目前，中国鸡蛋年产量2 999万t，产量居世界第一［1］。在鲜蛋分拣方面，大部分仍采用人工作业［2］，成本高，效率低，且存在感染疾病和污染蛋品的风险［3］。因此，研发适合国情的鸡蛋品质检测与分级技术，可以提升鸡蛋生产的标准化和规模化，增强鸡蛋产业竞争力。不少国内专家、学者，基于壳蛋品质、新鲜度等因子，开展鸡蛋分拣系统研究［4,5］。本文设计了一种鸡蛋分拣机器人的控制系统，采集鸡蛋表面信息对鸡蛋进行分级，Delta机构根据分级结果进行抓取放置任务，实现鸡蛋的自动分拣。
1 整体设计思路
基于Delta机构的鸡蛋分拣系统架构如图1所示。系统主要由鸡蛋裂纹检测系统、Delta机构、气动真空吸盘系统、主控制器等组成。鸡蛋品质检测箱获取鸡蛋表面信息后，判断鸡蛋是否有裂纹，并将结果发送给主控制器。Delta机构系统用于执行搬运动作，优点是分拣高效、快速。气动真空吸盘系统产生负压，通过柔性吸盘对鸡蛋进行吸附，实现无损抓取。
图1 基于Delta机构的鸡蛋分拣系统架构
注：1.鸡蛋品质检测箱；2.传送带；3.收集区；4.动平台；5.Delta机构；6.静平台。
2 工作空间分析和末端执行器运行轨迹规划
Delta机构采用吸盘结构抓取鸡蛋，进行分拣，作业空间如图2所示，包含一段传送带和一个裂纹蛋收集区。传送带的带面宽度200mm，收集区域尺寸400mm×150mm。为满足作业需求，圆柱形作业空间的底面直径需大于420mm，高大于60mm。
图2 作业空间示意图
注：1.末端执行器；2.传送带；3.收集区；4.作业空间。
参考IRB360-1/800型Delta机构参数，初步确定鸡蛋分拣Delta机构的主动臂连杆l1=240mm，从动臂连杆l2=800mm，静平台半径R=200mm，动平台半径r=50mm。根据Delta机构运动学，采用MATLAB软件，仿真分析鸡蛋分拣Delta机构作业空间，结果如图3所示。
鸡蛋分拣作业时，Delta机构需要底面直径420mm，高为60mm的圆柱形作业空间，从图3（b）可以看出，Delta机构实际的作业空间是底面直径600mm、高100mm的圆柱形区域，满足鸡蛋分拣要求。
图3 作业空间仿真
在搬运过程中，若机构振动较大，鸡蛋就容易从吸盘上掉落。通常情况下，为使Delta机构的搬运过程平稳快速，末端执行器的运动轨迹应采用图4所示的门形轨迹和圆弧轨迹。ABCDEFG为门形轨迹，由直线和圆弧轨迹组成；ADG为圆弧轨迹，由单一圆弧构成。Delta机构的末端执行器，仅在传送带与收集区之间运动，圆弧轨迹和门形轨迹均满足要求。圆弧轨迹的总长度小于门形轨迹的总长度，在相同的运动规律下，使用圆弧轨迹的运动周期更短。因此，选用圆弧轨迹作为鸡蛋分拣Delta机构末端执行器的运动轨迹。
图4 机器人末端移动轨迹
以圆弧轨迹所在的平面进行分析，假设圆弧轨迹在XOZ平面内，轨迹初始点A坐标(x A,yA,zA)，G点坐标(x G,yG,zG)，D点坐标(( x A+xG)/2,(y A+yG/2,zA+h ) )，则圆弧轨迹方程：
电机转速快速突然提高时，会对机器人产生冲击力，造成机器人震动，为消除冲击力，电机采用正弦修正梯形加速度曲线进行控制，位移曲线表达式如下：
其中，T表示运动周期；am表示末端执行器的最大加速度；K=amT255 296π2；P1=8cos[4 π (t-3T 8)T]-6 ；P2=8cos[1 2 π(t-3T/8)T]-6；P3=cos[8 π (t-7T 8)T]+13 ；P4=cos[2 4 π(t-7T 8)T]+13；3m+n=48(m ＞0,n＞0 )。
Delta机构完成一次分拣任务的总行程L，与T、am之间的关系为：
3 气动真空吸盘系统
抓取鸡蛋的气动吸盘系统，包括真空发生装置、真空吸盘、流速调节装置、称重传感器和气压传感器。其中，真空发生装置包括空气压缩机、调压过滤阀、电磁阀、真空发生器和真空过滤器，工作流程如图5所示。空气压缩机产生压缩空气，经调压过滤阀输出。电磁阀控制系统启停，导通时，系统启动，压缩空气进入真空发生器，再经过真空过滤器过滤。真空发生器利用正压气源产生负压。真空吸盘接触裂纹蛋表面后，对其进行吸附。由于吸附的原理是在柔性吸盘内部创造真空环境，利用大气压将裂纹蛋压在柔性吸盘上，且柔性吸盘实际作用面积较小，故裂纹蛋整体受力较为均匀，所以整个抓取放置过程中对裂纹蛋个体的损伤可忽略不计，避免了由于裂纹蛋破裂对传送带造成的破坏。
图5 真空发生装置的组成部分连接示意图
4 控制系统设计
4.1 Delta机构控制程序
上电后，控制器先初始化系统，随后打开串口中断，准备接收工控机发送的指令信息。当控制器接收到工控机发送的数据后，若数据标准，则为指令信息，控制器执行对应子程序；若数据不标准，则控制器继续等待接收下一次工控机发送的数据。子程序有2个，一个用于电机复位子程序；另一个是抓取放置子程序。
电机复位子程序用于电机复位。当控制器接收到工控机发送的复位信号时，控制器开始控制电机转动，同时利用光电传感器检测与电机轴相连的主动臂位置。当主动臂旋转到水平位置时，光电传感器向控制器发送信号，使之关闭对应电机的脉冲输出通道。当3个脉冲输出通道都被关闭后，对电机角度进行修正，完成电机复位，此时执行末端到达初始位置。
抓取放置子程序用于鸡蛋搬运。当控制器接收工控机发送的检测结果且裂纹蛋到达抓取点时，控制器会打开气动真空吸盘系统，控制执行末端抓取裂纹蛋；随后将裂纹蛋搬运到对应收集区，关闭气动真空吸盘系统，控制执行末端松开裂纹蛋。执行末端松开裂纹蛋后，会回到初始位置，等待下一次抓取放置子程序的运行。
抓取放置子程序的关键是控制执行末端按照事先规划的轨迹移动。首先，向控制器内输入轨迹方程与插补点个数；然后，控制执行末端按顺序移动到各个插补点的位置，直到执行末端达到轨迹终点。控制器控制执行末端在插补点间移动的基本流程如下：执行末端到达一个插补点后，首先根据目标插补点的位置计算出每一个电机需要转动的角度，根据角度计算需要的脉冲个数；然后设置电机的转向及转速；最后使脉冲输出通道，电机开始转动。当脉冲输出通道产生的中断个数达到对应的中断数时，对应电机停止转动；当3个电机都停止转动时，执行末端到达目标插补点位置；重复上述基本流程，直到执行末端达到轨迹终点。
4.2 总控制系统结构设计
基于Delta机构的鸡蛋分拣系统由鸡蛋裂纹检测系统、Delta机构、气动吸盘系统、主控制器等组成。控制系统架构如图6所示，其中，工控机与主控制器通过无线串口模块实现信息交互。主控制器直接控制Delta机构执行机构电机、控制气动真空吸盘系统的启停，接收鸡蛋位置检测信号的输入。
图6 总系统结构关系图
5 结语
本文构建了鸡蛋自动分拣系统。针对鸡蛋分拣的运动要求，采用圆弧运动轨迹，选取正弦修正梯形加速度曲线作为运动规律，对分拣Delta机构执行末端进行了轨迹规划。设计气动真空吸盘系统，柔性吸取鸡蛋。最后设计了系统控制结构，系统可以满足鸡蛋自动分拣机器人速度快、运动精度高、运行平稳且分拣准确的要求。
参考文献：
［1］孙丹丹，秦玉昌，李军国.鸡蛋生产质量安全问题分析及控制研究进展［J］.中国家禽，2015（5）：45-49.
［2］段宇飞，王巧华，李小明，等.基于凸包算法的鸡蛋尺寸形状在线视觉高通量检测方法［J］.农业工程学报，2016（15）：282-288.
［3］李文康，刘雪，杜娟，等.壳蛋品质质量分级技术的研究进展和发展趋势［J］.食品工业科技，2018（7）：340-347.
［4］张世庆，涂佳，孙力，等.鸡蛋质量与长短轴在线检测方法［J］.农业机械学报，2014（2）：204-209.
［5］魏萱，何金成，郑书河，等.基于图像纹理特征的土鸡蛋微裂纹无损检测［J］.福建农林大学学报（自然科学版），2017（6）：118-122.
