寇舒，王永慧

基于并聯(lián)機器人的禽蛋包裝生產線的研究與試驗

寇舒1，王永慧2

（1.嘉興職業(yè)技術學院，浙江 嘉興 314036；2.杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

為了提高禽蛋包裝加工的效率和成本，設計了一臺基于并聯(lián)機器人的禽蛋拾放包裝生產線。根據禽蛋裝盤的實際需求，設計了一條禽蛋包裝加工生產線，主要由輸送部分、并聯(lián)機器人、傳感器、蛋托輸送部分等組成，對機器人的拾放路徑和拾放方案作了倫理分析和計算，并通過實驗比較得到了機器人拾放的最優(yōu)方案。對64種拾放方案均進行3次試驗，每次均完成一整托30枚雞蛋的取放，結果表明機器人的拾蛋成功率為99.3%，在保證成功率和精度的前提下，機器人完成一次拾放過程，最快速度為2.4 s。此禽蛋拾放包裝生產線的設計符合預期設計要求，為并聯(lián)機器人在禽蛋包裝上的應用提供了技術支持。

禽蛋；包裝加工；并聯(lián)機器人

禽蛋是人們生活的必需品，是重要的農產品。我國的禽類養(yǎng)殖場以中小規(guī)模居多，一般都是通過人工進行禽蛋上料、分揀和加工，少量采用半自動化的禽蛋包裝設備，這使得禽蛋包裝不僅效率低，而且存在污染和感染風險[1-3]。目前國外的禽蛋生產已經實現大規(guī)?；a，一般采用的是整套自動化生產設備及處理系統(tǒng)，將禽蛋集中到托輥上后，進行洗蛋、分級、包裝等一系列工作。荷蘭的MOBA、丹麥的SANOVO等大型禽蛋生產加工公司采用的生產系統(tǒng)，都具備了檢測、清洗、分級、包裝等一系列流程，由于該系統(tǒng)成本較高，并不適合中小型企業(yè)的需求。

目前國內禽蛋加工雖然引進了不少先進設備，由于受到生產規(guī)模和成本的限制，禽蛋生產加工的自動化水平仍然較低。目前中小型養(yǎng)雞場采用的生產過程大多是將托輥上的禽蛋人工轉移到傳送帶上，然后輸送到撿拾位置，進行人工裝托和包裝，這種生產過程需要耗費大量的人工，且效率低。雖然一些大型的養(yǎng)雞場配備了一些自動集蛋、沖洗設備，但是禽蛋的裝盤和包裝還是通過人工完成。

隨著高新科技的推廣，機器人在農業(yè)領域的應用越來越廣泛。并聯(lián)機器人具有承載能力強、精度高、靈活性好等優(yōu)點，適合用于禽蛋自動包裝生產線，不僅能夠提高效率，而且可以降低加工成本[4-5]。文中設計一臺基于并聯(lián)機器人的禽蛋拾放包裝生產線，對機器人的拾放路徑和拾放方案進行倫理分析和計算，最后通過試驗測試，得到機器人最優(yōu)拾放方案，為并聯(lián)機器人在禽蛋包裝上的應用提供技術支持。

1 禽蛋包裝生產線的基本結構

設計的禽蛋加工生產線主要由輸送部分、并聯(lián)機器人、傳感器等組成[6-7]，其基本結構見圖1。分級完成后被有序放置在傳送帶上的硅膠槽內，傳送帶在滾輪和鏈條的帶動下輸送禽蛋進入抓取位置，通過接近傳感器檢測，與并聯(lián)機器人配合完成禽蛋的撿拾和裝盤。

禽蛋的輸送部分主要由傳送帶、驅動滾輪、從動滾輪、伺服電機和壓緊滾輪組成。傳送帶由硅膠材料制成，表面有多個矩形槽，矩形槽寬略大于禽蛋的寬度，長度略大于禽蛋的長度；傳送帶安裝在驅動滾輪和從動滾輪上，驅動滾輪由伺服電機驅動，保證傳送帶穩(wěn)定勻速運動。壓緊滾輪安裝在傳送帶中間位置，由多個壓緊從動輪組成；壓緊滾輪安裝在支撐從動輪上方，壓緊傳送帶，防止撿蛋區(qū)的傳送帶受到震動矯正裝置的影響而發(fā)生震動。壓緊滾輪將禽蛋運輸裝置分為矯正區(qū)和撿蛋區(qū)。矯正區(qū)用于將傳送帶上的禽蛋填入矩形槽中；撿蛋區(qū)用于撿拾禽蛋并放置到蛋托盤中。

1.1 包裝箱輸送

裝有雞蛋托盤的包裝箱同樣通過輸送線輸送到指定位置。包裝箱運輸線由轉軸、齒輪、傳送帶、編碼器、光電傳感器、擋板等組成[8]，見圖2。包裝箱到達指定位置后，觸發(fā)對射傳感器，傳感器發(fā)送信號使氣缸動作，將包裝箱固定。機器人完成禽蛋裝托后，氣缸松開，包裝箱被傳送進入下一工位。

1.從動滾輪；2.帶槽傳送帶；3.支撐矯正結構；4.壓緊滾輪； 5.接近傳感器；6.支撐從動輪；7.禽蛋托盤； 8.驅動滾輪；9.并聯(lián)機器人。

1.旋轉編碼器；2.驅動電機；3.空包裝箱托盤；4.擋板； 5.氣缸；6.禽蛋放置位；7.帶禽蛋包裝箱；8.光電傳感器。

包裝箱輸送線主體是由伺服電機帶動轉軸旋轉，轉軸上安裝有齒輪，齒輪與傳送帶上的卡槽嚙合傳動，從而帶動整個傳送帶運動。旋轉編碼器安裝在轉軸上，通過旋轉編碼器反饋傳送帶的運動速度，從而計算包裝箱的瞬時位置。通過對射光電傳感器反饋包裝箱的運動，通過旋轉編碼器計算包裝箱的運動位置，從而觸發(fā)相應的氣缸動作，通過對應的擋板對包裝箱進行加緊固定，使包裝箱位置固定，配合并聯(lián)機器人完成禽蛋的拾取與放置工作。

1.2 撿拾機構設計

并聯(lián)機器人在抓取放置的過程中充當的是手臂的角色。抓取動作的具體實施靠的是末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器實現禽蛋輸送線的識別抓取與放置功能，相當于人手，因為抓取對象為易碎的禽蛋，所以不宜采用機械式的抓取機構，選用真空吸盤作為終端抓取機構[9-10]。食品加工行業(yè)常用的真空吸盤一般是由橡膠制成，考慮到橡膠吸盤與目標禽蛋接觸過程中也會存在一定的沖擊，為了減小此沖擊，減少破損率，選取波紋型真空吸盤，見圖3。在抓取過程中由于雞蛋高度不同，為了實現更大范圍的抓取且不對雞蛋造成破壞，在吸盤座上設計有彈簧裝置，可以使吸盤高度實現微調，既避免了過大的雞蛋被壓破，同時也保證過小的雞蛋被拾取。

并聯(lián)機器人在接收到目標信息后，按照既定軌跡運動到禽蛋輸送線的目標禽蛋位置上方，拾取目標，然后運動到包裝輸送線上的蛋托位置，按照放置方案在蛋托中實現逐行或者逐列的排布。由于機器人在運輸過程中在輸送線與蛋托之間會有姿態(tài)變化，所以末端執(zhí)行器需要具有翻轉功能。

末端執(zhí)行器由底板、舵機、底座、吸盤等組成，底板通過螺栓與并聯(lián)機器人連接，舵機固定在底板上，吸盤固定在底座上，舵機與底座通過軸連接，通過單片機控制舵機轉動，實現末端執(zhí)行器拾取禽蛋的位姿變化。

圖3 抓取吸盤的結構

2 機器人路徑規(guī)劃

圖4 生產線的布局示意

并聯(lián)機器人的拾取放置軌跡采用經典的“門字型”路徑[11-13]。機器人從原點出發(fā)，向拾取點運動，到達拾取點正上方后，豎直下降到拾取高度，然后氣路工作，真空吸盤吸住目標物，完成拾取動作，之后機器人上升到初始高度，前進到放置點正上方，豎直下降到放置高度，真空吸盤放氣，目標物落下，完成放置動作，最后機器人豎直上升到初始高度，并運動到初始位置，此時一個周期的拾放動作完成。其路徑軌跡見圖5，機器人完成一次拾放動作的路徑為————————。

圖5 機器人拾放路徑軌跡

3 機器人取放方案實驗

禽蛋智能包裝系統(tǒng)應通過機器識別系統(tǒng)來識別目標，通過機器人完成撿拾與放置動作，并需要規(guī)劃好高拾取率和低破損率的路徑。在整個過程中，末端執(zhí)行器的拾取位置是隨時變化的，且為了拾取效率最高，在機器人運行速度一定時，路徑要最短。

在機器人工作時，雖然禽蛋包裝的蛋托位置固定不動，但是機器人卻可以從蛋托的4個不同的角開始按順序放置禽蛋，可以同向一次放置，也可以走蛇形路線，所以機器人在蛋托上的放蛋方案有16種，見圖6。

圖6 放蛋方案示意

為了防止機器人錯過禽蛋，讓機器人優(yōu)先拾取傳送帶上最前列的禽蛋，所以機器人在傳送帶上的取蛋順序有4種，見圖7。

圖7 取蛋方案示意

將取蛋和放蛋方案組合后，共有64種方案，需要從中選取最優(yōu)方案。由于在作業(yè)過程中，禽蛋和機器人都處于運動狀態(tài)，所以通過計算獲得最優(yōu)方案較復雜且容易出錯，文中采用樣機試驗的方式獲得，實驗樣機見圖8。

圖8 實驗樣機

通過對30枚禽蛋（一整托盤）的拾取放置實驗，對64種方案均進行3次完整的拾取放置，記錄所用時間，取平均值，獲得哪種方式效率最高，通過拾取成功率來測試機器人末端吸盤。

抓取雞蛋總數為30枚，禽蛋輸送線電機速度為1 500 r/min，機器人運動速度為1 200 mm/s，試驗后測得每種方案的平均用時見表1。由表1可知，放蛋采取方案7時，當取蛋采取方案3，平均用時最短。

表1 拾放蛋實驗結果

經過實驗測得，機器人的拾蛋成功率為99.3%，在保證成功率和精度的前提下，機器人完成一次拾放過程，最快速度為2.4 s，符合預期要求。

4 結語

根據禽蛋裝盤的實際需求，設計了一條禽蛋包裝加工生產線，主要由輸送部分、并聯(lián)機器人、傳感器、蛋托輸送部分等組成，對機器人的拾放路徑和拾放方案作了倫理分析和計算，對64種拾放方案均進行3次試驗，每次均完成一整托30枚雞蛋的取放，得到當取蛋采取方案3，放蛋采取方案7時，平均用時最短，測得機器人的拾蛋成功率為99.3%。在保證成功率和精度的前提下，機器人完成一次拾放過程，最快速度為2.4 s，達到預期設計要求，為并聯(lián)機器人在禽蛋包裝上的應用提供了參考。

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Research and Experiment of Egg Packaging Production Line Based on Parallel Robot

Kou Shu1,Wang Yong-hui2

(1. Jiaxing Vocational and Technical College, Jiaxing 314036, China; 2. Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The work aims to design a parallel robot based egg picking and placing packaging production line to improve the efficiency and cost of egg packaging processing. According to the actual demand of egg packaging, an egg packaging and processing production line was designed, which consisted of conveying part, parallel robot, sensor, egg carb conveying part, etc. The ethical analysis and calculation were made on the picking and placing path and scheme of the robot, and the optimal picking and placing scheme of the robot was obtained through experimental comparison. Three tests were carried out for each of the 64 picking and placing schemes, and the picking and placing of 30 eggs in a whole group was completed each time. The success rate of the picking and placing robot was 99.3%. Under the premise of ensuring the success rate and accuracy, the fastest speed of the robot for one round of picking and placing was 2.4 seconds. The design of the egg picking and placing packaging production line is in line with the expected design requirements, which provides technical support for the application of the parallel robot in egg packaging.

eggs; packaging processing; parallel robot

TP246

A

1001-3563(2023)01-0169-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.01.019

2022?11?20

寇舒（1984—），女，碩士，副教授，主要研究方向為工業(yè)機器人應用技術。

責任編輯：曾鈺嬋