湯勺自動分揀機器人系統(tǒng)設(shè)計研究

祁劍峰

（百特（福建）智能裝備科技有限公司，福建 三明 35300）

0 引 言

目前，我國一次性成套消毒餐具再回收包裝生產(chǎn)線，主要包括餐具的清洗、烘干、分揀、組裝及包裝等工藝。其中，清洗、烘干、包裝已實現(xiàn)自動化，而分揀、組裝仍由人工完成[1]。存在工人勞動強度大、生產(chǎn)效率低、餐具易被二次污染等一系列問題，無法滿足市場需求。目前，國內(nèi)尚無關(guān)于餐具分揀、整理、組裝和包裝等多功能集成的全自動化生產(chǎn)線投入使用的報道。

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)用工成本快速增加和響應(yīng)國家對工業(yè)自動化升級的號召，自動化生產(chǎn)線越來越多地應(yīng)用到各類生產(chǎn)行業(yè)中。針對消毒餐具行業(yè)來說，因其自動化程度低和市場準(zhǔn)入門檻低等問題，低效的人工作坊式的消毒餐具包裝生產(chǎn)線因衛(wèi)生問題引起消費者的詬病和相關(guān)職能部門的關(guān)注，自動化消毒餐具生產(chǎn)線具有廣闊的市場應(yīng)用前景。湯勺作為消毒餐具中必備的單品之一，湯勺的形狀與其他對稱的餐具單品例如半球狀碗類、扁平狀盤子類、圓柱狀杯子類均不同，湯勺為不規(guī)則餐具。

1 湯勺分揀機構(gòu)系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)針對平底小湯勺設(shè)計，具體形狀如圖1所示，湯勺的穩(wěn)定姿態(tài)為兩種，湯勺的盛物口朝上或者朝下的姿態(tài)。

圖1 湯勺俯視姿態(tài)

現(xiàn)有的餐具清洗干燥工序一般將所有種類的餐具單品（筷子除外）集中處理，不預(yù)先按照餐具種類進(jìn)行分類處理，只有極少數(shù)消毒餐具包裝線在清洗前進(jìn)行分類處理。所以對于干燥后的消毒餐具，第一步是從餐具中篩選出湯勺，如圖2 所示，湯勺分揀機構(gòu)系統(tǒng)包括輸送裝置、篩選裝置、機器視覺系統(tǒng)、工業(yè)機器人、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和控制系統(tǒng)等6 個子系統(tǒng)。機器視覺子系統(tǒng)的硬件部分由智能相機、鏡頭、光源、相機支架等組成。工業(yè)機器人子系統(tǒng)由機器人本體、機器人控制器、示教盒及末端執(zhí)行器等部分組成，末端執(zhí)行器需要根據(jù)湯勺進(jìn)行專門設(shè)計與制造。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)子系統(tǒng)針對湯勺進(jìn)行專門設(shè)計與制造?？刂谱酉到y(tǒng)由系統(tǒng)控制柜、HMI 人機界面及分布在系統(tǒng)中的各傳感器、電磁閥等低壓電器組成，其中，系統(tǒng)控制柜以PLC 為核心來構(gòu)建[2]。

圖2 湯勺分揀機構(gòu)系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)工作原理

湯勺自動分揀機器人系統(tǒng)是通過各子系統(tǒng)相互配合來完成分揀作業(yè)的。首先，輸送裝置貫穿整個分揀系統(tǒng)，輸送裝置用于帶動湯勺依次經(jīng)過各自子系統(tǒng)，輸送裝置設(shè)置成多段寬度不同的輸送線以調(diào)節(jié)輸送節(jié)拍，湯勺篩選裝置[3]從餐具中篩選湯勺，機器視覺子系統(tǒng)采集輸送裝置上湯勺圖像，在線采集圖像，利用二次開發(fā)的圖像處理程序?qū)D像進(jìn)行處理，得到湯勺定位坐標(biāo)信息和姿態(tài)信息，完成湯勺的識別定位和姿態(tài)識別，然后，PLC 與工業(yè)機器人通信，工業(yè)機器人根據(jù)接收到的定位坐標(biāo)信息及即定的路徑，通過末端執(zhí)行器完成湯勺的拾取，隨后末端執(zhí)行器根據(jù)視覺檢測系統(tǒng)傳遞的姿態(tài)信息將湯勺放置到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上或者直接放置到輸送裝置上，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)對湯勺進(jìn)行翻轉(zhuǎn)后放置到輸送裝置上。最后，工業(yè)機器人各活動臂及末端執(zhí)行器各氣缸回到原點位置，進(jìn)入下一個工作循環(huán)。同時，系統(tǒng)設(shè)計有實時監(jiān)控系統(tǒng)，在湯勺分揀出現(xiàn)異常時進(jìn)行相應(yīng)的操作；系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理

2 湯勺分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 湯勺篩選裝置的設(shè)計

湯勺與其他餐具的區(qū)別在于：湯勺為長條狀且沿其長度方向的橫截面面積最小?；谶^濾篩選的原理將湯勺從餐具中分離出來。湯勺篩選裝置包括滾筒輸送線組裝，滾筒輸送線的前后兩端滾筒均開有多個間隔均勻的凹槽，多組圓皮帶平行設(shè)置且其兩端分別嵌套在前后兩端滾筒的凹槽中，圓皮帶將滾筒分隔成多個相同的漏孔，漏孔的長邊略大于湯勺沿其長度方向的最大寬度。因為湯勺的最大寬度明顯小于其他規(guī)則餐具的口徑，從而其他規(guī)則餐具不會從該段漏孔漏下。漏孔的形狀近似為正方形，勺子能夠以多種姿態(tài)從漏孔順利落下，能夠有效減少湯勺在漏孔處卡料。

2.2 視覺系統(tǒng)及勺子的位置和姿態(tài)識別

選取輸送裝置的正上方為拍攝位置，即拍攝輸送帶上俯視視角的湯勺照片，拍照采集的原始圖像具備較多信息。為了獲得穩(wěn)定的結(jié)果，視覺系統(tǒng)還需對圖像進(jìn)行必要的處理。二值化[4]可以讓圖像變得簡單，消除許多無關(guān)特征信息的干擾，讓目標(biāo)特征更突出，進(jìn)行濾波[5]處理后，將目標(biāo)特征附近的噪音進(jìn)行濾除，使圖像更清晰。

2.3 工業(yè)機器人末端執(zhí)行器設(shè)計

機器人本體選用高速四軸DETLA 機器人,高速四軸DETLA 機器人能夠帶動末端執(zhí)行器沿X 軸、Y軸、Z 軸移動和繞Z 軸轉(zhuǎn)動。如圖4 所示，盛物口正面朝上時，勺頭部盛物口的上表面與水平面相互平行。盛物口正面朝下時，勺頭部盛物口的上表面與水平面約成10°左右的夾角?；谏鬃觾煞N姿態(tài)時，選擇勺頭部盛物口的上表面作為吸取平面。

圖4 湯勺側(cè)視姿態(tài)圖

吸盤豎直放置時，其下部為水平面。為了保證吸取平穩(wěn)，設(shè)計時需要帶動吸盤傾斜10°使吸盤下端面與勺子被吸取表面更好地貼合?；诮?jīng)濟性和優(yōu)化控制原則，工業(yè)機器人本體選用高速四軸DETLA機器人，末端執(zhí)行器如圖5 所示。末端執(zhí)行器由連接板、直行氣缸、三角連接架、第一連接軸和第二連接軸組成，連接板固定在高速四軸DETLA 機器人的末端法蘭上，兩個三角連接架的一個頂點對稱安裝在連接板的兩側(cè)，第一連接軸的兩端分別與兩個三角連接架一個頂點固連，第二連接軸兩端與兩個三角連接架另一個頂點固連，直行氣缸的缸體的一端與第一連接軸鉸接，直行氣缸的缸桿與吸盤連接部的上部鉸接，吸盤連接部中部與第二連接軸轉(zhuǎn)動連接，吸盤固定在吸盤連接部的下端。拾取盛物口正面朝下的湯勺時，直行氣缸中缸桿伸縮帶動吸盤連接部繞其中部轉(zhuǎn)動，吸盤隨吸盤連接部傾斜10°，吸盤下部與勺頭部被吸取平面相互平行從而吸取平穩(wěn)。拾取盛物口正面朝上的湯勺，直行氣缸不動作，吸盤下部為水平面，吸盤下部與勺頭部被吸取平面相互平行。

圖5 末端執(zhí)行器

2.4 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

餐具組裝時，湯勺放置在盤子上且湯勺盛物口朝向小碗設(shè)置且傾靠在小碗上。鑒于裝配時的姿態(tài)要求，在輸送裝置對應(yīng)的輸送段設(shè)置間隔均勻的餐具定位托盤。對于盛物口正面朝下的湯勺，末端執(zhí)行器中直行氣缸中缸桿伸縮帶動吸盤連接部轉(zhuǎn)動，吸盤隨吸盤連接部傾斜10°，吸盤下部與勺頭部被吸取平面相互平行從而吸取平穩(wěn)，工業(yè)機器人本體帶動吸吸取湯勺，工業(yè)機器人本體帶動末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)動調(diào)整勺柄的朝向一致放置到餐具定位托盤上。對于盛物口正面朝下的湯勺，末端執(zhí)行器中吸盤吸取湯勺，工業(yè)機器人本體帶動末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)動調(diào)整勺柄的朝向一致放置到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上。

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)需要改變湯勺盛物口的朝向?；诠δ苄枨?，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計如圖6 所示，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中主動錐齒輪豎直設(shè)置，伺服電機帶動主動錐齒輪轉(zhuǎn)動，兩個從動錐齒輪水平設(shè)置且分別布置在主動錐齒輪的兩側(cè)，兩個從動錐齒輪均與主動錐齒輪嚙合，兩個吸盤安裝座分別設(shè)置在兩個從動錐齒輪遠(yuǎn)離主動錐齒輪的一端，吸盤安裝座與從動錐齒輪同軸設(shè)置且兩者通過轉(zhuǎn)軸相連，兩個吸盤分別設(shè)置在兩個吸盤安裝座上，靠近輸送裝置的吸盤朝下設(shè)置，遠(yuǎn)離輸送裝置的吸盤朝上設(shè)置。工業(yè)機器人將盛物口正面朝上的湯勺放置圖6 中遠(yuǎn)離輸送裝置的吸盤上，旋轉(zhuǎn)電機依次帶動主動錐齒輪、從動錐齒輪、吸盤安裝座轉(zhuǎn)動，吸盤安裝座繞主動錐齒輪的軸線轉(zhuǎn)動180°到輸送裝置的另一側(cè)，同時繞轉(zhuǎn)軸的軸線轉(zhuǎn)動180°改變吸盤朝向，從而實現(xiàn)湯勺翻轉(zhuǎn)。

圖6 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

3 結(jié) 語

針對餐具消毒生產(chǎn)企業(yè)亟需解決的湯勺自動分揀系統(tǒng)進(jìn)行研究，將應(yīng)用廣泛的工業(yè)機器人與機器視覺系統(tǒng)引入到湯勺分揀系統(tǒng)中，設(shè)計了針對湯勺姿態(tài)的工業(yè)機器人末端執(zhí)行器和翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，最終設(shè)計出了一套基于漏網(wǎng)篩選和機器視覺定位的湯勺分揀系統(tǒng)。采用先進(jìn)的PLC 自動控制系統(tǒng)，保證各工序輸送裝置、工業(yè)機器人及分揀設(shè)備按既定的節(jié)拍自動完成分揀工藝過程。

該湯勺自動分揀系統(tǒng)，相比于人工分揀，避免了人工分揀帶來的二次污染問題，極大提升了湯勺分揀的效率和品質(zhì)。隨著餐具分揀生產(chǎn)自動化水平需求的不斷提高，該湯勺分揀系統(tǒng)具有極大的應(yīng)用市場。