(shè)備系統(tǒng)邏輯控制主要由PAC控制器通過EtherCAT總線通信方式，發(fā)送蘋果分級信息交互模塊所反饋的待抓取信號給裝箱機(jī)器人，裝箱機(jī)器人接收信息后，通過預(yù)先設(shè)置的程序指令，進(jìn)行末端執(zhí)行器I/O控制，以此實(shí)現(xiàn)對電磁閥控制氣缸與末端執(zhí)行器程序命令的執(zhí)行，聯(lián)動執(zhí)行抓取工位阻擋氣缸的伸出和收縮程序，裝箱機(jī)器人接收紙箱下壓信號后執(zhí)行末端吸盤松開命令，機(jī)器人末端執(zhí)行器吸取側(cè)邊隔板放置箱內(nèi)，完成整個動作過程。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)整體邏輯架構(gòu)Fig.5 Overall logic architecture of the control system

4 實(shí)驗(yàn)分析

本機(jī)器人動態(tài)特性主要受抓取運(yùn)動速度與負(fù)載的影響，其中裝箱機(jī)器人抓取與放置穩(wěn)定性主要由X軸與Z軸機(jī)體轉(zhuǎn)角決定，故將裝箱機(jī)器人轉(zhuǎn)角作為主要動態(tài)性能評價指標(biāo)，并在給定負(fù)載下通過差動補(bǔ)償來分析機(jī)器人的穩(wěn)定性。通過MATLAB進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線，測得相同速度下影響裝箱機(jī)器人穩(wěn)定性的相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

表2 相同速度下裝箱機(jī)器人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of packing robot at the same speed

由表2可知，當(dāng)機(jī)器人放置點(diǎn)波動值達(dá)到最小時，其差動補(bǔ)償角度也隨之變小，從而可通過控制其放置點(diǎn)的最佳位置來提高裝箱機(jī)器人的運(yùn)動穩(wěn)定性。兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角如圖6所示。

圖6 裝箱機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Fig.6 Joint angle of boxing robot

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該裝箱機(jī)器人、末端執(zhí)行器及配套設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性，通過樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證，具體的抓取裝箱過程及成功率分析如圖7與表3所示。

表3 蘋果抓取裝箱成功率分析Tab.3 Analysis of success rate of apple grab packing

圖7 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在變距U型槽下的抓取裝箱過程Fig.7 Grasping and packing process of the test prototype under the U-shaped slot with variable spacing

測試結(jié)果表明，當(dāng)蘋果直徑為50～55 mm、65～71 mm、72～80 mm時，抓取成功率可穩(wěn)定在98.50%，由此可以看出，成功率除了與蘋果直徑有關(guān)，還與蘋果的裝箱間距有關(guān)。

5 結(jié)語

為提高蘋果抓取的靈活性，采用變距可調(diào)的U型槽，通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。在滿足抓取節(jié)拍3.5 s的情況下，采用MATLAB對裝箱機(jī)器人兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，其轉(zhuǎn)角曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)柔順的軌跡，且測得蘋果抓取實(shí)驗(yàn)的成功率達(dá)到98.50%，證明所構(gòu)建的基于PAC控制的蘋果裝箱機(jī)器人針對不同直徑的蘋果能實(shí)時、穩(wěn)定且可靠地完成蘋果抓取裝箱任務(wù)。