基于关节机器人的禽蛋检测与分级机器人设计

基于关节机器人的禽蛋检测与分级机器人设计

0畜禽蛋分级和检测美国、日本和荷兰等国家的先进蛋产区通常配备完整的自动蛋收集设备和新鲜蛋处理系统。鸟类蛋产于输送线，送到验蛋机，去除破损的壳蛋，进入洗蛋机自动清洗，然后进入杀鸡蛋处理机，以便自动映射和干燥。然后进入养鸡场的自动检验机，进行自动检查和等级判断，并将鸡蛋作为一个整体进行处理。如荷兰Hot-Cheers公司推出的FPSMOBA计算机控制鸡蛋分级与包装机。该机还可以与脏蛋检测系统,裂缝检测系统,内部血斑、蛋壳颜色检测系统,紫外线杀菌系统配合使用。如果生产需要,还可以配备清洗、干燥和上油保护系统。禽蛋自动检测普遍使用的方法有光谱检测蛋内异物和蛋壳质量;用蛋的声学特性或振动特性检测蛋壳破损;用机器视觉和图像处理技术检测蛋的破损、新鲜度、孵化成活性和蛋的形状、大小及蛋壳表面污渍。在禽蛋的检测和分级过程中,自动上下料技术直接影响检测的效率、分级的准确性和检测过程中的破损率,发达国家产品往往配置全自动上料系统和与鸡舍相连的中心集蛋传输系统,但造价高,占地面积大。本文集成了机器视觉(判断每枚蛋的位置和方向)、机器人技术(运动、控制和执行)、基于声音信号的禽蛋破损检测系统,基于透射光(背光)照射下禽蛋图像特征的新鲜度和蛋的大小检测系统,开发出集检测、分级和柔性搬运于一体的禽蛋检测分级机器人系统(SystemofRobotforDetectingandGradingEggs,简称:SRDGE)。1工作任务检测为了实现在禽蛋检测和分级过程中的柔性搬运,用一个带气动吸盘末端执行器的5自由度关节机器人,将检测和分级系统各工作任务有机联系起来。SRDGE由机器视觉定位系统(含场景图像采集、处理、蛋位置特征值提取)、柔性搬运系统(含机器人运动子系统、控制子系统、执行子系统)、破损识别系统(含声音产生、采集、处理)和内部品质检测系统(含光源、彩色图像采集、图像处理)等组成(图1)。2运动控制策略禽蛋放置在场景摄像机视域下工作台的矩形区域内,场景摄像机摄起蛋的群体图像,经过图像处理,获得每枚蛋的中心坐标和长轴方向,将该数据经过坐标变换和机器人运动求解,获得机器人关节运动量,机械手带着气动吸盘运动到蛋的中心位置,调整位姿(机械手运动路线一),发送信号给气动吸盘单片机控制器,启动真空吸附气路,将蛋吸取。机器人根据规划好的运动轨迹,将蛋搬运到蛋壳敲击装置上方(机械手运动路线二),蛋壳被敲击发出声音,麦克风采集该声音信号,送DSP系统处理,运用相应识别模型判断蛋的破损,将识别结果传递给机器人运动控制器,如果是破损蛋,就放到破损蛋箱(机械手运动路线三);如果不是破损蛋,机械手运动到彩色摄像头前(机械手运动路线四),获得蛋内容物彩色图像,经过图像处理,按相应识别模型判断蛋的新鲜度,按新鲜度分级,将分级信息传递给机器人运动控制器,控制机械手将蛋放入相应等级的蛋箱中(机械手运动路线五),图2为系统的工作过程。3配置和参数选择srd3.1系统硬件组成工作台上的禽蛋处于杂乱无章状态,机器人必须通过机器视觉子系统,实时摄取这种状态的图像,经过图像处理(摄像机标定、图像与背景分割、禽蛋个体分割、个体标识、特征值提取等),定位每一枚蛋的中心坐标和长轴方向,引导机器人末端执行器到达指定位置。系统硬件由CCD摄像机、图像采集卡、图像显示卡及计算机等设备构成。采用黑白CCD摄像机,其成像器件为LG1/3″CCD,系统信号为PAL制式,感光面积4.9mm×3.7mm,其扫描频率为:15.625kHz(水平)和50Hz(垂直),像素500×582。图像采集卡采用图码公司生产的天敏SDK-2000视频采集卡,该卡基于PCI总线,其最大显示分辨率为640×480、24bit真彩,采样频率为PAL制14.7MHz,使用复合视频端子输入。载入其自带的二次开发包,使用WindowsVFW软件架构设计采集程序。3.2moveswell-em机器人研究中使用华中科技大学智能机器人研究所MoveMaster-EX机器人,该机器人为日本制造的一种精密轻型5自由度开链连杆式通用机器人,其主要技术参数见表1。3.3运动控制器接口设计本研究选用DeltaTau公司开发的开放结构PMAC运动控制器,每卡最多可以同步控制8-32个运动轴,并且可以并连使用,实现多轴协调运动。其核心由Motorala的DSP56K数字信号处理器和FPGA组成,可以实现高性能的控制计算。本研究选择PCI总线和RS232串行通讯接口。使用运动控制器提供的C语言函数库和Windows动态连接库,将这些控制函数与本控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起,构造符合禽蛋检测分级运动要求的控制系统。首先上电计算机电源、驱动器电源、端子板电源;运行PEWIN.exe;在菜单栏选择“基础参数设置”界面;在“运动控卡选择”栏,打开下拉菜单,选择要操作的卡号;设置“行程开关触发电平”;设置“编码器方向”;设置控制周期,运动控制卡缺省的控制周期是200μs。设置250μs的控制周期。3.4盘替换虾夹头末端执行器由于本课题的搬运对象是极易破碎的禽蛋,为此选用硅橡胶制作的真空吸盘替换原装两瓣半圆形的夹头末端执行器,吸盘参数为盘径:20mm;座径:16mm;孔径:10mm;高度:26mm。真空吸盘的气路控制采用AT89S52单片机控制(图3),以实现蛋的吸起和放下。3.5dsp控制回路蛋壳受到敲击后发出声音信号,此信号由麦克风将其转换为电信号,电信号经过放大、滤波后,再经过阀值触发电路进入到DSP(TMS320VC33)的中断口,DSP受理此中断信号,启动A/D转换器,A/D转换器对经过滤波后的信号进行采样﹑保持﹑量化﹑编码,转换成数字信号。DSP主频为75MHz,指令周期为13ns,浮点运算能力可达150MFLOPS,流水线深度为四级,采用了内部1.8V、外部3.3V供电,功耗低于200mW。DSP通过软件对输入的数字信号进行数字滤波、FFT变换及频谱分析等,然后根据相应的判别模型判别出好壳蛋和破损蛋,判别结果由DSP系统通过JTAG接口与PC机通信,PC机根据判别结果选择机械手的运动路线。3.6内部质量分析系统该系统主要应用图像处理方法检测禽蛋新鲜度、蛋芯颜色和蛋的大小。硬件设备由灯箱、彩色摄像头、图像采集卡、PC计算机等组成。3.7运动控制卡有助于快速通信系统采用一台PC计算机(CPU主频2000MHz,内存DDRII1024M,华硕M2A-VMHDMI主板)为上位机,主板PCI插槽上插入天敏SDK-2000视频采集卡、DH-VRT-CG200型图像采集卡和PMAC运动控制卡,通过串口与AT89S52单片机通信,通过USB口与DSP通信。上位机与两块图像采集卡和运动控制卡为整体式结构,与单片机和DSP等下位机为分布式结构。整个检测和分级流程为顺序控制,图像分别由两块图像采集卡采集并在卡内缓存,电磁阀动作由单片机控制,声音信号处理由DSP完成,机器人运动规划和误差补偿由运动控制卡实现,上位机只完成场景图像处理、彩色图像处理、与下位机通信和机械手运动路线一、二的计算,运动路线三、四为固定路径,运动路线五为四条固定路径,按蛋的品质等级选择。4系统处理运行情况试验中,人工将40枚鸭蛋随机放置在场景摄像机视域下工作台的矩形区域内,其中有10枚鸭蛋被人为打破成不同程度的破损。由于机器人运动采用轨迹规划插补算法,处理每枚蛋的时间不尽相同,破损蛋最长处理时间1.8s,未破损蛋最长处理时间2.3s,系统平均处理处理时间为1.5s/枚。其中,禽蛋定位时间约200ms,视觉定位精度<1mm(机器人重复定位精度0.05mm)。在真空度-0.075MPa以下吸附可靠,在-0.06~0.075MPa之间,当蛋破损严重,吸盘边缘正好接触裂纹,机械手加速转动时,试验中有蛋跌落记录。系统连续运行8h,重复启动50次工作均正常。试验时鸭蛋为人工放置,实际应用中可以与集蛋装置配合使用,以提高工作效率。5srdge的系统性能指标1)开发了一套实现全程自动化禽蛋检测和分级的集成系统,即SRDGE,该系统改变了已有的自动化禽