田淮銳

田建艷

王素鋼

王曉波

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西 太原 030024)

酒醅出缸是清香型白酒地缸發(fā)酵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),大多企業(yè)采用人工作業(yè),勞動(dòng)強(qiáng)度大,自動(dòng)化程度低,容易散發(fā)酒氣。目前白酒生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)已有較多自動(dòng)化方法與設(shè)備[1-2],但已有的酒醅出缸裝置[3-5],或由于作業(yè)方式易損壞地缸;或需事先埋于缸內(nèi),影響發(fā)酵;或不適用于傳統(tǒng)車(chē)間改造;各自存在局限性。地缸中酒醅分布不確定,地缸開(kāi)口小、強(qiáng)度低等因素制約著酒醅出缸自動(dòng)化。課題組[6]自主研發(fā)了一款專(zhuān)用的酒醅取料復(fù)合機(jī)器人,在保留地缸發(fā)酵傳統(tǒng)工藝前提下,機(jī)器代人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)酒醅出缸,為此,亟需設(shè)計(jì)一種適用于該機(jī)器人的自動(dòng)酒醅出缸策略,其合理性直接影響機(jī)器人應(yīng)用可行性。

目前,很多學(xué)者對(duì)自動(dòng)取料進(jìn)行了研究。Clarke等[7]根據(jù)挖斗挖取顆粒材料時(shí)拾音器收集的碰撞音頻估計(jì)取料量。Takahashi等[8]基于CNN預(yù)測(cè)RGB-D圖中各區(qū)域抓取量及其不確定性,選擇最優(yōu)取料點(diǎn)。Schenck等[9]在托盤(pán)內(nèi)顆粒物初始狀態(tài)已知情況下,根據(jù)機(jī)械臂鏟斗鏟取傾倒動(dòng)作參數(shù),基于CNN預(yù)測(cè)顆粒物狀態(tài)。曹小華等[10]采用三維感知技術(shù)重建貨船料堆,選擇最大抓取量取料點(diǎn)進(jìn)行取料作業(yè)。趙建平等[11]設(shè)計(jì)的智能調(diào)料機(jī),內(nèi)置各菜品調(diào)料量,實(shí)現(xiàn)了烹飪時(shí)調(diào)料自動(dòng)精確出料。蔡威[12]獲取垃圾堆表面高度后,根據(jù)不同投料口選擇取料區(qū)域,并以該區(qū)域內(nèi)垃圾堆最高點(diǎn)進(jìn)行抓取作業(yè)。鐘星等[13]使用三次多項(xiàng)式和積分法,在起始點(diǎn)和挖取深度已知條件下,實(shí)現(xiàn)了不同挖取量的挖取作業(yè)軌跡規(guī)劃。陸成浩[14]對(duì)船艙散貨物料三維重建,采用分層原則逐層取料,且每層以效率最高點(diǎn)進(jìn)行抓取作業(yè)。酒醅取料復(fù)合機(jī)器人對(duì)缸壁區(qū)域取料時(shí),要確保不會(huì)損壞地缸,并以相對(duì)最大挖取量進(jìn)行取料作業(yè)。

試驗(yàn)擬對(duì)酒醅取料復(fù)合機(jī)器人自動(dòng)酒醅出缸策略進(jìn)行研究,首先提出一種基于安全作業(yè)距離的取料點(diǎn)規(guī)劃方法,根據(jù)地缸內(nèi)酒醅表面點(diǎn)云構(gòu)建取料平面,設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)取料點(diǎn);然后評(píng)估各預(yù)設(shè)取料點(diǎn)挖取量,選定最優(yōu)取料點(diǎn),引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)化、智能化取料。

1 酒醅取料復(fù)合機(jī)器人

酒醅取料復(fù)合機(jī)器人由AGV、六自由度機(jī)械臂和取料裝置組成,如圖1所示。六自由度機(jī)械臂裝載于AGV前上方,機(jī)械臂末端裝載有取料裝置和深度相機(jī)。

1. AGV底盤(pán) 2. AGV差分式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 3. 控制柜 4. 六自由度機(jī)械臂 5. 深度相機(jī) 6. 取料裝置

取料裝置由挖斗、伺服電動(dòng)缸和連桿組成,連桿安裝于機(jī)械臂末端,并通過(guò)鉸鏈結(jié)構(gòu)連接伺服電動(dòng)缸和挖斗。通過(guò)機(jī)械臂第6關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度,控制挖斗取料方向。

地缸開(kāi)口小、深度深,發(fā)酵時(shí)埋于地下[15-16]。為便于酒醅表面數(shù)據(jù)采集,同時(shí)不干擾機(jī)械臂取料,選用Intel RealSense D455采集地缸中酒醅表面數(shù)據(jù),安裝于機(jī)械臂末端法蘭處,設(shè)定RGB圖和深度圖采集像素為1 280×720。

為采集缸口內(nèi)全貌圖像,機(jī)械臂控制相機(jī)移動(dòng)至地缸口中心正上方ch處,鏡頭正對(duì)缸口平面,設(shè)置此位姿為地缸圖像采集位姿。綜合考慮酒醅取料復(fù)合機(jī)器人機(jī)械臂作業(yè)空間與采集圖像中酒醅區(qū)域所占比重,設(shè)置ch為1 256 mm。

2 缸口內(nèi)點(diǎn)云重建

地缸口邊緣處灰度圖信息會(huì)發(fā)生躍變,通過(guò)邊緣檢測(cè)可對(duì)其定位。因此,采用加權(quán)平均法[17]對(duì)圖2(a)地缸R(shí)GB圖灰度化,并采用雙邊濾波[18]保邊降噪后,進(jìn)行Canny邊緣檢測(cè)[19],結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 地缸圖像Canny邊緣檢測(cè)結(jié)果

地缸圖像采集位姿下,地缸口內(nèi)邊緣在獲取的圖像中應(yīng)為圓形。遍歷輪廓并進(jìn)行橢圓擬合,對(duì)各擬合橢圓構(gòu)建幾何約束,如式(1)所示,提取地缸口內(nèi)邊緣近似擬合圓,結(jié)果如圖3所示。

(1)

圖3 地缸口內(nèi)邊緣近似擬合圓

式中:

et、em——各擬合橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度,像素;

Rmax、Rmin——地缸口內(nèi)邊緣近似擬合圓的高低約束閾值(與相機(jī)高度有關(guān)),像素;

rmax——擬合橢圓的長(zhǎng)短軸比的約束閾值(與地缸實(shí)際形狀有關(guān));

K——擬合橢圓的長(zhǎng)短軸比。

實(shí)地采集多幅地缸圖像,試驗(yàn)確定Rmin=368像素、Rmax=384像素、rmax=1.08。

由圖3可知,Canny邊緣檢測(cè)和幾何約束可以剔除無(wú)用輪廓和噪聲的干擾,提取出地缸口內(nèi)邊緣。

地缸深度圖中可能出現(xiàn)深度值為0的空洞,影響后續(xù)酒醅挖取量評(píng)估。空洞點(diǎn)的鄰域信息可以反映空洞處深度信息,同時(shí)研究對(duì)象為缸口內(nèi)區(qū)域,因此,在缸口內(nèi)點(diǎn)云重建前,對(duì)圖像中缸口內(nèi)空洞進(jìn)行填充,如式(2)所示。

p(u,v)=MAX[N4(p)]。

(2)

根據(jù)地缸口內(nèi)邊緣近似擬合圓提取結(jié)果,制作掩膜分割地缸R(shí)GB圖和深度圖,提取缸口內(nèi)圖像,并進(jìn)行點(diǎn)云重建,結(jié)果如圖4所示。

圖4 缸口內(nèi)點(diǎn)云

3 酒醅取料平面構(gòu)建

缸口內(nèi)點(diǎn)云包括缸壁點(diǎn)云與酒醅點(diǎn)云,缸壁點(diǎn)云會(huì)干擾預(yù)設(shè)取料點(diǎn)挖取量評(píng)估。因此,需分割提取酒醅點(diǎn)云,構(gòu)建酒醅取料平面,為設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)取料點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。

3.1 酒醅點(diǎn)云提取

酒醅與地缸壁顏色相近,傳統(tǒng)圖像分割方法難以分割出酒醅圖像,重建酒醅點(diǎn)云。基于點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行缸壁點(diǎn)云與酒醅點(diǎn)云分割試驗(yàn),分別采用歐式聚類(lèi)分割、區(qū)域生長(zhǎng)分割等方法進(jìn)行試驗(yàn)分析,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):① 酒醅表面分布不規(guī)則、不確定;② 地缸形狀不規(guī)則;③ 酒醅與缸壁無(wú)明顯分界,缸口內(nèi)點(diǎn)云具有連通性;④ 缸口內(nèi)點(diǎn)云較密集。因此,常用的點(diǎn)云分割方法難以實(shí)現(xiàn)缸壁點(diǎn)云與酒醅點(diǎn)云分割。

點(diǎn)云求異分割算法基于KD-Tree近鄰搜索算法,以?xún)山M點(diǎn)云中各點(diǎn)間距離作為判斷準(zhǔn)則。地缸埋于地下,其狀態(tài)不發(fā)生變化。因此,可采用點(diǎn)云求異分割算法求解空缸點(diǎn)云與取料前缸口內(nèi)點(diǎn)云差異,提取酒醅點(diǎn)云。具體步驟為:

步驟1:采集空缸時(shí)地缸R(shí)GB圖和深度圖,建立地缸空缸點(diǎn)云模型。

步驟2:以空缸點(diǎn)云為目標(biāo)點(diǎn)云,將取料前缸口內(nèi)點(diǎn)云作為輸入點(diǎn)云,采用KD-Tree近鄰搜索算法,以地缸空缸點(diǎn)云中pi點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn),找到缸口內(nèi)點(diǎn)云中距離pi點(diǎn)最近的點(diǎn),求解兩點(diǎn)間距離。

步驟3:若兩點(diǎn)間距離近似為0,認(rèn)為這兩點(diǎn)為對(duì)應(yīng)重合點(diǎn),即缸壁點(diǎn)云,剔除缸口內(nèi)點(diǎn)云中對(duì)應(yīng)點(diǎn),最終得到酒醅點(diǎn)云。

以多缸酒醅出缸作業(yè)中各次取料前缸口內(nèi)點(diǎn)云為試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行點(diǎn)云求異分割試驗(yàn),部分結(jié)果如圖5所示。

圖5 點(diǎn)云求異分割試驗(yàn)

由圖5可知,點(diǎn)云求異分割可以實(shí)現(xiàn)缸壁點(diǎn)云與酒醅點(diǎn)云分割。但是由于以下原因:① 同批次制作的不同地缸可能有差異;② 缸壁上可能有少許黏著酒醅;③ 機(jī)械臂控制精度不足導(dǎo)致相機(jī)各次地缸圖像采集位姿可能有差異,點(diǎn)云求異分割算法提取的酒醅點(diǎn)云中可能含有一些離群干擾點(diǎn)。

3.2 構(gòu)建酒醅取料平面

由于離群干擾點(diǎn)的深度值均小于酒醅主體點(diǎn)云深度值,可通過(guò)直方圖統(tǒng)計(jì)濾除離群干擾點(diǎn)對(duì)后續(xù)工作的影響。利用直方圖統(tǒng)計(jì)圖5各酒醅點(diǎn)云中深度數(shù)據(jù),以毫米為單位,組距為10 mm,結(jié)果如圖6所示,離群點(diǎn)深度數(shù)據(jù)區(qū)間位于直方圖左側(cè)區(qū)域。

圖6 直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果

直方圖頻數(shù)最大值fmax所在組別的界限,代表了當(dāng)前時(shí)刻酒醅主要深度數(shù)據(jù)區(qū)間,離群點(diǎn)在酒醅點(diǎn)云中所占比重很小,其所在直方圖組別的頻數(shù)較小。因此,保留頻數(shù)大于1/a直方圖頻數(shù)最大值的組別內(nèi)深度數(shù)據(jù),作為酒醅主體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。結(jié)合圖6分析不同a下離群干擾點(diǎn)影響的去除結(jié)果,選擇a=4。

根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻酒醅主體點(diǎn)云深度數(shù)據(jù),以其平均值估計(jì)此時(shí)酒醅料位深度df,如式(3)所示,以此深度構(gòu)建取料平面,df為取料平面和相機(jī)平面間距離。

(3)

(4)

式中:

A——滿(mǎn)足條件的直方圖組別k的集合;

nh——直方圖組數(shù);

fk——直方圖中第k組的頻數(shù);

bki——直方圖中第k組的第i個(gè)深度數(shù)據(jù),mm。

為便于規(guī)劃,并確保作業(yè)時(shí)缸壁與挖斗間留有安全裕度,將地缸內(nèi)部構(gòu)造視為圓臺(tái),以缸口內(nèi)邊緣所圍平面為圓臺(tái)上底面,以缸底為圓臺(tái)下底面,地缸及構(gòu)造圓臺(tái)縱截面如圖7所示。

黑色實(shí)線為構(gòu)造圓臺(tái)縱截面簡(jiǎn)圖

酒醅與缸壁間粘連性不強(qiáng),構(gòu)造圓臺(tái)與缸壁間存在較少酒醅時(shí),會(huì)自然向下滑落,地缸圓臺(tái)構(gòu)造不影響出缸作業(yè)。由式(5)計(jì)算當(dāng)前取料平面半徑rf。

(5)

式中:

rm——缸口半徑,mm;

rb——缸底半徑,mm;

dp——地缸深度,mm;

ch——相機(jī)平面和缸口平面間距離,mm。

酒醅余料較少時(shí),若以當(dāng)前料位深度構(gòu)建取料平面,挖斗作業(yè)中可能與缸底發(fā)生碰撞,如圖8所示。

圖8 挖斗與缸底碰撞

根據(jù)酒醅料位深度df,估計(jì)料位高度hf,如式(6)所示。當(dāng)hf低于閾值th時(shí),將其判定為尾料,機(jī)器人酒醅出缸進(jìn)入尾料處理階段,以th對(duì)應(yīng)酒醅料位深度構(gòu)建取料平面,并且此階段中取料平面不再發(fā)生變化。若hf小于閾值te,則認(rèn)為尾料處理階段結(jié)束。

hf=dp-df+ch。

(6)

以挖斗作業(yè)不與缸底碰撞為原則,并留有一定安全裕度ms,確定尾料處理階段開(kāi)始對(duì)應(yīng)的閾值th。根據(jù)挖斗翻轉(zhuǎn)取料動(dòng)作,若設(shè)置取料深度為dg,如圖9所示,依據(jù)斗長(zhǎng)lb設(shè)置th=lb-hg+ms。

圖9 取料深度

lb. 斗長(zhǎng) db. 斗深 wb. 斗寬 bl. 斗背長(zhǎng)

構(gòu)建酒醅取料平面后,由第2節(jié)地缸口內(nèi)邊緣提取結(jié)果,求解相機(jī)坐標(biāo)系下地缸口圓心坐標(biāo)(xr,yr,zr),確定取料平面中心坐標(biāo)(xf,yf,zf)。

4 預(yù)設(shè)取料點(diǎn)設(shè)計(jì)

機(jī)器人作業(yè)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)缸壁區(qū)域酒醅取料,同時(shí)不損壞地缸。因此,需要求解取料安全作業(yè)距離,并設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)取料點(diǎn)。

4.1 取料方向設(shè)計(jì)

酒醅取料復(fù)合機(jī)器人取料裝置挖斗如圖10所示。

機(jī)器人自動(dòng)取放料過(guò)程:首先取料裝置到達(dá)取料點(diǎn)上方中間路徑點(diǎn),隨后挖斗豎直插入酒醅,翻轉(zhuǎn)進(jìn)行取料;然后豎直提出取料裝置至中間路徑點(diǎn),控制其移動(dòng)到運(yùn)料小車(chē)上方翻轉(zhuǎn)放料。

挖斗后背為平面型,若挖斗取料方向如圖11(a)中箭頭所示,斗背與缸壁間會(huì)有較大空隙,缸壁區(qū)域會(huì)殘留較多酒醅,難以向下滑落,后續(xù)還需進(jìn)行處理。挖斗前沿為弧形,可貼合缸壁,實(shí)現(xiàn)對(duì)缸壁區(qū)域取料。因此,設(shè)置挖斗翻轉(zhuǎn)取料方向?yàn)橛扇×掀矫嬷行某蚋妆?如圖11(b)中箭頭所示。

4.2 取料安全作業(yè)距離

機(jī)械臂作業(yè)規(guī)劃需要滿(mǎn)足不同深度缸壁區(qū)域酒醅取料的可達(dá)性[20]需求。若預(yù)設(shè)取料點(diǎn)離缸壁太近,挖斗翻轉(zhuǎn)會(huì)與缸壁發(fā)生碰撞,如圖12所示,為此需要規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂酒醅取料安全作業(yè)距離。

圖12 取料裝置與地缸壁碰撞

挖斗翻轉(zhuǎn)中前沿動(dòng)作軌跡恰好不與缸壁交匯,可在挖斗不碰撞缸壁的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)缸壁區(qū)域酒醅安全取料。已將地缸內(nèi)部視為圓臺(tái),取料安全作業(yè)距離規(guī)劃條件為:挖斗翻轉(zhuǎn)中,圖10中斗長(zhǎng)lb標(biāo)注直線與地缸圓臺(tái)母線垂直時(shí),挖斗不與缸壁碰撞。因此,以斗長(zhǎng)lb為基準(zhǔn),求解取料安全作業(yè)距離es,如式(7)所示,即預(yù)設(shè)取料點(diǎn)相對(duì)于取料平面中心的距離,以取料方向?yàn)檎较?確定預(yù)設(shè)取料點(diǎn)位置。

(7)

地缸橫截面為圓形,預(yù)設(shè)取料點(diǎn)位于取料平面中以平面中心為圓心,以|es|為半徑的圓上。在不影響作業(yè)效率前提下,分析以挖斗開(kāi)口面覆蓋取料平面所需的正投影次數(shù),合理設(shè)置預(yù)設(shè)取料點(diǎn)數(shù)目。

通過(guò)取料平面中心坐標(biāo)(xf,yf,zf)和取料安全作業(yè)距離es,以預(yù)設(shè)取料點(diǎn)取料方向?yàn)檎较?確定各預(yù)設(shè)取料點(diǎn)的(xg,yg)坐標(biāo)。

4.3 取料深度設(shè)計(jì)

若取料深度太大,挖料過(guò)多,后續(xù)動(dòng)作容易撒料。因此,需要根據(jù)不同需求,合理設(shè)計(jì)取料深度。取料深度可轉(zhuǎn)化為預(yù)設(shè)取料點(diǎn)距離取料平面的高度hg,若設(shè)置取料深度為dg,則hg=bl-dg,如圖9所示,從而確定各預(yù)設(shè)取料點(diǎn)的zg坐標(biāo)。最終得到相機(jī)坐標(biāo)系,即取料前酒醅點(diǎn)云坐標(biāo)系Oc下,預(yù)設(shè)取料點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xg,yg,zg),記為cP(xg,yg,zg)。

5 預(yù)設(shè)取料點(diǎn)酒醅挖取量評(píng)估

取料裝置的取料軌跡是固定的,每次作業(yè),取料裝置的理想取料空間相同,如圖13中黑色虛線陰影區(qū)域所示。

圖13 理想取料空間

在預(yù)設(shè)取料點(diǎn)取料時(shí),取料裝置相應(yīng)理想取料空間內(nèi)酒醅量越多,機(jī)器人在該點(diǎn)的挖取量越多。因此,測(cè)算預(yù)設(shè)取料點(diǎn)理想取料空間內(nèi)酒醅體積,作為預(yù)設(shè)取料點(diǎn)cP(xg,yg,zg)的挖取量評(píng)估指標(biāo)。根據(jù)前期研究的像素面元體素法,在cP(xg,yg,zg)相應(yīng)理想取料空間內(nèi),以酒醅點(diǎn)云各點(diǎn)劃分面元,作為各酒醅體素底面,再依據(jù)挖斗翻轉(zhuǎn)取料前沿動(dòng)作軌跡和取料前酒醅點(diǎn)云,求解各酒醅體素的高,構(gòu)建酒醅體素,依次計(jì)算各酒醅體素體積,理想取料空間內(nèi)酒醅體積即為各酒醅體素體積的組合。

5.1 酒醅點(diǎn)云坐標(biāo)變換

評(píng)估預(yù)設(shè)取料點(diǎn)挖取量的關(guān)鍵是求解挖斗翻轉(zhuǎn)取料前沿動(dòng)作軌跡函數(shù)。因此,基于cP(xg,yg,zg)建立理想取料空間坐標(biāo)系Op,如圖14所示,在該坐標(biāo)系中求解挖斗翻轉(zhuǎn)取料前沿動(dòng)作軌跡函數(shù)。

圖14 理想取料空間坐標(biāo)系

為評(píng)估cP(xg,yg,zg)挖取量,還需要將酒醅點(diǎn)云和挖斗翻轉(zhuǎn)取料動(dòng)作中的物理量統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系,為此需要求解取料前酒醅點(diǎn)云坐標(biāo)系Oc和理想取料空間坐標(biāo)系Op間的變換關(guān)系。Oc和Op間的變換是剛體變換,變換關(guān)系為:

(8)

式中:

[xpi,ypi,zpi]T——轉(zhuǎn)換到理想取料空間坐標(biāo)系Op中的酒醅點(diǎn)云數(shù)據(jù);

[xci,yci,zci]T——原始酒醅點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

5.2 預(yù)設(shè)取料點(diǎn)酒醅挖取量評(píng)估指標(biāo)計(jì)算

挖斗翻轉(zhuǎn)取料動(dòng)作可以視為一個(gè)面作用于酒醅的過(guò)程,即挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面。挖斗繞連接點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面可以視為挖斗在挖斗開(kāi)口面上的正投影,如圖15中黑色虛線陰影所示。

圖15 挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面

挖斗翻轉(zhuǎn)取料前沿動(dòng)作軌跡為翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線上各點(diǎn)動(dòng)作軌跡的組合。挖斗翻轉(zhuǎn)至水平過(guò)程中,挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線上各點(diǎn)動(dòng)作軌跡均為圓的一部分,各點(diǎn)與翻轉(zhuǎn)軸線的垂直距離為各點(diǎn)動(dòng)作軌跡半徑。

為求解挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線上各點(diǎn)動(dòng)作軌跡半徑,如圖15所示,在挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面上建立挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線坐標(biāo)系。根據(jù)挖斗尺寸參數(shù),設(shè)置xp軸方向上正負(fù)坐標(biāo)極限距離均為wb/2。

挖斗前沿曲線如圖16中黑色加粗曲線所示,長(zhǎng)度為lc,為半徑為rc的圓的一部分。由正投影法可知,挖斗前沿曲線所在圓形在開(kāi)口面上的正投影為橢圓。根據(jù)挖斗尺寸參數(shù)計(jì)算挖斗背與開(kāi)口面的夾角φ,挖斗前沿曲線所在圓形在開(kāi)口面上的正投影橢圓長(zhǎng)半軸為rc,短半軸為圓半徑的正投影長(zhǎng)度rccosφ。正投影橢圓圓心在挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線坐標(biāo)系rp軸上,其到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離為lb-rccosφ。挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線為挖斗前沿曲線在開(kāi)口面上的正投影,其函數(shù)表達(dá)式如式(9)所示。

(9)

圖16 挖斗前沿曲線

將理想取料空間坐標(biāo)系中酒醅點(diǎn)云各點(diǎn)坐標(biāo)xp代入式(9),計(jì)算挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線上各點(diǎn)動(dòng)作軌跡半徑。在坐標(biāo)系Op中,挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線上各點(diǎn)動(dòng)作軌跡組合如式(10)所示,即為挖斗前沿動(dòng)作軌跡。酒醅點(diǎn)云各點(diǎn)與挖斗前沿動(dòng)作軌跡上各點(diǎn)在z軸方向上具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)應(yīng)點(diǎn)的(xp,yp)坐標(biāo)相同。分析挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面參數(shù),設(shè)置yp軸方向上正坐標(biāo)極限距離為挖斗翻轉(zhuǎn)取料作用面前沿曲線上各點(diǎn)動(dòng)作軌跡半徑rpj,負(fù)坐標(biāo)極限距離均為斗深db。

(10)

式中:

[xpj,ypj,zpj]T——酒醅點(diǎn)云在cP(xg,yg,zg)理想取料空間內(nèi)各點(diǎn)。

通過(guò)式(11)約束條件提取得到[xpj,ypj,zpj]T。

(11)

根據(jù)式(8)、式(10)和式(11)結(jié)果求解cP(xg,yg,zg)理想取料空間內(nèi)各酒醅體素的高度hpj,如式(12)所示。

(12)

若hpj<0,代表挖斗無(wú)法對(duì)面元j處取料,則舍棄。以各個(gè)酒醅體素為獨(dú)立計(jì)算單元,求解cP(xg,yg,zg)理想取料空間內(nèi)酒醅體積Vg,作為該預(yù)設(shè)取料點(diǎn)挖取量評(píng)估指標(biāo),如式(13)所示。

(13)

式中:

m——cP(xg,yg,zg)理想取料空間內(nèi)酒醅體素個(gè)數(shù);

spj——酒醅體素底面積,mm2;

dj——面元j處相機(jī)采集的深度數(shù)據(jù),mm。

分別求解各預(yù)設(shè)取料點(diǎn)cP(xgi,ygi,zgi)挖取量評(píng)估指標(biāo)Vgi,對(duì)比擇優(yōu),如式(14)所示,選擇最優(yōu)取料點(diǎn),記為cP(xg0,yg0,zg0),取料方向?yàn)槿×掀矫嬷行呐c該點(diǎn)連線上指向缸壁方向。

(14)

式中:

ng——預(yù)設(shè)取料點(diǎn)個(gè)數(shù)。

6 試驗(yàn)與結(jié)果分析

6.1 預(yù)設(shè)取料點(diǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)

虛擬調(diào)試技術(shù)可以對(duì)設(shè)計(jì)思路全面仿真,降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)[21]。在山西某清香型酒廠酒醅發(fā)酵車(chē)間與發(fā)酵地缸的1∶1測(cè)繪模型上,基于NX MCD搭建酒醅取料復(fù)合機(jī)器人虛擬調(diào)試平臺(tái),如圖17所示。

圖17 酒醅取料復(fù)合機(jī)器人虛擬調(diào)試平臺(tái)

對(duì)酒醅取料復(fù)合機(jī)器人3D模型進(jìn)行功能屬性定義,并創(chuàng)建酒醅取料復(fù)合機(jī)器人出醅作業(yè)仿真序列,最大程度模擬地缸出醅現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境。同時(shí),對(duì)挖斗尺寸參數(shù)進(jìn)行分析測(cè)量,如表1所示。

表1 挖斗尺寸參數(shù)

以缸底極限位置為分析對(duì)象,由挖斗翻轉(zhuǎn)取料軌跡可知,此時(shí)預(yù)設(shè)取料點(diǎn)距離缸底高度為334.30 mm,求解預(yù)設(shè)取料點(diǎn)坐標(biāo),并在虛擬調(diào)試平臺(tái)中進(jìn)行機(jī)器人取料仿真試驗(yàn)。由仿真試驗(yàn)可知,以缸底極限位置為分析對(duì)象,取料裝置豎直插入以及挖斗翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,不會(huì)與地缸碰撞。因此,取料裝置豎直插入地缸過(guò)程中,不會(huì)與地缸碰撞,不需考慮約束條件。

為驗(yàn)證基于安全作業(yè)距離的取料點(diǎn)規(guī)劃方法的有效性,基于酒醅取料復(fù)合機(jī)器人虛擬調(diào)試平臺(tái),在地缸不同深度處,構(gòu)建取料平面,對(duì)基于安全作業(yè)距離的取料點(diǎn)規(guī)劃方法進(jìn)行大量仿真測(cè)試,部分測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 基于安全作業(yè)距離的取料點(diǎn)規(guī)劃方法測(cè)試結(jié)果

由表2可知,基于安全作業(yè)距離的取料點(diǎn)規(guī)劃方法可以確保取料裝置在不同深度取料平面,成功對(duì)缸壁區(qū)域取料的同時(shí),不與缸壁碰撞,并留有一定安全裕度。

地缸缸口內(nèi)直徑為700 mm,缸底內(nèi)直徑為500 mm,dp為1 135 mm。對(duì)地缸各深度橫截面與挖斗開(kāi)口面進(jìn)行計(jì)算與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)設(shè)計(jì)4個(gè)預(yù)設(shè)取料點(diǎn)時(shí),可實(shí)現(xiàn)取料平面的全覆蓋作業(yè);若設(shè)計(jì)5個(gè)預(yù)設(shè)取料點(diǎn)則會(huì)有較大重合區(qū)域,不符合工程實(shí)際。因此,在各酒醅取料平面上均設(shè)計(jì)4個(gè)預(yù)設(shè)取料點(diǎn)。

6.2 自動(dòng)酒醅出缸策略試驗(yàn)

研究初期將地缸口圓心酒醅表面深度視為當(dāng)前料位深度,構(gòu)建取料平面,設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)取料點(diǎn),機(jī)器人對(duì)各預(yù)設(shè)取料點(diǎn)依次取料。缸口圓心對(duì)應(yīng)料位一般為酒醅分布最低點(diǎn),以該深度定義取料平面進(jìn)行取料,缸壁區(qū)域酒醅滑落嚴(yán)重,挖斗翻轉(zhuǎn)與豎直提升阻力增大,可能出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。因此,自動(dòng)酒醅出缸策略基于酒醅點(diǎn)云密集的深度區(qū)間構(gòu)建取料平面。同時(shí),隨著酒醅料位變低,取料平面上各預(yù)設(shè)取料點(diǎn)取料區(qū)域會(huì)有重合,且料位越低重合區(qū)域越大,對(duì)所有預(yù)設(shè)取料點(diǎn)依次取料可能出現(xiàn)某次作業(yè)取料量較少的現(xiàn)象。

為驗(yàn)證自動(dòng)酒醅出缸策略的有效性,在完成虛擬調(diào)試的基礎(chǔ)上,于山西某清香型酒廠發(fā)酵車(chē)間進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由于篇幅所限,僅給出三缸酒醅出缸試驗(yàn)結(jié)果,如表3～表5所示。試驗(yàn)中,設(shè)置dg為252 mm、ms為10 mm、th為343.64 mm、te為110 mm。為進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),表5中機(jī)器人作業(yè)未采用自動(dòng)酒醅出缸策略,對(duì)所有預(yù)設(shè)取料點(diǎn)依次取料?，F(xiàn)場(chǎng)采用電子臺(tái)秤對(duì)實(shí)際挖取質(zhì)量M稱(chēng)重記錄。為提高試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可靠性,三缸醅料均為新填充酒醅發(fā)酵原料,地缸中上下層酒醅密度有些微差異。

表3 采用自動(dòng)酒醅出缸策略的地缸1取料試驗(yàn)

表4 采用自動(dòng)酒醅出缸策略的地缸2取料試驗(yàn)

表5 未采用自動(dòng)酒醅出缸策略的地缸3取料試驗(yàn)

分析表3～表5可知,在總出醅量近似的情況下,酒醅取料復(fù)合機(jī)器人采用提出的自動(dòng)酒醅出缸策略進(jìn)行酒醅出缸,所需的取料次數(shù)明顯少于未采用時(shí)的取料次數(shù),有效提高了酒醅出缸效率,減少了酒氣揮發(fā)。自動(dòng)酒醅出缸策略可有效指導(dǎo)酒醅取料復(fù)合機(jī)器人自動(dòng)酒醅出缸作業(yè),能夠滿(mǎn)足地缸固態(tài)發(fā)酵車(chē)間酒醅出缸環(huán)節(jié)作業(yè)需求。

7 結(jié)論

(1) 針對(duì)地缸發(fā)酵酒醅出缸環(huán)節(jié)機(jī)器人出缸策略進(jìn)行研究,提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)酒醅出缸策略,并在山西某清香型酒廠酒醅發(fā)酵車(chē)間進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:自動(dòng)酒醅出缸策略有效減少了機(jī)器人酒醅出缸作業(yè)的取料次數(shù),提高了酒醅出缸效率,實(shí)現(xiàn)了地缸出醅作業(yè)的自動(dòng)化、智能化。

(2) 所提出的自動(dòng)酒醅出缸策略亦可推廣應(yīng)用于其他形狀的挖斗或抓斗進(jìn)行取料作業(yè),首先分析目標(biāo)料堆及作業(yè)環(huán)境各種屬性,分割提取目標(biāo)料堆點(diǎn)云;其次根據(jù)料堆分布及取料裝置作業(yè)區(qū)域合理預(yù)設(shè)取料點(diǎn),并根據(jù)作業(yè)要求設(shè)計(jì)取料深度;最后確定取料裝置理想取料空間,構(gòu)建取料裝置相應(yīng)的取料動(dòng)作軌跡函數(shù),測(cè)算預(yù)設(shè)取料點(diǎn)取料量評(píng)估指標(biāo),從而選擇最優(yōu)取料點(diǎn)。