掏膛机械手、臂以及方法与流程

本发明涉及家禽自动取内脏
技术领域：
，具体是一种掏膛机械手、臂以及方法。
背景技术：
：机械手是一种能够模仿人的手操作，通过可重复的编程，来实现其在三维空间完成各种任务和作业的自动化设备，一般用于工业生产当中的辅助生产工具，能大大的降低人的劳动力，提高生产效率。机械手一般由机械手机械本体、控制核心、伺服驱动装置、传感装置等重要部分组成。机械手的分类方式有很多，一般可以按机械手的几何结构、机械手的控制方式、机械手的信息输入方式以及机械手在不同领域中的用途来分。其中最常用分类方法是根据机械手的几何结构来分，机械手的机械部分之间的安装方式有多种，基于配置的形式的不同，最常见的形式是通过其坐标特性来表达的。按照机械手的结构形式，可以将机械手分为关节型机械手和非关节型机械手，关节型机械手一般是由移动副和转动副进行不同形式的组合而组成的，不同的组合就决定了机械手运动的坐标形式和机械手在空间运动的范围，一般可以分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、开链连杆式关节型。其中最常用的机械手就是直角坐标型和开链连杆式关节型。(1)、直角坐标型机械手：三维空间直角坐标系下的机械手臂的运动是由x，y，z三个方向上的直线运动组成的，各臂部分别沿着自身所在坐标轴方向上做前进、升降和伸缩运动，在空间的运动范围一般是个长方体，由于机械臂的运动形式相对比较简单，所以在编写程序方面相对简单，而且设备成本相对较低。(2)、开链连杆式关节型机械手：开链连杆式关节型机械手又叫串联机械手，该机械手模仿人的手臂结构和形式来实现运动，各个机械部件通过转动副首尾连接起来，一般由三个旋转自由度组成，臂部可以分为大臂和小臂，小臂与大臂之间的转动副称为肘关节，大臂与底座之间的转动副称为肩关节，手臂的运动是由臂部之间的旋转和底座在水平面的旋转来决定的，该机械臂运动的灵活性比较大，开发一套完整的算法相对直角坐标系下的机械臂难的多，而且设备比较昂贵。当前，人工净膛或者国外机械手净膛过程中，存在内脏易破损和易残留的弊端。如何有效解决内脏取出的同时、减少对内脏的损坏；以及机械臂的运动只需要前进、升降和伸缩就可以达到掏膛的目的、节约成本，是当前亟待解决的问题。技术实现要素：本发明提供一种掏膛机械手、臂以及方法，采用装在机械手末端上的传感器来感知压力大小，从而控制抓取的压力，来降低其破损率；同时采用空间直角坐标系下步进电机驱动机械手，运动时只需要前进、升降和伸缩就可以达到掏膛的目的，节约成本。本发明采取的技术方案为：掏膛机械手，包括步进驱动电机、螺杆、滑块、机械手指，步进驱动电机输出轴与螺杆相连，螺杆和滑块之间为丝杆传动，滑块与机械手指之间通过连杆连接，机械手指的内侧安装有压阻式薄膜传感器。所述掏膛机械手为对称式结构，包括多个机械手指，每一个机械手指连接一个连杆，滑块同时推动多个连杆。所述机械手指为与家禽内脏直接接触的部分，多个相同的机械手指形成一定的包络空间，与家禽腹腔轮廓曲线匹配。所述螺杆为螺距为1mm的螺杆，即螺杆旋转一圈，滑块就移动1mm。所述螺杆、机械手指装配在底座上，底座通过支杆连接用于安装步进驱动电机的固定架。所述压阻式薄膜传感器用来感受内脏压力，压阻式薄膜传感器通过压力/电压转换电路连接单片机模块，所述单片机模块连接步进电机驱动器。掏膛机械臂，包括x轴向机械臂、y轴向机械臂、z轴向机械臂，每一个机械臂均包括步进电机、滑台，步进电机固定在固定板上，步进电机输出轴穿过固定板，步进电机输出轴与丝杆一端连接，滑台与丝杆之间采用丝杆传动，丝杆的另外一端与相应的轴承进行固定，轴承安装在轴承座上，丝杆旋转使滑台在直线导轨上实现前后移动。x轴向机械臂安装在y轴向机械臂的滑台上，y轴向机械臂安装在z轴向机械臂的滑台上，掏膛机械手安装在x轴向机械臂的滑台上。x、y、z轴上，在掏膛机械手靠近机械臂机械部分的末端的极限位置上，掏膛机械手和极限位置都留有20-30毫米的安全距离。一种家禽掏膛方法，掏膛机械手从初始位置o点开始，首先，x轴向机械臂a上的步进电机旋转，使掏膛机械手向靠近x轴步进电机的方向直线运动，即x轴的负方向，运动到设定的距离。到达a点后，然后y轴方向上的步进电机旋转，使掏膛机械手向靠近y轴步进电机的方向直线运动，即y轴的负方向，运动到设定的距离，即到达b点后；最后，z轴方向上的步进电机旋转，使掏膛机械手向远离z轴步进电机的方向直线运动，即z轴的正方向，运动到设定的距离，即到达c点后；在c点掏膛机械手开始闭合，通过压阻式薄膜传感器感受内脏压力大小，将掏膛机械手确定一个合适的抓取力度，这个力度既没有达到内脏的压力极限，也不至于没抓紧内脏而脱落，完成这一掏膛动作后，掏膛机械手原路返回到初始位置o点，此时掏膛机械手张开，在重力的作用下内脏掉落。本发明一种掏膛机械手、臂以及方法，有益效果如下：1：为了模仿人手达到精确抓取物体的要求，一般的机械手设计都是根据人手的结构和工作原理进行设计，与人手类似，将机械手指也设计成多指节，运用多个动力对相应的指节关节进行驱动，这样设计的机械手的灵活性相当高，但从另外一方面来讲，这种模仿人手设计的机械手无疑机械结构相对复杂，零件加工和装配都比较复杂，成本相对较昂贵，而且很难实现对其精确的控制。基于在本发明中只需要实现精准的张开和闭合的动作，将机械手爪设计成对称式的机械手结构，只需要提供一个动力源，控制步进电机的正反转动，就可以实现对机械手爪的抓取和松开，能很好的达到掏膛要求，这样的对称式结构设计，使得该掏膛机械手爪结构简单和紧凑，加工成本低，易于实现对其的控制。2:机械手指的指型弯曲尺寸设计是根据家禽轮廓曲线参数设计，这样设计主要是为了保证机械手爪在抓取家禽内脏时四个机械手指与家禽内腔轮廓吻合，这样能保证内脏和机械手指大面积接触，从而避免家禽内脏上某些位置单点受力致使内脏破损。3:考虑到当机械手爪抓取内脏过程中，当压力达到设定值时，控制机械手爪步进电机反转，让机械手爪的四个手指同时张开一定的角度，在手爪展开后，在后续将内脏拉出的过程中，我们既要保证压力小于设定值，也要保证内脏不会脱离机械手爪，所以，在一定范围内，就要将螺杆的螺距尽量设计小些，这样手爪的张开和闭合就更加精确。4:本发明的核心内容就是在掏膛机械手爪的四个手指内侧安装了压阻式薄膜传感器，通过该传感器实时采集机械手指对家禽内脏的压力，从而达到控制抓取力度，减少或是避免掏膛时的内脏破损的问题。5:在掏膛机械手靠近机械臂机械部分的末端的极限位置上，掏膛机械手和极限位置都留有20-30毫米的距离，这个距离是通过装在各个单向轴机械臂上的限位开关来保证的，当机械手爪运动到这个设定位置时就会触发限位开关，致使该单向轴机械臂的步进电机失能，就像按下紧急停止开关一样，掏膛运动停止，这主要是考虑到机械臂装置的安全性。6:本发明掏膛方法的确定，实际上是轨迹规划的问题，主要是为了满足掏膛动作要求的同时，尽可能使各个单向轴机械臂之间的运动配合简单，也有利于stm32单片机程序的编写，易于实现对其的控制。附图说明图1为本发明的掏膛机械手结构示意图。图2为本发明掏膛机械手的机械手手指结构示意图。图3为本发明掏膛机械手的连杆结构示意图。图4为本发明掏膛机械手的底座结构示意图。图5为本发明驱动器共阳极接线图。图6为本发明传感器的电阻-载荷的对应关系曲线图。图7为分压式压力采集电路图。图8为本发明的掏膛机械臂结构示意图。图9为本发明的掏膛机械臂安装示意图。图10为本发明的机械手爪的运动轨迹图。具体实施方式本发明掏膛机械手、臂以及方法，针对人工净膛或者国外机械手净膛过程中内脏易破损和易残留的特点，以常见家禽(如鸭、鸡等)为研究对象，在原有的机械手的基础上，提供一种掏膛机械手，达到将内脏取出的同时其破损程度较小的目的。为解决内脏破损问题，本发明采用装在末端上的传感器来感知压力大小，从而控制抓取的压力，来降低其破损率。同时，本发明掏膛机械臂掏膛的过程当中，机械臂的运动只需要前进、升降和伸缩就可以达到掏膛的目的。为节约成本，选择了空间直角坐标系下的掏膛机械手来完成。实施例1：如图1所示：掏膛机械手，包括步进驱动电机1、螺杆2、滑块3、机械手指4、弹性联轴器5、连杆6、固定架7、支杆8、底座9。步进驱动电机1输出轴通过弹性联轴器5与螺杆2相连，螺杆2和滑块3之间为丝杆传动，滑块3与机械手指4之间通过连杆6连接，机械手指4的内侧安装有压阻式薄膜传感器。掏膛机械手爪的结构说明：宽度均为16mm的四根结构和尺寸均相同的机械手指4的一端，放在底座9宽度均为17mm的四个相应的卡槽中，通过螺栓穿过卡槽侧孔和机械手指一端的侧孔，将机械手指4固定在底座9上，并保证机械手指4能够绕螺栓旋转，形成一个转动副。四根机械手指的另一端放在宽度均为17mm的四根相应的连杆6卡槽中，也通过螺栓以同样的方式进行固定，同样形成一个转动副。四根相同连杆6的另一端宽度均为5mm，将四根连杆6的该端放在滑块均为6mm的四个相应的卡槽中，也通过螺栓以同样的方式进行固定，同样形成一个转动副，滑块与螺杆之间为丝杆传动方式，螺杆的一端与两个内径为10mm的深沟球轴承进行过盈配合，这两个轴承分别以过盈配合的方式分别固定在底座9上，并且与两轴承的端面与底座9的端面平齐，螺杆2与轴承固定的一端的最末端通过卡圈进行紧固，防止螺杆轴向松动，螺杆的另外一端通过弹性联轴器5与步进驱动电机1连接，以便将步进驱动电机1的动力传输到螺杆2上实现滑块上下运动，从而带动连杆运动，最终实现机械手指的闭合和张开，即机械手爪的抓取和松开。另外，步进驱动电机1通过螺钉固定在固定架7上，最后，通过四根支杆8将固定架7与底座9连接起来，四根支杆的一端分别通过螺纹固定在固定架7上，四根支杆另外一端通过通孔和螺母固定在底座9上，通过以上的结构和零件之间的装配，就形成了掏膛机械手整体结构。一：掏膛机械手的工作原理：掏膛机械手整体为对称式结构，根据家禽腹腔轮廓曲线来设计机械手指4，以便机械手指4在掏膛的过程中与家禽腹腔向适应，有利于掏膛作业。步进驱动电机1由电机固定架固定，步进驱动电机1输出轴通过弹性联轴器5与螺杆2相连，当输出轴旋转时，螺杆2会以电机同样的速度旋转，螺杆2则会推动其上面的滑块3运动，螺杆2和滑块3之间为丝杆传动，这种传动方式能将旋转运动转化为直线运动，实现滑块3的直线运动，同时滑块3与机械手指4之间通过连杆6连接，从而将滑块3的推力传递到机械手指4上，实现机械手指4的运动，控制步进驱动电机1的正反转，就能控制机械手指4的张开和闭合；控制步进驱动电机1的旋转速度，就可以控制机械手指4张开和闭合的速度。另外，采用的是螺距为1mm的螺杆2，即螺杆2旋转一圈，滑块3就移动1mm，这样使得机械手整体得到了精确的控制。二、掏膛机械手的步进驱动电机1选型：同样考虑步进电机的类型和各自的特点，与掏膛机械臂一样，选择混合式二相步进电机作为机械手爪的驱动动力，基于掏膛机械手整体为对称式结构，滑块3同时推动四个连杆6，所以选择的步进电机转矩稍大些，最终确定步进电机的型号为j-5718hb3401，具体参数如下表1所示：表1机械手爪步进电机参数三、掏膛机械手主要尺寸设计：3.1、机械手指4：机械手指4为与家禽内脏直接接触的部分，采取夹取式的方式，通过四个相同的机械手指4形成一定的包络空间，将内脏加紧后，机械臂后退，直接将内脏带出，机械手指4图如图2所示。3.2、连杆：连杆6用于将滑块3上的力传递到机械手指4上，连杆6的结构示意图如图3所示。3.3、机械手爪底座：底座7作为一个依附零件，用于安装螺杆2、机械手指4，底座7的结构示意图如图4所示。四、掏膛机械手控制系统：4.1、步进电机驱动器特点：基于掏膛机械手上均采用57二相混合式步进电机作为动力，本发明采用tb6600型号的驱动器来驱动步进电机工作，这是一款专业的两相混合式步进电机驱动器，可实现正反转控制，通过3位拨码开关选择7档细分控制(1，2/a，2/b，4，8,16，32)，通过3位拨码开关选择8档电流控制(0.5a，1a，1.5a，2a，2.5a，2.8a，3a，3.5a)，接口采用高速光耦隔离，抗高频干扰能力强等特点。4.1、步进电机驱动器电气参数，tb6600型号步进电机驱动器电气参数如下表2所示：表2tb6600驱动器电气参数输入电压dc9-40v输入电流推荐使用开关电源功率5a输出电流0.5-4.0a最大功耗160w细分1，2/a，2/b，4，8,16，32重量0.2千克4.3、驱动器输入端接线说明：驱动器上输入信号共有三路，分别是步进电机脉冲信号pul+，pul-、方向电平信号dir+,dir-、脱机信号en+,en-。输入信号有两种接法，分别是共阴极和共阳极接法。共阳极接法：分别将pul+,dir+,en+连接到控制系统的电源上，电源是+5v则可以直接接入，如果电源大于+5v，则必须外接限流电阻，保证给驱动器内部光耦提供8-15ma的驱动电流。脉冲输入信号通过pul-接入，方向信号通过dir-接入，使能信号通过en-接入。共阴极接法：分别将pul-,dir-,en-连接到控制系统的地端，脉冲输入信号通过pul+接入，方向信号通过dir+接入，使能信号通过en+接入。若需限流，其接法与共阳极接法一致。系统接线：下面以共阳极接法为例，假设控制系统的电源为5v,则不需要外接限流电阻，驱动器与控制器、步进电机、电源的接线如图5所示。五、压力采集系统：5.1、压阻式薄膜传感器：本发明压力采集系统中采用的是rfp-6系列601型号薄膜传感器，该传感器可以对物体之间的压力、接触力、触觉力进行感应测试，可以用于多种应用环境和场景，该传感器为压阻式传感器，当感应的力大小发生变化时，传感器的电阻也随之发生变化，当压力变大时，电阻值变小；当压力变小时，电阻值会变大，该传感器的电阻-载荷的对应关系曲线如图6所示，该关系曲线是在实验室通过标准的压力标定测试所得到的。该压阻式薄膜传感器具有独特的超薄、超软、超轻、超低功耗等特点，该传感器紧贴在机械手指4内侧，能适应弯曲的情况，该传感器的主要性能如下表3所示。表3rfp-6系列601型号薄膜压力传感器主要参数：5.2、压力采集电路设计：根据rfp-6系列601型号薄膜传感器的原理可知，本质上该传感器相当于一个不同压力下改变电阻值的滑动变阻器，由于单片机能接受的是电信号，不能直接采集该传感器的阻值，故需要设计采集电路，将该传感器的阻值转化为对应的电压信号，然后送入单片机，该采集电路由传感器与rg＝10kω定值电阻串联而成，传感器的另一端接+5v的vcc，定值电阻的另一端接gnd地端，压力采集电路设计如图7所示。这样压力跟电阻有固定的关系，电阻跟电压的关系又由采集电路确定，所以可以间接得到压力与电压的关系。设在量程范围内的一定压力下，传感器的电阻值为rs，定值电阻的阻值为rg，单片机采集的电压为vout，根据串联电阻分压原理，则有关系rs＝(vcc/vout-1)rg，由该关系式可以得到传感器一定压力下的电阻值rs，然后，由601型号传感器的电阻-载荷的函数关系式y＝16.15x-0.693可以得到压力f＝16.15rs-0.693。实施例2：掏膛机械臂，包括x轴向机械臂、y轴向机械臂、z轴向机械臂。每一个机械臂均包括步进电机10、固定板11、底板12、联轴器13、丝杆14、滑台15、直线导轨16、导轨垫板17、固定架18、肋板19、挡板20、防尘盖21。滑台15与丝杆14装配，丝杆14通过联轴器13连接步进电机10，步进电机10驱动丝杆14的转动，从而带动滑台15向前或向后运动。掏膛机械臂由x轴向机械臂、y轴向机械臂、z轴向机械臂三部分组成，这三轴向机械臂的构成完全类似，只是因为行程设计不同，而致使各轴向机械臂的同一零部件在长度上有略微的变化，故这里只以三轴向机械臂中的x轴向机械臂为例，对单轴向的机械臂的结构进行说明。步进电机10通过螺钉固定在固定板11上，步进电机10输出轴穿过固定板11上的圆孔，固定板11通过螺钉固定在底板12上，伸出的步进电机10输出轴通过联轴器13与丝杆14一端连接，滑台15与丝杆14之间采用丝杆传动，丝杆14的另外一端与相应的轴承进行固定，轴承安装在轴承座上，轴承座固定在底板12上，丝杆14旋转使滑台15在直线导轨16上实现前后移动，直线导轨16固定在导轨垫板17上，导轨垫板17又固定在底板12上，为了防止丝杆14传动受到外界杂质的干扰影响零件的使用，在固定板11与滑台的一边、以及滑台15另一边与挡板20之间特地的安装了防尘盖21，以免其受到干扰，影响机械臂的使用和寿命。放在工作台上的单向轴机械臂为z轴向机械臂，竖直方向的单向轴机械臂为y轴向机械臂，y轴向机械臂通过l型的固定架与z轴向机械臂连接，l型固定架的底面通过螺钉固定在z轴向机械臂的滑台上，y轴向机械臂的底板通过螺钉固定在l型固定板的侧面，为了防止l型固定板受力过大，而导致固定板位置形变，在l型固定板的中间通过电焊焊上一块肋板，x轴向机械臂以水平方向通过螺钉将其底板固定在y轴向机械臂的滑台上，这样，一个完整的直角坐标系下的掏膛机械臂就形成。将前面所述的整个机械手爪部分中的步进电机固定架通过螺钉固定在上面所述的整个掏膛机械臂部分中的x轴向机械臂的滑台上，就构成了整套完整的掏膛机械手，该掏膛机械手的整体结构示意图如图9所示。(一)、掏膛机械臂的行程设计：为了描述的方便，本发明规定在垂直平面上，掏膛机械臂机械部分横着的方向为空间直角坐标系的x方向，竖着的方向为空间直角坐标系的y方向，与垂直面垂直的水平面上的机械部分为z方向。在掏膛过程中，垂直平面上的x和y轴两个方向上的运动只是为了确定家禽所在位置，故滑台运动的行程可以相对短些，水平面上的z轴方向，实现的是前进和后退运动，掏膛机械臂的结构示意图如图8所示。由于要将内脏直接拉出来，故有效行程要相对长些，考虑到如图1所示掏膛机械手进行掏膛时的实际作业情况，在掏膛机械臂尺寸上的设计规格如表4所示：表4机械臂三轴方向上的有效行程(二)、掏膛机械臂的传动方式：本发明中采用步进电机进行驱动，机械臂的各个机械部分上的滑台15为直线运动，这就需要将步进电机的旋转运动转化为滑台15的直线运动，基于机械臂的结构形式，采用丝杆14传动最为方便合适。丝杆14的转动带动滑台15向前或向后运动，丝杆14所转的圈数与滑台15移动的距离成正比关系，另外，丝杆14的传动比与丝杆14的螺距有关，螺距越小，那么传动比越高，在低负载的情况下可以与步进电机通过联轴器直接相连，可以达到很好的减速效果，丝杆14传动具有摩擦阻力小、定位精度高且运动平稳的特点，本发明中掏膛机械臂中采用的丝杆14的螺距为5mm。(三)、机械手掏膛过程的实现：3.1、机械臂三轴正方向的规定原则：前面在介绍掏膛机械臂行程的设计时，规定了机械臂x，y，z三轴的方向，为了更好的描述机械臂和机械手爪的运动，即整套掏膛机械臂掏膛的运动，本发明需要再次规定机械臂x，y，z三轴的正方向，各轴正方向的规定原则为：各轴机械部分上的滑台远离步进电机的方向，为该轴方向上的正方向。3.2、掏膛机械手初始位置的确定：在本发明所用的掏膛机械臂中，掏膛机械手是垂直安装在x轴向机械臂的滑台上。在机械手进行掏膛任务之前，应该确定机械手爪的初始位置，方便后续实现掏膛动作的程序开发。本发明中将机械手爪的初始位置设定为：在x轴方向上远离x轴步进电机，在y方向上远离y轴步进电机，在z轴方向上靠近z轴步进电机，即机械手爪的初始位置设置在如图10所示的o点处，需要说明的是，各轴上在机械手靠近机械部分的末端的位置上，机械手和极限位置都留有一定的安全距离，这个安全距离大约设定为20-30毫米之间。3.3、掏膛机械手爪运动轨迹规划：掏膛机械手从初始位置o点开始，首先，x轴向机械臂上的步进电机旋转，使掏膛机械手向靠近x轴步进电机的方向直线运动，即x轴的负方向，运动到设定的距离；到达a点后，然后y轴方向上的步进电机旋转，使掏膛机械手向靠近y轴步进电机的方向直线运动，即y轴的负方向，运动到设定的距离，即到达b点后；最后，z轴方向上的步进电机旋转，使掏膛机械手向远离z轴步进电机的方向直线运动，即z轴的正方向，运动到设定的距离，即到达c点后；在c点掏膛机械手开始闭合，通过压阻式薄膜传感器感受内脏压力大小，将掏膛机械手确定一个合适的抓取力度，这个力度既没有达到内脏的压力极限，也不至于没抓紧内脏而脱落，完成这一掏膛动作后，掏膛机械手原路返回到初始位置o点，此时掏膛机械手张开，在重力的作用下内脏掉落到指定的容器中，机械手爪的整个运动轨迹如图10所示。(四)、机械臂驱动装置：步进电机的选型：根据步进电机的工作原理，步进电机可以分为激磁式、反应式、永磁式和混合式。其中混合式步进电机包括反应式和永磁式两种形式，具有响应快、转矩大、步距角小、过载能力强，运行的频率较高的优点，混合式步进电机按相数可以分为二相步进电机、三相步进电机、四相步进电机等。因此本发明中采用混合式二相步进电机作为掏膛机械手的驱动装置，该步进电机的型号为57bygh056，步距角为1.8°，相电流为3a，保持力矩为0.9n.m。(五)、掏膛机械手控制过程的实现：该控制系统主要由单片机的a/d采集模块、算法中数据比较模块、单片机产生pwm信号控制机械手模块组成。采用压阻式薄膜传感器感受内脏压力，通过压力与电压的转换电路将压力变为电压信号送入单片机。将单片机采集的电压信号与算法中设定的压力值分析比较，定时器产生中断，执行中断服务函数，单片机产生相应的掏膛机械手反转的驱动信号。待掏膛机械手反转信号结束，跳出中断服务函数，继续执行主函数，产生掏膛机械臂各个方向运动的驱动信号，驱动x、y、z轴上步进电机运转，完成相应的动作。当前第1页12