（机械电子工程专业论文）禽类开膛机器人系统研究.pdf

摘要 随着人民生活水平的提高和市场竞争的日益加剧，对禽类加工的要求也越 来越高。机器人完全可以满足禽类加工业的严格要求，虽然到目前为止，还没有 哪个国家研制出完整的商品化的禽类加工机器人系统，但从市场现状和社会效益 等方面来看，禽类加工机器人具有良好的前景。 禽类开膛机器人正是用于禽类加工生产线上的一种新型自动化设备，它与割 颈、去内脏机器人一起组成了一个完整的禽类机器入加工系统，本文对禽类开膛 机器人进行了如下研究： 本文的第一章首先介绍了课题的研究背景和国内外的研究现状。第二章是总 体方案设计，将机器人分为机械系统、控制系统和感觉系统三个部分并对一些主 要部件进行了选型分析。 机械系统是整个禽类开膛机器人的基础。本文的第三章在对各种机器人结构 形式进行比较分析的基础之上，首先选择三自由度直角坐标式徽为禽类开膛机器 人本体的结构形式；接着对机械系统进行了详细的设计计算并绘制了部件图和装 配图。 控制系统相当于人的大脑，其重要性不言而喻。在第四章中，首先分析了计 算机控制系统的三种结构形式，并选择了分布式结构：接着选用了基于p c 总线 的工业控制机做为上位机：最后提出了以单片机、p l c 和多轴运动控制卡为核心 的三种下位机方案，并对它们的优缺点进行了比较分析。 感觉系统是机器人与外界的接口，相当于人的感觉器官。在第五章中，首先 确定了机器人感觉系统的组成：视觉、力觉和接近探测分系统；然后对机器视觉 分系统进行了较详细的规划设计，包括测距方案的确定、视觉传感器的选择、软 件系统的规划等方面，并对自行设计和外购两种方案进行了比较分析；最后对力 觉和接近探测分系统进行了简介和规划。 关键词：禽类开膛机器人结构设计机器人控制机器人感觉机器视觉 a b s 仃a c t t h er e q u i r e m e n tt ot h ep o u l t r ys l a u g h t e r i n gi ss t r i c t e rw i 廿1t h ed e v e l o p m e n to f p e o p l e sl i v i n g s t a n d a r da n d a g g r a v a t i n g o fm a r k e t c o m p e t i t i o n ap o u l t r y s l a u g h t e r i n gr o b o tc a l lf u l l ym a t c h t h es t r i c tr e q u i r e m e n to f e n t e r p r i s e i th a sag o o d p e r s p e c t i v ea c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tm a r k e t s i t u a t i o na n ds o c i a lb e n e f i ta l t h o u g ht h e r e i sn o o nt h es h e l f p o u l t r ys l a u g h t e r i n gr o b o ti nt h ew o r l dn o w p o u l t r y o p e n i n gr o b o ti san e wt y p eo f a u t o m a t i ce q u i p m e n tu s e di n 廿1 ep o u l t r y s l a u g h t e r i n gl i n e t h ew h o l ep o u l t r yp r o c e s s i n gs y s t e mm a k e su po fe x s c i n d i n g ， o p e n i n g a n d e v i s c e r a t i n g r o b o t t h i st h e s i sd o e ss o m er e s e a r c hw o r ko nt h e p o u l t r y - o p e n i n g r o b o t i nc h a p t e rl ，w ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h i s p r o b l e m i nc h a p t e r2 ，w ed i v i d et h er o b o ti n t ot h r e ep a r t s ：m e c h a n i c a ls y s t e m ，c o n t r o l s y s t e ma n ds e n s es y s t e mt h e nc h o o s e t h e t y p eo f s o m ee s s e n t i a lo p f i o n e n t s m e c h a n i c a ls y s t e mi sab a s i cp a r to ft h ew h o l es y s t e m i ne h a p t e r3 a f t e rt h e a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw i t l lm a n yk i n d so f s t r u c t u r ef o r m sa n dw ec h o o s eat h r e e f r e e d o m - d e g r e er e c t a n g u l a rc o o r d i n a t es t r u c t u r ea tf i r s t t h e nw ec a r e f u l l yd e s i g nt h e m e c h a n i c a ls y s t e ma n dd r a wt h eo p p o n e n ta n da s s e m b l yd r a w i n g s c o n t r o ls y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t j u s tl i k eh u m a n sb r a i n i nc h a p t e r4 ，w ea n a l y z e t h et h r e es t r u c t u r ef o r i l l sa n dc h o o s et h ed i s t r i b u t em a s t e r - s l a v es t r u c t u r ea tf i r s t t h e n w ec h o o s eap c b u sb a s e di n d u s t r i a lc o m p u t e ra st h em a s t e rc o m p u t e la tl a s t w e p u tf o r w a r dt h r e es c h e m e st ot h es l a v ec o m p u t e ra n dc o m p a r et h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s t h e s es c h e m e sa r eb a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , p l ca n d m o t i o nc a r dr e s p e c t i v e l y s e n s es y s t e mi st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h er o b o ta n dt h eo u t s i d ew o r l d ，i u s t1 i k e h u m a n ss e n s eo r g a n i nc h a p t e r5 ，w ec o n f i r mt h es y s t e m sc o m p o n e n t s ：m a c h i n e v i s i o n ，f o r c ed e t e c t i o na n da p p r o a c hd e t e c t i o ns u b s y s t e ma tf i r s t t h e nw e d e s i g nt h e m a c h i n ev i s i o ns u b s y s t e mi nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fd i s t a n c em e a s u r es c h e m e a n dv i s i o n s e n s o r , s o f t w a r e ss t r u c t u r e ，e t c w ec o m p a r e dt h et w op l a n s ，o n ei s r e s e a r c ha n dd e v e l o pb yo u r s e l v e s ，t h eo t h e ri sp u r c h a s ep r o d u c ta n da d a p ti t a tl a s t ， w ei n t r o d u c ea n d p l a nt h ef o r c ed e t e c t i o n a n d a p p r o a c hd e t e c t i o ns u b s y s t e m k e y w o r d s ：p o u l t r y o p e n i n gr o b o t ；s t r u c t u r ed e s i g n ；r o b o tc o n t r o l ； r o b o ts e n s e ，m a c h i n ev i s i o n i i 禽类开膛机器人系统研究 第一章绪论 1 1课题研究背景 肉食品是人类获得蛋白质的主要来源，它的入均消费量，是一个国家或地区 生活水平、人民体质状况的重要标志。长期以来，人们多食用畜肉，禽肉所占比 重甚微；近几十年来，家禽业异军突起，禽肉产量在整个肉类中的比重，i 9 3 年就已超过2 5 ，目前还在以1 左右的速度上升，而且这是世界范围内畜牧生产 和食品结构调整的总趋势，无论是发达国家或发展中国家都不例外m 。 家禽业( 以肉鸡业为代表) 之所以具有如此广阔的发展前景，是因为它具有 如下特点： 1 高科技造就。生产水平高； 2 产品营养好，食用价值高； 3 可高度集约化经营，劳动生产率高。 我国是一个畜牧业大国，畜类和禽类的存栏数以及肉产量均屠位世界前列。 1 9 9 8 年世界禽肉生产量是6 0 9 9 万吨( 其中鸡肉占9 3 ) ，而我国鸡的存栏数约为 3 l ，1 1 亿只，禽肉生产量为1 2 2 9 万吨( 其中鸡肉1 1 1 0 8 万吨) ，占我国肉类产 量( 6 3 9 7 万吨) 的1 9 2 1 i ”。因此，禽肉的加工处理技术不仅关系到人民生活 与健康外，也直接影响到我国农产品出口创汇。 禽类的2 n - r 生产与猪、牛、羊不同，处理加工要经过放血、浸泡、脱羽、摘 内脏、分割、冷却等环节，因此，相互交叉污染的机会较多。为了达到世界食品 卫生标准，各国都在进行相关领域的研究，以期改善产品质量，降低加工成本。 目前，已在禽类的加工处理方法、设备、机械、工艺流程等方面进行了改进和开 发。 从目前情况来看，我国虽然已成为世界第二大禽岗生产国，但出口量仅占产 量的3 左右。九十年代以来，中国已成为肉鸡净进口国，至1 9 9 9 年，我国已进 口肉鸡4 6 5 万吨嘲。 之所以出现这种情况，是因为我国肉类加工企业规模小技术装备差，生产 方式落后，缺乏竞争力。我国拥有肉类加工加工企业三千多家，但除少数企业的 技术装备达到或接近发达国家水平以外，肉类加工技术、装备的总体水平和发达 国家相比，落后约2 0 一3 0 年。据了解，国内还没有一家企业使用肉类加工机器人， 大多数的肉类加工厂还使用比较落后的肉类加工设备，手工操作多，卫生条件差， 禽类开膛机器人系统研究 加工工艺落后：同时，这些落后的方法增加了对肉类的污染，不仅降低了产品的 市场竞争力( 自1 9 9 6 年8 月起，我国的肉鸡产品因无法达到欧盟的要求而遭其 禁止) ，而且给人民的健康带来极大的危害。目前国家正大力推彳亍以g h p ( 良好 生产操作规程) 和h a c c p ( 危害分析及关键控制规程点) 为基础的卫生质量保证 体系，用机器人进行肉类加工作业正是减少污染的个有效手段1 2 i - i “。 因此，从禽类生产规模，市场现状和社会效益等方面来看，禽类加工机器人 都具有良好的应用前景，如果将禽类加工机器人系统扩展到畜类加工业，其市场 前景更为可观。 为了实现禽类加工高效、无污染生产，提高生产效率，扩大生产规模，上海 某单位委托上海大学上海机电一体工程有限公司规划一条禽类机器人加工生产 线，经调研，整条禽类机器人加工生产线方案如下：( 参见图i - i ) 。 整条生产线由二条悬挂式变频调速传送链完成物流输送，其中一条完成屠宰 作业，另一条完成包装作业。按工艺要求安排吊挂、击昏、割颈、浸烫、脱毛、 开膛、去内脏、预冷、分割包装等工位。 禽类开膛机器人是用于该生产线上的一种新型自动化设备，它与割颈、去内 脏机器人一起组成一个禽类机器人加工系统。禽类加工机器人的使用，将会降低 劳动强度，提高生产效率，减少污染环节，填补我国在该领域的空自，提高我国 禽类加工业的国际竞争力。 图卜l 禽类生产线工艺流程图 ( 注：虚线框内为机器人加工系统) 1 2 国内外禽类加工机器人系统的发展概况 1 2 1 国内外禽类加工设备及有关方法的发展 禽类开膛机器人系统研究 表1 - 1禽类加工自动化设备及方法的发展 时间技术特点 5 0 年代以半机械化加工为主。以热水浸泡槽和滚筒脱羽为主 5 0 年代要机械，把热水浸泡槽里放了血的鸡体( 3 0 只左右) 放在底 部和侧壁指状橡胶柱的圆筒中，旋转底部进行脱羽，每小时处 理几百只，在世界上广泛应用，目前，在亚洲的一些发展中国 家仍在使用。 6 0 年代以流水加工方式为主。挂在棚顶的链条传送带上安装 6 0 年代了等距离的吊具，在吊具上挂着鸡的两腿，用流水作业方式进 行放血、热水浸泡、脱羽等工序。一个2 0 3 0 人的班组，每小 时可以加工2 0 0 0 3 0 0 0 只。但是，分割头、爪、内脏等作业还 是要在不同的生产线上由手工操作完成。 7 0 年代中期开展了曲轴电枪( 割泄殖腔) 、内脏自动摘除机和 7 0 年代处理肌胃内膜的机械，还开发了用于运输不能食用的内脏和残 渣等废弃物的管道输送系统，此时才真正实现肉鸡加工自动 化。 8 0 年代8 0 年代是以肉鸡的分割计量和冷气冷却代替冷水冷却技术的 加工。 9 0 年代由于世界性的净肉消费增多，剔肉机和脱骨机被大量开发使 用。 近年来采用了送货作业自动化、喷射式浸烫兼脱羽、电刺激促进肌肉 的熟化、处理工序隔开等新技术、新工艺。 以禽类加工的典型产品肉鸡为例，从上个世纪五十年代至今，肉鸡的加工 处理方法经历了半自动化、流水线、全自动化等阶段，详见表1 1 。 由上表可见，随着科技水平和卫生标准的提高，禽类加工的自动化程度也在 不断提高，出现了很多新型的商品化的设备，如图i - 2 、1 - 3 所示，所有这些都 为禽类加工机器人和整套生产线的出现打下了坚实的基础。 禽类开膛机器人系统研究 图1 - 2自动清洗机 1 2 2国内外禽类加工机器人的发展 图1 - 3 毛鸡输送线 通过对禽类加工机器人系统及相关技术的检索表明陋】，禽类加工方面的机器 人系统，在国内尚未见报道，相关技术的研究在国内还没起步。目前国内关于“禽 类机器人加工生产线”没有相关的文献报道，只有一些禽类处理自动化设备的简 单应用。 国外一些企业和科研机构已经展开相关的研究，有去内脏系统、禽类运输系 统、肉体切割系统、特殊部位切除系统等相关的专利和论文发表。关于禽类开膛 机器人，国外只有在静态的工位上从禽类的肛门处剪开- d , 口的机器设备，在动 态的生产线上作业的禽类开膛机器人国内外未见报道。关于禽类去内脏机器人， 国外去内脏机器人只有静态的工位上用专用工具切去内脏。对于在动态的生产线 上作业的禽类去内脏机器人国内外未见报道。关于悬挂运动中的三维软体的测量 与图象处理技术，国外有在线三维软体测量用于检验禽类疾病。对于悬挂运动中 三维软体的测量与图象处理后用于路径规划的国内外未见报道。 9 0 年代初，欧盟为减少肉类加工过程中传染致病微生物的危险，提供专项 基金，研制高效卫生的肉类加工机器人，到1 9 9 5 年5 月，在德国法兰克福国际 肉类展览会上，f a c c s a 展出了自动肉类加工机器人系统样机，到1 9 9 7 年，英国 的a m i e 公司购买了a m a r c 技术，开始完善并试生产肉类加工机器人1 7 l 。但它是 针对猪的加工，而且是一种静态的机器人，无跟踪系统，无法用于生产线上( 参 见图卜4 、卜5 ) 。 在国外，1 9 9 8 年和2 0 0 0 年分别有一项和两项关于禽类开膛与去内脏机械手 的专利，均是应用于静态工位阶1 【1 1 1 。 禽类开膛机器人系统研究 图1 4 肉类加工机器人系统嘲 图1 - 5自动取出内脏8 ( 从左至右为三维测量装置、机器人 及夹具框架) 1 3 本文的主要研究内容和任务 禽类开膛机器人主要技术指标如下： 1 加工能力为3 0 0 5 0 0 只4 , 时； 2 实际开膛位置与理想开膛位置的误差在l o m m 。 根据上述要求，为了保证禽类开膛机器人系统的研制成功，需要解决以下几 项关键技术： 开膛机器人的机械和控制技术 为解决禽类皮肤筋骨不同介质对切割力的影响，需配备相应的力或触觉传感 器；为了使机器人能快速按规划路径运动，又不损伤内脏，需研制或选购一个高 效切割刀具；特别重要的是，禽类开膛机器人的机械系统的研究还需考虑对象不 确定性和柔软性带来的困难。 悬挂运动中三维禽类软体测量与图象处理技术 从测量的精度与可靠性方面来考虑，拟采用三维光学测量系统。一般的三维 光学测量系统的测量对象或者是结构化的运动物体，或者是静态的物体。而现在 的被测对象是非结构化的运动物体，在运动中，其各种参数是变化不定的，遮在 数据采集过程中增加了诸多不确定因素，还有，对每个被测对象的图象处理时间 有限，图象的处理既要提供作业规划系统所需的特征参数，又要满足生产节拍要 求。所以要克服测量方法、图象处理和路径规划上的种种技术难点，有所创新。 作为一个硕士研究生的毕业课题，想一下子解决以上的所有问题显然不太可 能的；而且由于这是一个全新的课题，国内外很少有人研究，资料匮乏，故本文 只能从预研的角度出发，重点进行机器人机械系统的规划与设计，在此基础之上 进行视觉与控制系统的方案分析与规划，从而使得整个系统具有较高的可行性， 为今后进一步的研究打下坚实的基础。 禽类开膛机器人系统研究 第二章禽类开膛机器人的总体设计 2 1 禽类开膛机器人研制的基本要求 禽类开膛机器人属于特种机器人，它是一个全新的系统，很难找到类似的现 成产品可供参考。因此设计时只能根据课题的基本要求以及借鉴其它工业机器人 的成功经验来确定总体方案。 首先，该机器人对可靠性的要求很高； 由于它是在生产线上配套使用，所以不仅要功能完善，对可靠性的要求也很 高。一旦停机，轻则会影响整个生产线的正常运转，重则会造成很大的经济损失； 这就要求在设计时必须采用经过实践检验的成熟技术，多选用标准件，尽可能提 高机器人的可靠性。 其次，该机器人对成本的要求也比较高； 肉类加工业属传统的劳动密集型产业，其产品附加值也较低。因此，如果它 的成本太高，相关企业不可能采用，很难实用化、产业化。因此，设计时就必须 考虑降低成本，具体来说结构上多采用常规材料、标准件，控制和视觉系统应尽 量简单并选用成熟的商业产品。 再次，该机器人也要足够先进； 这就是要求它的劳动生产率要高据了解，一名熟练工人- d , 时可加工几百 到一千只，因此机器人每小时至少也要能加工几百只，否则就体现不出它的优越 性。这就使得它必须使用某些新技术，做到高速高效。 最后，必须考虑使用环境的要求。 肉( 禽) 类加工属于食品加工业，对卫生条件有着很高甚至可以说是苛刻的 要求，这也正是机器人优越性的突出体现。所以设计时必须充分考虑这方面，例 如：传动件加装防尘罩、润滑油不能污染被加工禽类等等。 以上几点要求从某些方面来说可能是互相矛盾的，比如：先进性和成本的要 求。设计时要全盘规划，权衡各种要求，把它们很好地折衷并统一起来。 综上所述，确定禽类开膛机器人的设计思想是：突出功能和可靠性，尽可能 地先进。换句话说，就是性能价格比高，不盲目地追求理论上的先进，而是尽可 能地提高其实用性。 禽类开膛机器人系统研究 2 2 禽类开膛机器人的总体设计 2 2 1 禽类开膛机器人作业路线的确定 为了完成禽类开膛机器人的总体设计，首先我们必须确定它的作业路线。机 器人是为了代替人类的劳动而产生的。因此它的作业路线完全可以参考人工作业 时的路线。 开膛的目的是为取出内脏，但需按烹调的要求而决定开剖方向。以全鸡( 或 鸭) 烹调时有腹开、肋开、背开3 种剖开法，均须保持原料整只的形状 1 2 1 。 腹开法最适合一般的调理，首先以禽颈与背骨问切开，取出气管与食道，再 于肛门与腹部切开约6 - 7 厘米的口子，小心取出内脏、洗净。 肋开法是从翅下切开。该法适合烤鸭的烹调，用此法使其在烘烤时不致于滴 漏油汁。 背开法剖开背部，是在脊椎处破骨而开。该方法适合于填装东西，盛在盘中 时胸部朝上，则看不见刀口，外形较为美观。 从理论上讲，以上三种方法机器人都可以完成，但我们必须分析市场对各种 禽类产品的具体要求，确定一种典型产品作为禽类机器人加工生产线的加工对 象。从目前状况来看，整体式小开膛禽类加工最为困难，只要解决了该产品的生 产，其它产品的问题都能迎刃而解，所以确定小开膛禽类作为典型产品，采用腹 开法。 因此开膛加工路线具体来说就是沿禽类的下腹部中线纵向切开约6 - 7 厘米 的口子，由于待加工禽类基本上可以看成是左右对称的，从理论上来讲，就是一 条二维曲线。 2 2 2 禽类开膛机器人的总体方案的确定 在完成机器人的具体结构设计之前，必须首先确定它的总体方案。使用要求 是机器人总体设计的出发点，也是构思、确定基本结构形式的依据。 目前工业机器人主要用于弧焊、点焊、喷涂、装配及搬运等工业作业，不同 用途的机器人有不同的结构形式、自由度数目及控制要求。例如，装配机器人要 求较高置重复定位精度，特别是专用机器人，只用于某几种作业，如装配、焊接 电路板的某几种电器元件，其结构形式可以简单，自由度数目可以减少；而喷涂 机器人要求防爆，故传动方式常用液压传动而不用机械传动。 总之，不同的使用条件，不同的负荷，不同的速度，不同的精度，使得机器 禽类开膛机器人系统研究 人设计有不同的结构形式和不同的传动及控制要求，必须加以全盘考虑 1 3 l 。 禽类开膛机器人属于特种机器人范畴，但我们也可以参考工业机器人的总体 方案来迸行设计。一般情况下，工业机器人由如下四个部分组成，参见表2 - 1 。 工业机器 表2 - 1 工业机器人的组成 二 手部 腕部 臂部 机架( 固定或移动式) 动力装置 传动装置 一 单关节伺服控制器 l 一关节协调及其它信息交换计算机 ，一视觉装置 -语音识别装置 l 其它装置 2 2 3 禽类开膛机器人的本体 一、机器人本体的组成 本体是机器人赖以完成工作任务的实体，常称为执行机构，国标又称之 为操作机。由于应用场合的不同，机器人的结构形式是各种各样，丰富多彩 的，但是万变不离其宗，主要由以下几个部分组成n 4 】： 1 手部结构 亦称手爪部分或末端操作器，是机器人为了进行作业，在手腕上配置 的操作机构，如抓取工件的各种抓手、取料器、专用工具的夹持器等，还 包括部分专用工具( 如：焊枪、割枪等) 。 2 手腕结构 联接手部和手臂的部分，其主要作用是改变手部的空间方向和将作业 载荷传递到手臂。 3 手臂结构 联接机座和手腕的部分，主要用于改变手部的空间位置，满足机器人 的作业空间，将各种载荷传递到机座。 4 机座结构 禽类开膛机器人系统研究 亦称机架，机器人的基础部分。起支承作用，对固定式机器人，直接 联接在地面上，对移动式机器人，则安装在移动机构上。 一般来说，机器人的执行机构主要由上述各部分有机地组合而成。各部 分的功能和结构形式随着作业要求的不同有较大的区别，有的局部功能得到 加强，结构相当复杂；有的则功能简化，结构简单。 二、 机器人基本结构形式的确定 从不同的角度出发，对机器人的分类，有多种方法，例如按驱动方式、工 作环境、控制方法等等，但是一般情况下，机器人的结构形式是按组成机器人 手臂结构的各关节配置形式和确定手部位置的坐标形式来划分的。这是因为手 臂结构是整个机器人机械系统最主要的组成部分，它反映了整个机器人机械系 统的主要结构特征。由于各关节的配置形式直接确定了机器人作业的坐标形 式，故这种方法亦称按坐标系分类。 机器人的基本结构形式，按其连接构件运动副组成来划分有以下四种：直 角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式及关节式。 我们需要根据作业要求对各种形式的结构特点、可靠性、工艺性、和可控 性等进行分析比较，最终确定一个最佳方案，如表2 2 所示。 理论上讲，上述机构都能满足本课题的技术要求，虽然圆柱坐标式、极坐 标式和多关节式本身运动范围很大，但是根据本课题要求，如果采用这几种结 构形式的话，都必须另外配置一个纵向移动机构，这样一来成本相对提高了。 而且，圆柱式、极坐标式和多关节式机器人的结构相对直角坐标式结构复杂， 设计难度大，且它们的生产成本相对较高。加上直角坐标机构定位精度高，结 构简单，各坐标轴运动相对独立，没有运动耦合，控制起来简单可靠，且相对 设计简单、成本较低，故在此选择直角坐标型机器人作为禽类开膛机器人的结 构形式。 三、 自由度的分析和实现 机器人的基本功能，归根结底在于按照预定位置和姿态驱动手部运动，从 而完成各种作业要求的动作。任何一个自由的空间物体，都具有六个自由度； 其中三个沿坐标轴的移动分量决定着物体的位置变化：另外三个绕坐标轴的转 动分量决定着物体的姿态变化。 机器人多为开链机构，每一个自由度都必须由一个电机单独驱动，同时必 须有一套相应的减速机构及控制线路，这就增) j 日- f 机器人的整体置量，加大了 结构尺寸，只有在特殊需要的场合，才考虑更多的自由度。因此，在能完成预 期动作的前提下，应尽量减少机器人自由度数目。 禽类开膛机器人系统研究 表2 2 各结构形式机械手特点比较 名称特点 机械手的手臂可沿直角坐标x 、y 、z 三个方向移 直角坐标式动，不能作回转运动。结构简单，动作直观，末端定 位精度高，使用维修和调整方便。但所占空间较大。 机械手的手臂有一绕z 轴回转运动和两个在正交 圆柱坐标式方向上的直线伸缩运动。其结构简单，动作直观，活 动范围较大，而占用的空间较小。但受z 轴位置的限 制，不易处理位置较低的物品。 机械手的手臂有一个绕基座轴的回转运动和一个 极坐标式绕轴的摆动动作，还可以在x 轴向作伸缩运动。其结 构复杂，但占用空间较小，动作范围大。 这种形式最接近人的手臂构造，它主要由多个回 转的关节所组成，一般采用电动机进行驱动，可完成 多种复杂的操作运动。占地面积小，作业空间大；各 多关节式关节运动列都是v 级回转副，易于制造，易于保证其 回转精度。为了提高臂的刚性，有时在大小臂与驱动 杆问形成千行四边形机构，并对小臂截面形状作提高 刚性处理，目前应用最多。 开膛机器人要完成禽类开膛作业，理论上( 如果待加工禽类是自由物体的话) 需要四个自由度，其中三个自由度是用于确定手腕的参考点的空间位置，另外一 个自由度用于确定开膛刀的姿态，使其与禽类的待加工表面垂直，保证开膛时不 致切歪，与视觉系统规划出的路径吻合。如果要按以上分析的话，必须设计制造 一个单自由度手腕，这样系统结构比较复杂，成本较高。因此在设计中，我们把 待加工的禽类固定在一块吊板( 或挂架) 上，然后使吊板( 或挂架) 在加工过程 中相对于开膛刀具保持相对姿态不变，这样也就限定了待加工的禽类的姿态，使 开膛刀在加工过程中与禽类的加工表面基本保持垂直。 至于如何使吊板( 或挂架) 在加工过程中保持姿态不变，目前主要有以下几 种方案： 方案一：另外配置一个固定机械手，可使用卡爪式或吸附式，用它固定吊板 ( 或挂架) ，在开膛作业时与机器人在x 方向保持同步运行： 方案二：开膛作业时使吊板( 或挂架) 沿着与机器人相对配置的辊道与机器 人在x 方向保持同步前进： 禽类开膛机器人系统研究 如果采用方案一，则系统的复杂程度和成本会大幅上升，但可控性较好，加 工时抗干扰性、稳定性好，适合大开膛作业；若采用方案二，由于开膛作业是从 上往下进行，时间较短，横向力很小，理论上是可行的，但加工时必须使机器人 和吊板( 或挂架) 保持严格的同步，适合小开膛作业。 综上所述，因为本课题以小开膛禽类作为加工对象，故以方案二为首选，这 样做的话机械本体只需要三个自由度，使系统的复杂程度和成本都相对降低，在 很大程度上提高了系统的可靠性和稳定性。 因此，下面的第三章主要讲述本体的结构设计，至于传输链及相关设备，如： 挂架等可以使用现有生产线上的设备或加以改进，参见图2 一l 。 图2 - 1 现有生产线的传输与悬挂设备 2 2 4 禽类开膛机器人的驱动装置 驱动装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构联成一体，下 面我们就对它们分别加以分析和确定： 一、禽类开膛机器人的驱动器 常用的驱动器有电动、液压、气动三种，其中电动装置的可控性、稳定性以 及对环境的适应性均比后两者要好( 如表2 3 所示) ，所以选用电动装置。电动 装置一般也有三种：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机，它们的优缺点如 表2 4 所示。 从控制角度出发，直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机均能满足要求。 直流伺服电机按转子结构分为小惯量和大惯量两种。小惯量电机的响应性能 禽类开膛机器人系统研究 好，但功率和转矩较小；大惯量电机的负载转矩和输出功率较大，调速范围也较 宽。由于电刷和换相片的存在，直流伺服电机须定时清扫，维护较为麻烦。 交流伺服电机分为同步型和异步型两类，在机电一体化系统种广泛使用的是 同步型。交流伺服电机调速范围宽，功率范围大，多为闭环控制，精度很高，但 价格昂贵。 步进电机也有反应式、永磁式和混合式三种，在步距角小、功率小及价格低 的场合宜选用反应式：在步距角大、运动速度低，对定位性能要求高的场合宜选 用永磁式；对既要求步距角，又要求定位性能好的场合，可选用混合式电机。 表2 3 机器人驱动的方式、特点比较”5 j m 内容电力式液压式 气压式 小到中等，一般可获得很大的回转 操纵力大小视气体压力 操纵力为回转力 力或直线运动的力而定 反应速度较快快 慢 定位精度一般较差较好 精确定位困难 尺寸范围宽动力装置占用空间 动力装置占用空间大 大 重量范围宽动力装置较重 动力装置重 过载安全性差，容易发热，易造成 不会发热，但要注意安 安全性 在一些场合要使火灾，但过载安全全压力，过载安全性好 用防爆措施 性高 可控性简单，较好 好，要做电一液转差，要做电一气转换 换 寿命 取茯于兀件长 较短 效率高 较高差 成本 一般 高较低 可用于程序复 主要用于中小型专用于中小型机械手，维 使用性 杂、自由度多的用机械手、重型机 修方便，环境适应性强 机械手，使用方械手，维修方便 便 对本系统来说，运动精度要求并不是很高。纵向和垂直方向的精度为5 m m ， 横向进给的精度可能略高些，约卜2 m m ，伺服电机的高精度在此处无用武之 地；另外，对调速性要求也不是很高，横向和垂直方向的速度仅为0 卜0 2 m s 。 纵向虽然瞬时速度较高( 约0 5 - l m s ) ，但主要是对开始和返回时的加( 减) 速 性有一定的要求，工作速度也仅为0 1 m s ，并不需要很宽的调速范围。 所以，选择步进电机作为纵向、横向和升降机构的驱动器。 禽类开膛机器人系统研究 表2 - 4 各类电动机优缺点比较 名称优点缺点 需要定时维护、 直流伺服电机启动转矩大，体积小，重量更换电刷，使用寿命 轻，转矩、转速易控制，效率高短、噪声大：转速低； 功率体积比不高 与直流伺服电 交流伺服电机不需要电刷、换向器机相比，价格较高， 且驱动电路复杂。 不需要传感器和反馈，可以能量效率较低， 实现开环控制；可以直接用数字失步( 输入脉冲而电 步进电机 信号控制，与计算机的接口比较机未动) 容易：没有电刷，维护方便；启 动、停止、正反转容易控制。 二、禽类开膛机器人的传动机构 机械系统中常用的传动方式主要有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、 液压与气压传动等，各自优缺点如表2 - 5 所示： 传动系统的选择程序一般是，根据使用要求考虑各类传动特点，初拟几种传 动方案，再按结构尺寸、重量、效率、可靠性和生产厂家的工艺装备、工艺水平， 以及生产批量等进行技术评价，从中选用较佳方案。 为确保系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动机构时，通常提出低摩 擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适当阻尼比的要求，在设计中必须 考虑到以下几点： ( 1 ) 转动惯量小、重量轻体积小、传动误差小： ( 2 ) 应尽量选用专业厂家生产的标准传动元件，以降低成本并提高可靠性； ( 3 ) 对小功率设各宜选用造价低廉的传动，以降低初始费用：对于大功率设 备宜选用效率较高的传动，以节约能源，降低运转费用； ( 4 ) 对长期运转的固定式设备应选用寿命长的传动：对移动式设备应选用结 构紧凑、重量轻的传动；对工作中可能出现过载的设备，在其传动系统 中应包含具有过载保护性能的传动。 禽类开膛机器人对定位精度有一定的要求，传动过程中不能存在相对滑动， 因此不能选用由摩擦力实现传动的机构，如带传动( q z 带、v 形带) ：而且它在 工作中常常需要急速反向，且瞬时传动比要求恒定，所以不宜采用链传动；液压 传动易泄漏，污染环境，不宜在肉类加工厂这种对卫生条件有特殊要求的环境下 使用：气压传动与液压传动原理相似，但由于空气的可压缩性，易产生爬行和自 禽类开膛机器人系统研究 表2 - 5 常用机械传动的类型、特点 名称优点缺点 轴间距范围大：工作平稳、噪 外形尺寸大；摩擦型带传动 音小；能缓冲、吸振；摩擦型 的传动比不恒定；不宜用于 带传动 带传动有过载保护作用；结构易燃易爆场合；轴上载荷 简单，成本低大；带的寿命短 无滑动，传动效率高；预紧力 安装对中心距要求较严且 小；允许的线速度高；带的柔价格较贵 同步带传动 性好；所用带轮的直径可以较 小：噪声小；不需要润滑；适 用于轴间距较大的轻载传动 能保持准确的平均传动比；传链速不均匀，高速不如带传 动效率高；作用于轴上的径向动平稳；工作时有噪音；只 压力较小；结构较为紧凑；能 能用于平行轴之间的传动； 在高温及速度极低的情况下工无过载保护：不宜在载荷变 链传动 作；成本低廉；轴间距范围大 化很大和急速反向的传动 中应用；长距离传动时易松 弛，需采用张紧机构 结构紧凑；寿命长；承载能力制造及安装精度要求高，价 和速度范围大：瞬时传动比恒格较贵；不宣用于传动距离 齿轮传动 定；工作可靠：效率高过大的场合：精度低时噪音 大：无过载保护作用 结构紧凑；传动平稳无噪声：制造和安装精度要求高，刀 单级传动比可很大；可制成自 具费用贵；需要昂贵的减摩 蜗杆传动 锁机构材料：普通蜗杆传动的效率 低；无过载保护作用 结构简单，加工方便，可摩擦阻力大，传动效率低， 制成自锁机构低速和微调时易出现爬行， 滑动螺旋传动 螺纹有侧向间隙，定位精度 和轴向刚度较差，磨损快。 摩擦阻力小，传动效率高；运结构复杂，制造较难：抗冲 转平稳，启动时无颤动，低速击性能较差。 滚动螺旋传动 时无爬行；定位精度和重复定 位精度很高；工作寿命长，不 易发生故障。 液压传动速度、转矩可无级调速；有减效率较低：传动比不准确： 振、隔振和过载保护作用；能液压传动低速时有爬行；气 气压传动 带负载起动；操作简单，易实 压传动需要压力气源，工作 现自动控制；易实现直线和旋时有噪声 转运动 禽类开膛机器人系统研究 走现象，故不易获得平稳的运动，也不易使活塞有精确的停止位置，因此也不宜 采用。 综上所述，比较合适的传动有同步带传动、齿轮传动和螺旋传动( 包括滚动 螺旋和滑动螺旋) ，下面进行具体的分析和选择： l 。x 向传动 整条生产线使用两条悬挂式变频调速传送链，传送链的运动方式有两种：步 进式和连续式。如采用步进式，机器人虽然不需要较长距离的跟踪机构，但也可 能需要一个短距离的x 向位置调整装置，且传送链的晃动较大，不利于机械手工 作；如采用连续式，则机器人结构较前者复杂，但生产效率较高。故确定采用连 续传送链。 x 向与禽类传输线的方向平行，该方向的传动机构要实现对在线待加工禽类 的跟踪，精度为_ + 5 m m ，可选用的有同步带传动和齿轮齿条传动两种。 同步带的价格较高，但是完全可以采用成熟的商业产品，可靠性很高，可以 加快样品开发的速度，而且它的维护工作量很小，不需要润滑。 齿轮齿条传动结构紧凑、承载能力和速度范围大、瞬时传动比恒定、工作可 靠、效率高，也可以采用。考虑到我们以前在玻屏跟踪移载机的类似机构上采用 了同步带传动并取得了较好的实际运行效果，此处仍然选用同步带传动。 2 y 向传动 y 方向的任务是实现横向进给，保证切入的深度，精度比x 向要高一些， 约为卜2 r m - n 。 系统对进给距离没有具体的要求，但在保证机器人安全的条件下，越短越好， 这也就要求传动机构的结构要很紧凑，故不宜采用同步带传动和齿轮齿条传动； 至于滚动螺旋和滑动螺旋之间，虽然滚动螺旋的结构复杂，成本较高，但考虑到 横向受力较小，使用滚动螺旋传动平稳、磨损小、寿命长( 一般比滑动螺旋传动 高5 6 倍) ，全寿命周期的成本并不算高，因此可以选用滚动螺旋传动作为y 方 向的传动机构。 3 z 向传动 z 方向的任务是实现从上到下的开膛作业，保证切入的长度，精度为5 m m 。 它的选择要求与y 方向类似，但考虑到自锁因素，此处选用滑动螺旋传动。 2 2 5 禽类开膛机器人的控制系统 机械系统初步设计完成以后，就可以着手进行控制系统的设计；当然在实践 中，机械和控制系统的设计是可以同步进行的。控制系统的设计范围很广，包括 计算机硬件电路、接口电路、控制算法以及相应的控制软件的具体设计，还有电 禽类开艟机器人系统研究 动机驱动电路的选购或设计。根据课题要求，本文只对控制系统进行方案选择和 总体规划，暂不进行具体设计。 根据系统功能要求和传感器的反馈信息，控制系统进行处理、运算和决策， 从而指挥和控制整个系统的运行，因此它可以说是整个系统的灵魂。 目前，通用p c 机的水平已经相当可观，但它仍然难以满足工业现场的苛刻 要求，与之相比，工控机则具有如下优点：丰富的过程输入输出性能、实时性、 高可靠性、优异的环境适应性等等。因此控制系统一般以工业控制微型计算机( 简 称工控机) 为核心，配以相应的软件和各种接口模块。 当前常用的工控机主要有表2 - 6 所示的几种，其性能、造价各不相同，可以 组成几种方案，详见第四章的有关分析。 表2 - 6 几种常用工控杌控制系统的性能比较m 1 类型 单片机 p i ，c工业p c 机d s p 项目 ( i p c ) 控制系统构成选购相应的产选购整机和接自行研制 自行研制品和扩展模块口板 一般的逻辑控逻辑控制为主，可组成较复杂功能较强，可 系统功能制和模拟控制也可组成模拟的控制系统完成一些复杂 量控制系统算法 硬件工作量多很少少多 执行速度快稍慢很快 快 软件工作量多少较多多 程序语言汇编语言或梯形图或高级高级语言为主汇编语言或 c 语言语言c 语言 通信功能自行研制选用通讯模块系统已提供自行研制 带负载功能差强较强较强 抗干扰功能较差很好好一般 可靠性较差很好好 好 环境适应性较差很好较好一般 价格低高较高较高 2 。2 6 禽类开膛机器人的感觉系统 机器人的感觉系统通常指的是它的外部传感器系统通过这些传感器，机器 人可以获得其所处环境的有关信息。 机器人是人类为了代替自身的劳动而生产制造出来的，研究机器人首先可以 禽类开艟机器人系统研究 从模仿人开始。当然，人的感觉机理不是简单地用物理传感器可以模仿的，尤其 是人的思维、推理方式等等，更是现有的人工智能难以达到或比拟的。研究人的 感觉也并非一味模仿人，更多的是如何满足实际需要，解决实际问题，比如机器 人并不需要人类那样的味觉。综合现有机器人的各种感觉及其对应的外部传感 器，大致可以按表2 7 来划分： 机器人感觉 表2 7机器人的各种感觉i ”1 视觉( 包括颜色、光强等) - t 广一平面视觉 l 一立体视觉 其它感觉 触觉 滑动觉 接近觉 热觉和温觉 力觉 听觉 嗅觉 味觉 禽类开膛机器人感觉系统主要包括视觉分系统、接近检测分系统和开膛力检 测分系统，所使用的传感器主要有视觉、接近觉和力觉传感器。 视觉分系统的任务是与其它传感器配合，对生产线上的待加工禽类进行图象 检测、路径规划，将所得的路径数据传递给控制系统，并通过控制系统来控制机 器人的驱动装置，从而驱动执行机构，最终完成开膛作业。 接近检测分系统检测刀具和待加工禽类的相对位置，以免加工之前两者相 碰：而开膛力检测分系统通过检测开膛力来确保高效加工，同时保证刀具的安全。 2 3 本章小结 本章主要论述了禽类开膛机器人的设计思想以及总体方案的确定( 参见表 2 7 ) ，分析了机械系统( 包括驱动装置和传动机构) 、控制系统和感觉系统的几 种方案并初步选择了其中可行性较强的加以进一步的研究。 初步确定禽类开膛机器人系统主体结构如图2 2 所示( 图中未画出辊道) ： 图2 - 2 禽类