CN110839563A - 一种智能化鹅蛋收集机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种智能化鹅蛋收集机器人及控制方法，包括接收槽本体、控制主板、压电传感器、电荷放大器、无线坐标接收模块、气动吸附装置、平面关节机器人和收集盒；所述控制主板由单片机、数字信号处理器和无线通信模块集成；所述气动吸附装置由吸盘、接触传感器、升降机构、齿轮、齿条、负压发生器、气缸组成。利用压电传感器测出鹅蛋在接收槽内滚动的加速度，进行坐标转换实现鹅蛋的定位。利用可以远离升降机构的齿轮实现了自由落体的升降机构，避免了机械下降时对鹅蛋的压力过大导致的鹅蛋破损，采用塑胶材质的吸盘能很好地吸附鹅蛋，通过平面关节型机器人的平面转动，可以将鹅蛋整齐的放置在收纳箱内，不仅减少了人工成本，还提高了鹅蛋收集的效率。

Description

一种智能化鹅蛋收集机器人及控制方法

技术领域

本发明属于畜禽养殖领域，具体的说涉及一种智能化鹅蛋收集机器人及控制方法。

背景技术

随着我国种鹅养殖业的快速发展，种鹅养殖实现了规模化和智能化，实现了对种鹅身份识别和产蛋喷墨打码，但如何自动化地将鹅蛋整齐的收集在一起是个难题。传统的鹅蛋收集是通过人工抓取放入收集箱，这种传统的鹅蛋收集人工成本高而且收集效率低。基于此，自动化收集是目前鹅蛋收集的合适选择，没有人工成本而且效率高，因此设计出一种可以实现定位的鹅蛋接收槽及控制方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有的人工收集鹅蛋成本高、效率低等不足，提出一种智能化鹅蛋收集机器人及控制方法，采用在接收槽本体表面固定压电传感器进行定位，通过吸盘和平面关节型机器人相结合的结构，实现自动化抓取，提高鹅蛋收集效率，降低了鹅蛋收集成本。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一个目的是一种智能化鹅蛋收集机器人，其特征是，包括接收槽本体、控制主板、压电传感器、无线坐标接收模块、气动吸附装置、平面关节机器人和收集盒；所述压电传感器固定在接收槽本体表面，所述气动吸附装置固定在平面关节机器人机械臂上，所述平面关节型机器人和收集盒位于接收槽本体同一侧；所述压电传感器采集鹅蛋信息，并传送给控制主板，由控制主板将控制指令通过无线坐标接收模块传送给平面关节机器人，使平面关节机器人的气动吸附装置吸附鹅蛋并自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

优选的，所述控制主板由单片机、数字信号处理器和无线通信模块集成，所述压电传感器采集到鹅蛋在接收槽本体内的加速度，经过电荷放大器(4)输出采集值，传输给数字信号处理器，单片机将由数字信号处理器处理后的参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块。

优选的，所述气动吸附装置由与平面关节机器人相连的壳体、吸盘、接触传感器、升降机构、负压发生器和气缸组成；所述气缸安装于壳体内侧壁，气缸的输出轴安装有电机，所述电机的输出轴安装有齿轮；

所述负压发生器固定于壳体内侧顶部，所述升降机构包括与负压发生器的通气软管连通的硬质通气管以及安装于硬质通气管外侧壁的齿条，所述吸盘安装于硬质通气管底部，并置于壳体下方，所述接触传感器安装于吸盘；

升降机构自由落体，使吸盘与鹅蛋接触，此时接触传感器触发负压发生器，吸盘产生负压吸附鹅蛋；接着气缸控制齿轮移动以与升降机构的齿条啮合，然后控制齿轮旋转，使升降机构上升；最后平面关节机器人自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

优选的，所述硬质通气管顶部设有外突的限位块，所述壳体内侧顶部设有限位腔，壳体底部设有供硬质通气管穿过的通孔，该通孔内侧对称设有一对L型限位导轨，一对L型限位导轨分别置于硬质通气管两侧；所述负压发生器、硬质通气管的限位块置于限位腔内，硬质通气管下降时，限位腔与限位块配合，齿条底部与L型限位导轨配合，可对硬质通气管进行限位。

本发明的第二个目的是提供一种智能化鹅蛋收集机器人的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

1)当鹅蛋滚落至接收槽本体内，由于鹅蛋具有初速度，压电传感器采集到鹅蛋在接收槽内的加速度，经过电荷放大器输出采集值，经过数字信号处理器的处理，得到鹅蛋在定位坐标系内速度和滚动距离，实现定位功能；

2)单片机将速度和滚动距离参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块，此时平面关节型机器人对鹅蛋进行定位，气缸控制齿轮远离升降机构，升降机构进行自由落体运动，吸盘正好接触下方的鹅蛋；

3)升降机构底部的吸盘接触到鹅蛋后，接触传感器传递信号，此时高压气体通过负压发生器，吸盘呈现负压吸附鹅蛋；

4)气缸控制齿轮靠近升降机构，当齿轮和升降机构的齿条接触啮合后，进行上升，实现鹅蛋的吸附、提升，最后平面关节型机器人旋转，将吸附的鹅蛋放置到收集盒，完成鹅蛋的收集。

优选的，所述压电传感器的定位方法具体步骤为：

第一步：当鹅蛋滚落至接收槽本体，铺在接收槽本体表面的压电传感器输出鹅蛋在运动坐标系中的数值；

第二步：通过数字信号处理器对输出的数值进行坐标转换，将输出值转换为定位坐标系中的值；

第三步：在定位坐标系中求得鹅蛋的滚落的速度，确定位置，实现定位功能。

优选的，所述鹅蛋滚落的速度、滚落距离的确定：通过设置时间周期T，在设置的时间周期内，对加速度的减少值作n次采集，记为C_m-1，设鹅蛋滚落至接收槽本体时的速度为v_m-1，则t_m时刻时v_m为：

式中，f^b为坐标转换系数，Δ_t为误差修正值；

则t_m时刻时鹅蛋的前进距离x_m为：

求得距离起点的位置，从而实现了定位功能，方便了吸盘的定位抓取。

优选的，所述吸盘采用塑胶材质，升降机构采用轻质材料，当升降机构自由落体时能避免吸盘与鹅蛋接触时压力过大导致鹅蛋破损，起到了保护鹅蛋的功能。

优选的，所述吸盘外部装有接触传感器，用于检测吸盘是否与鹅蛋接触。

优选的，所述升降机构和平面关节型机器人构成三自由度，分别为绕Z轴旋转的平面关节型机器人，齿轮的水平位移(X轴)和升降机构的垂直升降(Y轴)。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种可以实现定位的鹅蛋接收槽及控制方法，结构新颖，工作原理清晰，利用压电传感器测出鹅蛋在接收槽内滚动的加速度，积分求得速度和滚动距离，进行坐标转换实现鹅蛋的定位。利用可以远离升降机构的齿轮实现了自由落体的升降机构，避免了机械下降时对鹅蛋的压力过大导致的鹅蛋破损，采用塑胶材质的吸盘能很好地吸附鹅蛋，通过平面关节型机器人的平面转动，可以将鹅蛋整齐的放置在收纳箱内，不仅减少了人工成本，还提高了鹅蛋收集的效率。

附图说明

图1是本发明可以实现定位的鹅蛋接收槽的整体结构示意图；

图2是本发明中气动吸附装置的升降原理图；

图3是本发明中气动吸附装置的气路原理图；

图4是本发明实施例系统运行图；

图中：收槽本体1、控制主板2、压电传感器3、电荷放大器4、无线坐标接收模块5、吸盘6-1、接触传感器6-2、升降机构6-3、壳体6-4、负压发生器6-5、气缸6-6、通气软管6-7、齿轮6-8、L型限位导轨6-9、齿条6-10、限位块6-11、限位腔6-12、平面关节机器人7、收集盒8、电磁换向阀9、消声器10、单向阀11、截止阀12、气源调整装置13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种智能化鹅蛋收集机器人，包括接收槽本体1、控制主板2、压电传感器3、电荷放大器4、无线坐标接收模块5、气动吸附装置、平面关节机器人7和收集盒8；所述控制主板2由单片机、数字信号处理器和无线通信模块集成；所述压电传感器固定在接收槽表面；所述气动吸附装置固定在平面关节机器人机械臂上；所述吸盘与所述升降机构螺旋连接；所述平面关节型机器人、气动吸附装置和收集盒位于接收槽本体同一侧。

如图4所示，当鹅蛋滚落至接收槽内，由于鹅蛋具有初速度，压电传感器3采集到鹅蛋在接收槽1内的加速度，经过电荷放大器4输出采集值，经过数字信号处理得到鹅蛋在定位坐标系内速度和滚动距离，实现定位功能。单片机将速度和滚动距离参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块5，此时平面关节型机器人7对鹅蛋进行定位，气缸6-6控制齿轮6-8远离升降机构，升降机构6-3进行自由落体运动，吸盘6-1接触到鹅蛋后，接触传感器6-2传递信号，此时高压气体通过负压发生器6-5，吸盘6-1呈现负压吸附鹅蛋，气缸6-6控制齿轮6-8靠近升降机构6-3，当齿轮与齿条接触后，升降机构上升，实现鹅蛋的吸附、提升，最后放置到收集盒8，完成鹅蛋的收集。

具体地，本实例所用的压电传感器3采用的是KS76压电传感器，结合AD108运算放大器和TMS320F240数字信号处理器，实现了鹅蛋在接收槽上的坐标转换。本实施例所用无线通信模块采用的是nRF24L01无线收发模块。本实施例所用的单片机是AVR单片机的ArduinoUNOR3开发板，将数字信号处理器处理的速度、位置信息经无线通信模块传递给无线坐标接收模块5。

具体地，所述压电传感器3的定位方法具体步骤为：

第一步：当鹅蛋滚落至接收槽，铺在接收槽表面的压电元件输出鹅蛋在运动坐标系中的数值；

第二步：通过数字信号处理器对输出的数值进行坐标转换，将输出值转换为定位坐标系中的值；

第三步：在定位坐标系中求得鹅蛋的滚落的速度，确定位置，实现定位功能。

具体地，所述鹅蛋滚落的速度、滚落位置确定方程，通过设置时间周期T，在设置的时间周期内，对加速度的减少值作n次采集，记为C_m-1，设鹅蛋滚落至接收槽时的速度为v_m-1则t_m时刻时v_m为：

式中，f^b为坐标转换系数，Δ_t为误差修正值。

则t_m时刻时鹅蛋的前进距离x_m为：

求得距离起点的位置，从而实现了定位功能，方便了吸盘的定位抓取。

具体地，所述吸盘6-1采用的是塑胶材质，当升降机构自由落体时能避免吸盘与鹅蛋接触时压力过大导致鹅蛋破损，起到了保护鹅蛋的功能。

具体地，如图3所述吸盘外部装有接触传感器6-2，实现了当升降机构自有落体下降，吸盘接触到鹅蛋时，高压气体通过负压发生器，吸盘表面呈现负压，实现鹅蛋的自动吸附功能。

具体地，如图2所示，所述升降机构6-3采用的是通过齿轮6-8旋转进行上升，自由落体进行下降，当无线轮廓接收模块接收到鹅蛋的位置信息，平面关节型机器人7进行定位转动，使吸盘6-1位于鹅蛋正上方，气缸6-6控制位于升降机构6-3一侧的齿轮6-8远离升降机构，使其做自由落体，待传感器检测到吸盘和鹅蛋接触后，气缸控制齿轮6-8向升降机构靠近，再电动控制升降机构上升实现升降功能。

具体地，所述气动吸附装置和平面关节型机器人是三自由度，分别为平面关节型机器人7机械臂绕Z轴的旋转，齿轮6-8的水平位移和升降机构6-3的垂直升降。

具体地，所述收纳箱8采用的是分布格式，共设置了20个格子，按照5行4列排列，每个格子的大小为7cm×7cm。

本发明结构新颖，工作原理清晰，利用压电传感器测出鹅蛋在接收槽内滚动的加速度，积分求得速度和滚动距离，进行坐标转换实现鹅蛋的定位。利用可以远离升降机构的齿轮实现了自由落体的升降机构，避免了机械下降时对鹅蛋的压力过大导致的鹅蛋破损，采用塑胶材质的吸盘能很好地吸附鹅蛋，通过平面关节型机器人的平面转动，可以将鹅蛋整齐的放置在收纳箱内，不仅减少了人工成本，还提高了鹅蛋收集的效率。

Claims (7)

1.一种智能化鹅蛋收集机器人，其特征是，包括接收槽本体(1)、控制主板(2)、压电传感器(3)、无线坐标接收模块(5)、气动吸附装置、平面关节机器人(7)和收集盒(8)；所述压电传感器固定在接收槽本体表面，所述气动吸附装置固定在平面关节机器人机械臂上，所述平面关节型机器人和收集盒位于接收槽本体同一侧；所述压电传感器采集鹅蛋信息，并传送给控制主板，由控制主板将控制指令通过无线坐标接收模块传送给平面关节机器人，使平面关节机器人的气动吸附装置吸附鹅蛋并自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

2.根据权利要求1所述的一种智能化鹅蛋收集机器人，其特征是，所述控制主板(2)由单片机、数字信号处理器和无线通信模块集成，所述压电传感器采集到鹅蛋在接收槽本体内的加速度，经过电荷放大器(4)输出采集值，传输给数字信号处理器，单片机将由数字信号处理器处理后的参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种智能化鹅蛋收集机器人，其特征是，所述气动吸附装置由与平面关节机器人相连的壳体(6-4)、吸盘(6-1)、接触传感器(6-2)、升降机构(6-3)、负压发生器(6-5)和气缸(6-6)组成；所述气缸安装于壳体内侧壁,气缸的输出轴安装有电机,所述电机的输出轴安装有齿轮(6-8)；

所述负压发生器固定于壳体内侧顶部，所述升降机构包括与负压发生器的通气软管(6-7)连通的硬质通气管以及安装于硬质通气管外侧壁的齿条(6-10)，所述吸盘安装于硬质通气管底部，并置于壳体下方，所述接触传感器安装于吸盘；

升降机构自由落体，使吸盘与鹅蛋接触，此时接触传感器触发负压发生器，吸盘产生负压吸附鹅蛋；接着气缸控制齿轮移动以与升降机构的齿条啮合，然后控制齿轮旋转，使升降机构上升；最后平面关节机器人自旋转，将鹅蛋放入收集盒内。

4.根据权利要求3所述的一种智能化鹅蛋收集机器人，其特征是，所述硬质通气管顶部设有外突的限位块(6-11)，所述壳体内侧顶部设有限位腔(6-12)，壳体底部设有供硬质通气管穿过的通孔，该通孔内侧对称设有一对L型限位导轨(6-9)，一对L型限位导轨分别置于硬质通气管两侧；所述负压发生器、硬质通气管的限位块置于限位腔内，硬质通气管下降时，限位腔与限位块配合，齿条底部与L型限位导轨配合，可对硬质通气管进行限位。

5.一种智能化鹅蛋收集机器人的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

1)当鹅蛋滚落至接收槽本体内，由于鹅蛋具有初速度，压电传感器采集到鹅蛋在接收槽内的加速度，经过电荷放大器输出采集值，经过数字信号处理器的处理，得到鹅蛋在定位坐标系内速度和滚动距离，实现定位功能；

2)单片机将速度和滚动距离参数通过无线通讯模块输送给无线坐标接收模块，此时平面关节型机器人对鹅蛋进行定位，气缸控制齿轮远离升降机构，升降机构进行自由落体运动，吸盘正好接触下方的鹅蛋；

3)升降机构底部的吸盘接触到鹅蛋后，接触传感器传递信号，此时高压气体通过负压发生器，吸盘呈现负压吸附鹅蛋；

4)气缸控制齿轮靠近升降机构，当齿轮和升降机构的齿条接触啮合后，进行上升，实现鹅蛋的吸附、提升，最后平面关节型机器人旋转，将吸附的鹅蛋放置到收集盒，完成鹅蛋的收集。

6.根据权利要求5所述的一种智能化鹅蛋收集机器人的控制方法，其特征是，所述压电传感器的定位方法具体步骤为：

第一步：当鹅蛋滚落至接收槽本体，铺在接收槽本体表面的压电传感器输出鹅蛋在运动坐标系中的数值；

第二步：通过数字信号处理器对输出的数值进行坐标转换，将输出值转换为定位坐标系中的值；

第三步：在定位坐标系中求得鹅蛋的滚落的速度，确定位置，实现定位功能。

7.根据权利要求6所述的一种智能化鹅蛋收集机器人的控制方法，其特征是，所述鹅蛋滚落的速度、滚落距离的确定：通过设置时间周期T，在设置的时间周期内，对加速度的减少值作n次采集，记为C_m-1，设鹅蛋滚落至接收槽本体时的速度为v_m-1，则t_m时刻时v_m为：

式中，f^b为坐标转换系数，Δ_t为误差修正值；

则t_m时刻时鹅蛋的前进距离x_m为：

求得距离起点的位置，从而实现了定位功能，方便了吸盘的定位抓取。

Images