基于觸覺(jué)感知的家禽凈膛機(jī)械手及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熊利榮，鄭 偉，羅舒豪

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)的家禽養(yǎng)殖業(yè)得到迅猛的發(fā)展，綜合生產(chǎn)能力顯著增強(qiáng)，禽肉的消費(fèi)量以每年5%～10%的速度持續(xù)增長(zhǎng)[1-2]。自動(dòng)凈膛技術(shù)是家禽屠宰加工過(guò)程當(dāng)中關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是目前制約中國(guó)禽類(lèi)屠宰加工行業(yè)向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；较虬l(fā)展的瓶頸問(wèn)題。凈膛作業(yè)主要分為自動(dòng)聯(lián)合作業(yè)和人工輔助流水線(xiàn)生產(chǎn) 2種作業(yè)方式[3-4]，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的大型家禽屠宰生產(chǎn)線(xiàn)基本采用自動(dòng)聯(lián)合作業(yè)裝置。由于自動(dòng)取內(nèi)臟聯(lián)合作業(yè)凈膛設(shè)備引進(jìn)成本比較高，中國(guó)只有少數(shù)企業(yè)引進(jìn)該類(lèi)裝置，其他均采用人工輔助流水線(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)，該模式存在許多弊端。利用人工進(jìn)行凈膛，基于人手極為靈活的特點(diǎn)，雖然凈膛效果很好，但工作效率很低，工作量很大。凈膛作業(yè)的工作環(huán)境也相對(duì)復(fù)雜，會(huì)對(duì)人的身體造成一定的傷害。另外人工生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能由于工人的疏忽或錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致凈膛作業(yè)時(shí)禽體或內(nèi)臟受到污染，甚至導(dǎo)致疾病的傳播，食品安全存在隱患。機(jī)器人智能化的不斷發(fā)展，為自主研發(fā)性?xún)r(jià)比高的家禽自動(dòng)凈膛設(shè)備提供了契機(jī)，使家禽屠宰領(lǐng)域潛在的市場(chǎng)價(jià)值得到挖掘。

家禽的自動(dòng)凈膛技術(shù)是家禽屠宰加工過(guò)程中重要的技術(shù)手段，隨著凈膛機(jī)械手的發(fā)展，凈膛方式也在不斷更新[5-6]。根據(jù)取內(nèi)臟方式的差異，可以分為扒取式、挖取式和夾取式 3種凈膛機(jī)械手，是目前家禽屠宰加工行業(yè)運(yùn)用最為廣泛的幾種取內(nèi)臟的方式[7-10]，由于凈膛過(guò)程中夾取式凈膛機(jī)械手對(duì)內(nèi)臟破損較小的特點(diǎn)，故成為目前研究的主要方向之一。王猛[11]根據(jù)家禽腹腔輪廓曲線(xiàn)對(duì)夾取式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了凈膛要求。王麗紅[12]以扒取式取內(nèi)臟方式開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)取內(nèi)臟機(jī)，并得到了較好的凈膛效果。

目前取內(nèi)臟的方式主要是利用特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互配合形成固定的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)執(zhí)行機(jī)械手的凈膛動(dòng)作，而且該設(shè)備對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和尺寸精度要求也比較高，同時(shí)這類(lèi)掏膛方式對(duì)家禽肉質(zhì)和內(nèi)臟的破壞也較大。

基于國(guó)內(nèi)掏膛機(jī)械手自動(dòng)化程度相對(duì)低下、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜單一且掏膛過(guò)程中內(nèi)臟容易受破損的現(xiàn)狀，在吸收和消化現(xiàn)有的凈膛設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)上，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)一套在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)下，根據(jù)內(nèi)臟的位置和所能承受的壓力大小，實(shí)時(shí)改變機(jī)械手抓緊力度的夾取式凈膛機(jī)械手控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)凈膛過(guò)程的自動(dòng)化，以保證凈膛效果，減少了內(nèi)臟的破損。

1 機(jī)械手與控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手與控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。該系統(tǒng)由機(jī)械手、可調(diào)節(jié)升降肉雞固定裝置、控制柜、試驗(yàn)臺(tái)以及計(jì)算機(jī)組成?？刂乒癜⊿TM32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、降壓模塊、壓阻轉(zhuǎn)換模塊等電氣元件。4根壓阻式薄膜傳感器安裝在手指內(nèi)側(cè)、機(jī)械手爪與機(jī)械臂構(gòu)成了凈膛機(jī)械手。

上位機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口向STM32單片機(jī)發(fā)送機(jī)械手控制指令，STM32單片機(jī)接受指令分析并處理數(shù)據(jù)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行凈膛動(dòng)作。系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集機(jī)械手爪上的壓力，將得到的壓力值與設(shè)定的內(nèi)臟壓力閾值比較，若壓力大于設(shè)定值，機(jī)械手爪張開(kāi)一定角度，若壓力小于設(shè)定值，機(jī)械手爪執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)定的初始值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)手爪壓力的目的。

試驗(yàn)前對(duì)機(jī)械手進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置，包括對(duì)機(jī)械臂 3軸各方向上位置的初始化，對(duì)機(jī)械手爪原始張開(kāi)位置的初始化，以及對(duì)機(jī)械手爪閉合位置的參數(shù)設(shè)置。調(diào)試系統(tǒng)，調(diào)整好掛鉤上肉雞內(nèi)臟的位置，確保機(jī)械手能夠自動(dòng)定點(diǎn)抓取到內(nèi)臟。

圖1 家禽凈膛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of poultry evisceration system

1.2 機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)

機(jī)械手爪整體為對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)由電機(jī)固定架固定，電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸器與螺桿相連。螺桿和滑塊之間為絲杠傳動(dòng)，滑塊與機(jī)械手手指之間通過(guò)連桿連接，能把滑塊的推力傳遞到手指上，控制機(jī)械手爪上步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，就能分別控制手指的張角和抓取或松開(kāi)速度。機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2a所示。

根據(jù)家禽腹腔造型，將手指的 3指節(jié)長(zhǎng)度分別定為32、18、16 mm，相鄰2指節(jié)的角度分別定為160°和150°。手指[13]由相對(duì)比較柔軟的樹(shù)脂材料加工而成，其他部分采用鋼材料進(jìn)行加工與裝配。手指的具體參數(shù)如圖2b所示。

圖2 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)及參數(shù)Fig.2 Structure and parameters of mechanical paw

1.3 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

按照機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式，將機(jī)械臂分為關(guān)節(jié)型機(jī)械臂和非關(guān)節(jié)型機(jī)械臂[14-15]。關(guān)節(jié)型機(jī)械臂一般是由移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行不同形式的組合而組成的，最常用的機(jī)械臂就是直角坐標(biāo)型和開(kāi)鏈連桿式關(guān)節(jié)型機(jī)械臂[16-18]。

考慮機(jī)械手爪先抓取內(nèi)臟然后將內(nèi)臟直接拉出的凈膛動(dòng)作和設(shè)計(jì)成本，本系統(tǒng)選擇空間直角坐標(biāo)系下的機(jī)械臂作為機(jī)械手的主體，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of mechanical arm

該機(jī)械臂滿(mǎn)足笛卡爾空間直角坐標(biāo)系，它的運(yùn)動(dòng)是由X，Y，Z三軸方向上的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)組成，為滿(mǎn)足內(nèi)臟拉出的行程要求，將X，Y，Z各軸的有效行程分別為300、600和400 mm。通過(guò)絲桿傳動(dòng)，各臂分別沿著自身所在坐標(biāo)軸方向上做前進(jìn)、升降和伸縮運(yùn)動(dòng)。

1.4 主控芯片的選型

本控制系統(tǒng)選用 STM32ZET6型號(hào)的單片機(jī)作為主控芯片，該芯片是ARM公司的CortexM3內(nèi)核的處理器。

1）該芯片內(nèi)部時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，具有5個(gè)串口、1個(gè)USB接口以及3組共18路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC（analog-to-digital converter）。利用內(nèi)部的ADC能對(duì)外部電路中的電壓等模擬量進(jìn)行高精度采集，而且可以是多通道ADC同時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)。

2）具有2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器。高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生7路的PWM輸出。而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生4路的PWM輸出，STM32最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM輸出，更利于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制[19-21]。

本機(jī)械手控制系統(tǒng)只需4路PWM輸出控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)，利用單片機(jī)自帶ADC的4個(gè)通道進(jìn)行壓力采集，故該型號(hào)的單片機(jī)能滿(mǎn)足實(shí)際控制要求。

1.5 觸覺(jué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)電路搭建

1.5.1 壓阻式薄膜傳感器

本系統(tǒng)將4根安裝在機(jī)械手爪手指內(nèi)側(cè)的RFP-6系列 601型號(hào)的壓阻式薄膜傳感器作為手爪的觸覺(jué)感知部件。該傳感器敏感區(qū)域直徑為7 mm，量程為10 N。當(dāng)傳感器上壓力變大時(shí)，電阻值變小。反之，當(dāng)壓力變小時(shí)，電阻值會(huì)變大。

實(shí)際中所用的4根傳感器的電阻-壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖 4所示，該關(guān)系曲線(xiàn)是在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的壓力標(biāo)定測(cè)試所得到的。

圖4 壓阻式薄膜傳感器載荷-電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Corresponding relation curve of load and resistance of piezoresistive film sensor

1.5.2 壓力采集電路的搭建

壓阻式薄膜壓力傳感器輸出信號(hào)為電阻信號(hào)，轉(zhuǎn)換模塊的作用是將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于采集的模擬電壓信號(hào)。將4根傳感器分別與4個(gè)模塊的傳感器接口連接（不分正負(fù)極），即完成如圖5所示的壓力信號(hào)采集電路的搭建。

圖5 壓力信號(hào)采集電路示意圖Fig.5 Diagram of pressure signal acquisition circuit

將轉(zhuǎn)換模塊VCC端供3.3 V電壓，GND端接地，模擬電壓輸出AO端與對(duì)單片機(jī)進(jìn)行ADC初始配置的對(duì)應(yīng)通用輸入輸出GPIO（general purpose input output）口對(duì)接，就可以測(cè)定傳感器力的變化所對(duì)應(yīng)的電壓值。

設(shè)壓力傳感器的阻值為 Rs，模擬電壓輸出口電壓為Vout，則傳感器的電阻值Rs為

根據(jù)上位機(jī)接收的電壓值outV 可以得到Rs的值，通過(guò)壓阻式薄膜傳感器的壓力與電阻的特性曲線(xiàn)即可得到對(duì)應(yīng)的壓力值。

1.5.3 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)角位移的執(zhí)行元件[22-24]。根據(jù)機(jī)械臂各軸及機(jī)械手爪的負(fù)載，選擇相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main technical parameters of stepping motor

本系統(tǒng)采用 TB6600型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，是一款專(zhuān)業(yè)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，接口采用高速光耦隔離，具有抗高頻干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[25]。

1.5.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接

本系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間采用共陰極接法，為了保證機(jī)械手在安全的行程中運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂的X、Y、Z 軸方向上的兩側(cè)均安裝有限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的一端接在驅(qū)動(dòng)器EN+的一端，另一端接在+5 V電源上。步進(jìn)電機(jī)、STM32單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和電源的系統(tǒng)接線(xiàn)如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖Fig.6 Schematic diagram of driver circuit of stepping motor

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括掏膛機(jī)械手控制界面和基于keil5開(kāi)發(fā)的控制程序 2大部分。其中控制程序又包括ADC壓力采集程序和控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行程序。

STM32單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生占空比為50%的PWM信號(hào)，上位機(jī)通過(guò)串口向下位機(jī)發(fā)送不同數(shù)據(jù)，使能定時(shí)器的時(shí)鐘控制對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)，ADC實(shí)時(shí)采集手爪上的壓力，最后達(dá)到機(jī)械手自動(dòng)掏膛的目的。系統(tǒng)控制的流程圖如圖7所示。

圖7 自動(dòng)控制模式流程圖Fig.7 Flow chart of automatic control mode

2.1 STM32單片機(jī)PWM輸出

STM32具有豐富的定時(shí)器資源，利用4個(gè)通用定時(shí)器分別產(chǎn)生4路PWM輸出，每路PWM輸出分別控制機(jī)械臂X、Y、Z軸方向和機(jī)械手爪的步進(jìn)電機(jī)。為了產(chǎn)生PWM輸出，必須對(duì)相應(yīng)的定時(shí)器功能進(jìn)行初始化配置，包括GPIO的初始化、定時(shí)器的初始化、定時(shí)器PWM輸出通道的初始化和使能定時(shí)器等。

2.2 ADC壓力采集實(shí)現(xiàn)

STM32ZET6單片機(jī)包含ADC1、ADC2和ADC3三個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都包含十幾個(gè)通道，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)模擬量同時(shí)進(jìn)行采集。

本系統(tǒng)選擇ADC1的通道0、通道2、通道4和通道5共 4個(gè)通道對(duì)電壓模擬量進(jìn)行采集，各通道所對(duì)應(yīng)的GPIO 端口分別為 PA0、PA2、PA4和 PA5。首先利用Adc_Init()函數(shù)進(jìn)行初始化，包括ADC1對(duì)應(yīng)通道的GPIO初始化、設(shè)置ADC的工作模式、轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式、設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換的通道模式等。ADC初始化部分代碼為：

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Indepen dent;//ADC工作在獨(dú)立模式

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE;//模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單通道模式

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DIS ABLE;//模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單次轉(zhuǎn)換模式

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_Ext ernalTrigConv_None; //轉(zhuǎn)換由軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng)

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //ADC數(shù)據(jù)右對(duì)齊

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;//順序進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)換的ADC通道的數(shù)目

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);//初始化外設(shè)ADC1的寄存器

利用Get_Adc()函數(shù)設(shè)置ADC1的規(guī)則通道、采樣時(shí)間等參數(shù)，最后利用Get_Adc_Average()函數(shù)對(duì)Get_Adc()獲取的電壓值取10次的平均值，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

Qt Creator是一個(gè)跨平臺(tái)的、完整的Qt集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）[26-28]。信號(hào)槽機(jī)制是 Qt的一個(gè)中心特征并且是Qt與其他工具包的最不相同的部分[29-30]，本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面就是基于其信號(hào)槽機(jī)制編寫(xiě)的，控制界面如圖8所示。

該界面主要由串口、顯示框、自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和運(yùn)行控制 5個(gè)部分組成。在操作掏膛機(jī)械手控制界面時(shí)，應(yīng)通過(guò)串口數(shù)據(jù)線(xiàn)將PC機(jī)與STM32單片機(jī)進(jìn)行連接，保證能搜索到相應(yīng)的串口號(hào)，然后選擇正確的串口序列號(hào)，點(diǎn)擊“打開(kāi)串口”按鈕使上位機(jī)與下位機(jī)通信端口正常連接，點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置后，此時(shí)就可以對(duì)控制界面進(jìn)行操作。

圖8 控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面Fig.8 Human-computer interactive interface of control system

通過(guò)上述的串口設(shè)置后，自動(dòng)模式下，只需要在“Line edit”框中輸入機(jī)械臂X、Y、Z軸各方向需要運(yùn)動(dòng)的距離，然后點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕就可以對(duì)機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的控制。在手動(dòng)模式下，只需要點(diǎn)擊控制機(jī)械臂或是機(jī)械手爪的相應(yīng)按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的點(diǎn)動(dòng)操作。

以 X軸方向的“左”按鈕為例，該按鈕的對(duì)象名為left_Button，當(dāng)按壓該按鈕時(shí)，會(huì)執(zhí)行void Main Window::on_left_Button_pressed()函數(shù)，當(dāng)松開(kāi)按鈕時(shí)，執(zhí)行 void MainWindow::on_left_released()函數(shù)，兩種狀態(tài)的執(zhí)行代碼如下：

3 系統(tǒng)測(cè)試及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 壓力閾值測(cè)定試驗(yàn)與凈膛試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)材料

在農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)24只現(xiàn)場(chǎng)屠宰且經(jīng)過(guò)脫毛、放血、割肛等工序的新鮮肉雞，肉雞的質(zhì)量在1.3～1.7 kg之間，無(wú)斷腿和斷翅，健康狀態(tài)良好。

3.1.2 試驗(yàn)方法

將肉雞倒掛在掛鉤上進(jìn)行家禽自動(dòng)取內(nèi)臟試驗(yàn)。以12只肉雞為一組，共進(jìn)行2組試驗(yàn)。

1）確定內(nèi)臟壓力閾值Fave

每一次抓取內(nèi)臟試驗(yàn)都使機(jī)械手爪從原始張開(kāi)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到機(jī)械手爪完全抓緊閉合，獲取壓力采集系統(tǒng)保存的機(jī)械手爪處于完全閉合時(shí)機(jī)械手爪上 4根傳感器中的最大壓力值。本試驗(yàn)以第1組肉雞為對(duì)象，對(duì)12次試驗(yàn)中的壓力值取平均值，并將平均值作為內(nèi)臟臨界壓力值，即內(nèi)臟壓力閾值Fave。觀察內(nèi)臟的破損情況，計(jì)算內(nèi)臟凈膛率。

2）凈膛試驗(yàn)

將內(nèi)臟壓力閾值Fave在程序中進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)機(jī)械手爪的力大于臨界壓力值時(shí)，說(shuō)明機(jī)械手爪對(duì)內(nèi)臟的壓力過(guò)大，單片機(jī)執(zhí)行這一條件下的程序，控制機(jī)械手爪步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使機(jī)械手爪張開(kāi)一定角度，從而達(dá)到控制機(jī)械手爪抓力的目的。抓取過(guò)程中，若壓力沒(méi)達(dá)到臨界值，機(jī)械手爪則完全閉合，保證內(nèi)臟不至于脫落。本試驗(yàn)以第2組肉雞為對(duì)象，觀察內(nèi)臟的破損、評(píng)價(jià)凈膛效果。

3.2 測(cè)試指標(biāo)

1）肉雞內(nèi)臟破損程度的評(píng)定

內(nèi)臟的破損程度采用10分制進(jìn)行評(píng)定。家禽內(nèi)臟主要包括肝臟、心臟、腎臟、脾臟、以及一些消化道和腸道等[31]。為了評(píng)定內(nèi)臟的破損情況，主要是對(duì)肝臟和心臟等易破損的器官進(jìn)行評(píng)定，將肝臟和心臟的得分權(quán)重設(shè)置為50%和 30%，其他組織合計(jì)在一個(gè)對(duì)象中一起評(píng)定，并將得分權(quán)重設(shè)置為 20%。最后將肝臟、心臟和其他組織這 3項(xiàng)評(píng)定對(duì)象的總分作為肉雞內(nèi)臟破損程度的評(píng)定值，具體方法如表2所示。

表2 內(nèi)臟破損情況的權(quán)重值Table 2 Weights of poultry entrails damage

2）肉雞內(nèi)臟凈膛率的評(píng)定

內(nèi)臟的凈膛率主要用來(lái)表征機(jī)械手取內(nèi)臟時(shí)的凈膛程度，也是衡量機(jī)械手性能的一個(gè)重要指標(biāo)。凈膛率λ（%）

式中λ為凈膛率，%；m為掏出內(nèi)臟的質(zhì)量，g；M為內(nèi)臟的總質(zhì)量，g。

4 結(jié)果與分析

4.1 內(nèi)臟壓力閾值測(cè)定結(jié)果

對(duì)第 1組肉雞進(jìn)行內(nèi)臟壓力閾值的確定試驗(yàn)，得到如表 3所示的結(jié)果?？梢缘玫綑C(jī)械手爪上的平均抓力為7.7 N，內(nèi)臟破損得分平均值為4.75分，凈膛率平均值為87.9%。

表3 確定內(nèi)臟壓力閾值試驗(yàn)Table 3 Test of determining entrails pressure threshold

4.2 凈膛試驗(yàn)結(jié)果

將內(nèi)臟臨界壓力值設(shè)定為7.7 N，以第2組肉雞為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行一定臨界值壓力下的凈膛試驗(yàn)，得到如表4所示的結(jié)果。從表中可以得到內(nèi)臟破損得分平均值為 4分，凈膛率平均值為87.4%。

表4 內(nèi)臟壓力閾值自動(dòng)控制模式下的凈膛試驗(yàn)Table 4 Taking entrails test in pressure threshold and automatic control mode

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表 3可知，質(zhì)量相差較大的肉雞，機(jī)械手爪上的力度也相差較大，一般質(zhì)量大的機(jī)械手爪上的力度較大。內(nèi)臟壓力閾值Fave=7.7 N下，帶觸覺(jué)系統(tǒng)機(jī)械手凈膛試驗(yàn)的內(nèi)臟破損得分為4，且凈膛率87.4%。不帶觸覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)械手爪完全閉合抓取內(nèi)臟時(shí)，內(nèi)臟破損得分為 4.75，且凈膛率為87.9%，可以得到帶觸覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)械手爪對(duì)內(nèi)臟的破損更小，但凈膛率相差不大。

一般情況下，肉雞的體型越大，內(nèi)臟中的器官就越大。由于機(jī)械手爪完全閉合時(shí)的包絡(luò)空間是一定的，在抓取體型較大的肉雞內(nèi)臟時(shí)，無(wú)疑會(huì)使機(jī)械手爪上的壓力變大，在拉出內(nèi)臟的過(guò)程中，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)臟的一些部位單點(diǎn)受力較大，從而致使內(nèi)臟的破損相對(duì)較大。而設(shè)定內(nèi)臟壓力閾值后，當(dāng)手爪上的壓力大于閾值時(shí)，機(jī)械手爪會(huì)張開(kāi)一個(gè)設(shè)定的小角度，控制機(jī)械手爪上的力度，使壓力不至于過(guò)大，掏內(nèi)臟時(shí)，內(nèi)臟會(huì)慢慢地在機(jī)械手指上有略微的滑動(dòng)，起到了緩沖作用，分散了內(nèi)臟上的集中應(yīng)力，故內(nèi)臟的破損相對(duì)會(huì)小些。

5 結(jié) 論

該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心控制器，以壓阻式薄膜傳感器作為機(jī)械手爪的觸覺(jué)部分，以Qt軟件編寫(xiě)的控制界面作為上位機(jī)，探索設(shè)計(jì)出了一套全自動(dòng)化的凈膛機(jī)械手。對(duì)凈膛機(jī)械手的機(jī)械手爪進(jìn)行了構(gòu)思和設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)確定了內(nèi)臟壓力閾值，利用傳感器實(shí)時(shí)采集凈膛過(guò)程中機(jī)械手爪對(duì)內(nèi)臟的壓力并根據(jù)壓力改變機(jī)械手爪的抓緊力度，達(dá)到減小內(nèi)臟破損的目的。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)可知，具有觸覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)械手內(nèi)臟破損得分為4，凈膛率為87.4%，不帶觸覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)械手爪完全閉合抓取內(nèi)臟時(shí)，內(nèi)臟破損得分為4.75，且凈膛率為87.9%，可以得到帶觸覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)械手爪對(duì)內(nèi)臟的破損更小，但凈膛率相差不大。且性能較為穩(wěn)定，能很好地實(shí)現(xiàn)凈膛動(dòng)作，凈膛效果基本可以滿(mǎn)足家禽掏膛生產(chǎn)要求。

在后續(xù)的研究中，可以對(duì)機(jī)械手爪做進(jìn)一步的優(yōu)化或改進(jìn)，以便更好地適應(yīng)內(nèi)臟的抓取動(dòng)作，另外，可以在手爪安裝多點(diǎn)壓力傳感器進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)和采集，以提高壓力采集精度。

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