蘋果大小分級(jí)機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究
時(shí)間:2022-05-06 11:13:06
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摘要:由于現(xiàn)在大部分地區(qū)對(duì)于蘋果的大小分級(jí)的效率較低,課題組通過使用Python編程和OpenCV圖像處理設(shè)計(jì)了一款機(jī)械臂。機(jī)械臂是使用樹莓派主板進(jìn)行控制的,舵機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂六個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)。樹莓派主板是在2012年發(fā)售的,它體積雖小,卻具有電腦的所有基本功能,所以功能強(qiáng)大。利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果分級(jí)的高效率運(yùn)行,從而解放勞動(dòng)力,降低成本。仿真結(jié)果表明:1)分級(jí)成功率都大于90%,成功率很高;而且表面破損率都很低,效率很高,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,可以應(yīng)用到流水線作業(yè)中,實(shí)現(xiàn)蘋果分級(jí)的規(guī)?;a(chǎn)。2)分級(jí)范圍越小,誤差越大,因此應(yīng)注意設(shè)計(jì)分級(jí)梯度。3)機(jī)械臂運(yùn)行時(shí)性能平穩(wěn),生產(chǎn)效率高,可以應(yīng)用到生產(chǎn)流水作業(yè)中。
關(guān)鍵詞:機(jī)械臂;大小分級(jí);自動(dòng)化
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,機(jī)器人越來越多地出現(xiàn)在生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域,各種各樣的多自由度機(jī)械臂應(yīng)運(yùn)而生,并廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械、加工制造、汽車焊接等眾多領(lǐng)域[1]。多自由度機(jī)械臂的特點(diǎn)在于系統(tǒng)穩(wěn)定、整體性靈活,是比較參考人體手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的范圍而設(shè)計(jì)的[2]。當(dāng)前,人們的生活水平提高了,經(jīng)常會(huì)買一些蘋果、香梨等水果,在購(gòu)買水果的時(shí)候人們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)同一類型的水果會(huì)因?yàn)轶w積大小的不同而價(jià)格不同,有大型果、中型果和小型果等。而對(duì)于這些水果的大小分級(jí),大部分地區(qū)尤其貧困地區(qū)采用人工或者網(wǎng)漏的方法進(jìn)行,這樣分級(jí)有很多的缺點(diǎn):速度慢、質(zhì)量受到影響、人工費(fèi)高、不適合大規(guī)模的操作等?;诖?,本課題組研究利用機(jī)械臂自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水果大小的分揀,以減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,避免工作人員重復(fù)執(zhí)行簡(jiǎn)單、機(jī)械化的操作,大大地提高工作效率。
1總體設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)上述目的,設(shè)計(jì)機(jī)械臂自動(dòng)對(duì)蘋果大小進(jìn)行分揀,該裝置包括機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、伸縮抓取機(jī)構(gòu)、視覺識(shí)別裝置、控制系統(tǒng)等[3]。
1.1機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)控制,是通過輸入的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化為各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩,在力矩的作用下產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度[4],然后通過雅可比矩陣建立起機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度和機(jī)械臂末端執(zhí)行器的配比關(guān)系[5],來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)。因此,在底座安裝一個(gè)舵機(jī),另外機(jī)械臂上安裝四個(gè),舵機(jī)有兩個(gè)舵盤,一個(gè)為主動(dòng)舵盤,另一個(gè)為從動(dòng)舵盤,主動(dòng)舵盤在齒輪的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)這一個(gè)關(guān)節(jié)處的機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),安裝五個(gè)舵機(jī)使得整個(gè)機(jī)械臂的活動(dòng)空間變大,活動(dòng)范圍更廣。機(jī)械臂正視圖如圖1所示。
1.2伸縮抓取機(jī)構(gòu)
抓取裝置:立爪有三只,根部均勻分布式安裝于圓形抓盤上,中部通過小連桿連接至大連桿上,舵機(jī)6安裝于機(jī)械爪最底部,控制大連桿的升降。當(dāng)大連桿下降時(shí),產(chǎn)生拉力通過小連桿傳遞到立爪上,使三個(gè)立爪均向內(nèi)靠攏,實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的抓?。划?dāng)大連桿上升時(shí),產(chǎn)生推力通過小連桿傳遞到立爪上,使三個(gè)立爪均向外分散,實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的張開。機(jī)械爪正視圖如圖2所示。
1.3視覺識(shí)別裝置
機(jī)械臂在執(zhí)行物體抓取動(dòng)作時(shí),需要獲取目標(biāo)物體的位置。這就需要相機(jī)獲取抓取場(chǎng)景的點(diǎn)云信息,然后傳遞給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)經(jīng)過目標(biāo)識(shí)別和位姿估計(jì)算法處理后獲取目標(biāo)物體的位置信息[6]。所述視覺識(shí)別裝置包括攝像頭、支架和連接線,所述攝像頭是一顆可以自動(dòng)聚焦的Kincet攝像頭,固定于支架上,使視角垂直于工作平面,保證對(duì)工作環(huán)境的分析和對(duì)物體大小的精準(zhǔn)識(shí)別,利用連接線將采集到的信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析,從而反饋不同的動(dòng)作。
1.4控制系統(tǒng)
所述控制裝置主要包括樹莓派4B主板和拓展板,利用樹莓派控制舵機(jī),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的各種自由度操作。樹莓派,也可以稱為微型電腦,它的體積小,用SD卡為存儲(chǔ)硬盤,但是功能強(qiáng)大,相當(dāng)于一臺(tái)電腦的主機(jī)[7],是為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)的。當(dāng)它接入顯示屏、鍵盤和鼠標(biāo)時(shí)就可以在這個(gè)所設(shè)的系統(tǒng)中進(jìn)行編程操作。當(dāng)然,樹莓派還可以進(jìn)行調(diào)試工作,調(diào)試模塊包括串口、指示燈和按鍵等,系統(tǒng)的調(diào)試是必不可少的,這是完善系統(tǒng)的必備工具[8]。
2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)
2.1機(jī)械爪的設(shè)計(jì)
課題組設(shè)計(jì)的機(jī)械爪是三爪的,抓取水果時(shí)更加平穩(wěn)、可靠。內(nèi)部設(shè)計(jì)為齒輪連桿機(jī)構(gòu),如圖2所示。
2.2旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
舵機(jī)上的舵盤固定在金屬薄片上,中間放置軸承,然后上面放同樣大小的金屬薄片,將這兩個(gè)薄片通過螺栓固定,當(dāng)舵機(jī)的舵盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí),可以從而帶動(dòng)機(jī)座旋轉(zhuǎn)。
3工作原理
3.1圖像處理
在攝像頭上外加一個(gè)環(huán)形燈,以環(huán)形燈為光源,攝像頭拍攝蘋果的投影面。將此投影面回傳到樹莓派主板,進(jìn)行OpenCV圖像處理,將尺寸大小統(tǒng)一設(shè)定為目標(biāo)尺寸[9],然后通過高斯濾波函數(shù)和中值濾波函數(shù),進(jìn)行圖像增強(qiáng)、降噪、特征提取[10],最終得到清晰的圖像。在此過程中,最重要的一點(diǎn)是圖像是否聚焦。由于人工調(diào)焦的方式時(shí)間較長(zhǎng),而且效果也不明顯,因此采用基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng),即采用灰度差分的方法進(jìn)行調(diào)焦[11]。
3.2投影面積近似計(jì)算
采用無限逼近的方法。因?yàn)樘O果在底面上的投影大致為圓形,所以利用多邊形無限逼近的方法對(duì)投影面積進(jìn)行近似計(jì)算。一般來說,投影面積越大的,體積對(duì)應(yīng)越大;投影面積越小的,體積對(duì)應(yīng)越小。
4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析
目前,新疆蘋果最為著名的是阿克蘇蘋果,現(xiàn)購(gòu)進(jìn)不同大小的100個(gè)阿克蘇蘋果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。據(jù)目測(cè)觀察,這些蘋果的投影面積大致在50cm2~95cm2。第一組,將這些蘋果分為兩組:1)50cm2~72.5cm2;2)72.5cm2~95cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。第二組,將這些蘋果分為三組:1)50cm2~65cm2;2)65cm2~80cm2;3)80cm2~95cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,第一組分級(jí)成功率的平均值為94%,表面嚴(yán)重破損率的平均值為3.7%;第二組分級(jí)成功率的平均值為90.3%,表面嚴(yán)重破損率的平均值為4%。通過對(duì)比兩個(gè)表可知,當(dāng)分級(jí)梯度設(shè)置得越多,分級(jí)的成功率越小[12]。
5結(jié)論
1)分級(jí)成功率都大于90%,成功率很高;而且表面破損率都很低,效率很高,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,可以應(yīng)用到流水線作業(yè)中,實(shí)現(xiàn)蘋果分級(jí)的規(guī)模化生產(chǎn)。2)分級(jí)范圍越小,誤差越大,因此應(yīng)注意設(shè)計(jì)分級(jí)梯度。
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作者:崔浩 張澤康 郭瑞峰 趙梁博 劉金秀 單位:塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院
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