王錦坤，張秋菊

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122) (2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

中國(guó)白酒是世界七大蒸餾酒之一[1]，在國(guó)內(nèi)外擁有廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)[2]。上甑是將酒醅裝入甑桶的過(guò)程[1]，是固態(tài)蒸餾工藝技術(shù)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的人工或半自動(dòng)化上甑操作工作強(qiáng)度大，且要求工人具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)[3]，能準(zhǔn)確判斷將要“冒汽”的待補(bǔ)料區(qū)域，大大增加了人工操作的難度。國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)上甑設(shè)備的研究已經(jīng)有了一些成果，但是，目前的上甑機(jī)器人系統(tǒng)大多是基于通用機(jī)器人設(shè)計(jì)的，成本相對(duì)較高，針對(duì)性不強(qiáng)，且一套系統(tǒng)一次只能完成一個(gè)甑桶的上甑工作；測(cè)溫設(shè)備(熱像儀)必須一次完成整個(gè)甑桶表面的溫度信息采集工作，對(duì)熱像儀的視場(chǎng)角分辨率等性能要求較高；現(xiàn)有的專用上甑機(jī)器人難以保證鋪料頭末端與物料表面保持固定的高度，因此難以控制落料的偏差[3-8]。因此，研發(fā)出一套能自主識(shí)別待補(bǔ)料區(qū)域的智能上甑設(shè)備具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 上甑機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)

1.1 上甑機(jī)器人功能需求分析

在工業(yè)釀酒領(lǐng)域，上甑是將發(fā)酵好的酒醅均勻鋪撒到直徑1.6 m、深0.8 m的甑桶中的過(guò)程。上甑工藝流程如圖1所示。

深入調(diào)研現(xiàn)有的酒醅上甑設(shè)備后，結(jié)合酒廠實(shí)際上甑工藝需求，初步擬定的機(jī)器人上甑過(guò)程如下：首先，需要保證酒醅能實(shí)時(shí)進(jìn)入上甑機(jī)器人的入料口，接著通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部輸送機(jī)構(gòu)將酒醅運(yùn)送至鋪料頭出料口準(zhǔn)備上甑，隨后在甑桶底部均勻地鋪60～90 mm(3層)酒醅，并在甑桶底部通蒸汽蒸酒。然后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)料層表面的溫度信息，當(dāng)出現(xiàn)溫度過(guò)高(即將漏汽)的區(qū)域時(shí)需對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)料；當(dāng)溫度適中時(shí)，則繼續(xù)均勻鋪一層料。如此反復(fù)操作直到甑桶鋪滿，鋪滿后切換到另一個(gè)甑桶進(jìn)行同樣的作業(yè)。

圖1 上甑工藝流程圖

根據(jù)工藝流程要求，對(duì)上甑機(jī)器人的功能需求如下：1)能實(shí)現(xiàn)酒醅的輸送轉(zhuǎn)移；2)能將酒醅鋪放到甑桶內(nèi)的任意空間位置；3)能實(shí)時(shí)采集甑桶內(nèi)酒醅表面的溫度信息；4)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)工位之間的切換。

1.2 上甑機(jī)器人構(gòu)型

針對(duì)上述功能需求，本文設(shè)計(jì)的上甑機(jī)器人主要由立柱升降機(jī)構(gòu)、大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鋪料頭組件、送料打散機(jī)構(gòu)幾部分組成，包括5個(gè)主自由度和2個(gè)局部自由度。上甑機(jī)器人三維模型如圖2所示。其中基座固定于地面，立柱升降帶動(dòng)回轉(zhuǎn)大臂、鋪料頭組件等主體部分升降；大臂回轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋪料頭組件實(shí)現(xiàn)整體回轉(zhuǎn)；鋪料頭組件共包含回轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和局部升降3個(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)鋪料頭末端出料口的空間定位和擺動(dòng)高度差補(bǔ)償；酒醅在輸送帶的作用下經(jīng)過(guò)鋪料頭內(nèi)部到達(dá)鋪料頭末端經(jīng)打散后撒出。

圖2 上甑機(jī)器人三維模型

1.2.1升降立柱與回轉(zhuǎn)大臂

上甑機(jī)器人的立柱升降與大臂回轉(zhuǎn)兩自由度能實(shí)現(xiàn)鋪料頭在多個(gè)工作位(每個(gè)工作位有一個(gè)甑桶待鋪料)和等待位之間進(jìn)行準(zhǔn)確的位置切換。

主升降柱由不銹鋼光面管焊接而成，通過(guò)套筒實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向支撐，由伺服電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿帶動(dòng)主升降柱實(shí)現(xiàn)升降。主升降柱的升降區(qū)間為0～0.8 m，精度1 mm，負(fù)載能力≥300 kg。

回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要包括RV減速器、回轉(zhuǎn)架、配重塊等，RV減速器固定殼倒裝在回轉(zhuǎn)臂內(nèi)，輸出盤連接主升降柱?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)由伺服電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力。大臂回轉(zhuǎn)區(qū)間為0°～180°，精度為0.1°，末端負(fù)載能力≥100 kg。

1.2.2鋪料頭組件

鋪料頭組件是上甑機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上甑的核心部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

鋪料頭組件包括3個(gè)自由度，其中在回轉(zhuǎn)電機(jī)和齒輪組的作用下，鋪料擺頭可繞固定齒輪中心回轉(zhuǎn)；擺動(dòng)電機(jī)配合諧波減速機(jī)作用實(shí)現(xiàn)擺頭在豎直面內(nèi)的擺動(dòng)。以上兩自由度可實(shí)現(xiàn)擺頭末端的二維坐標(biāo)定位(其中擺頭長(zhǎng)1.4 m)，能使擺頭末端到達(dá)甑桶內(nèi)xoy坐標(biāo)系平面的任意點(diǎn)(立柱升降實(shí)現(xiàn)z方向定位)。另外，通過(guò)升降電機(jī)帶動(dòng)升降絲桿控制擺頭的升降運(yùn)動(dòng)，可補(bǔ)償擺頭末端因擺動(dòng)導(dǎo)致的豎直高度變化，使擺頭末端與醅料表面始終保持固定高度。鋪料頭組件相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 鋪料頭組件結(jié)構(gòu)圖

表1 鋪料頭組件技術(shù)參數(shù)

2 上甑機(jī)器人工作空間驗(yàn)證

2.1 上甑機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1.1上甑機(jī)器人D-H建模

為進(jìn)一步驗(yàn)證上甑機(jī)器人的鋪料范圍，同時(shí)為后續(xù)鋪料軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等方面的研究做準(zhǔn)備，本文使用標(biāo)準(zhǔn)的D-H法[9]對(duì)上甑機(jī)器人進(jìn)行建模。上甑機(jī)器人連桿坐標(biāo)系如圖4所示，其中坐標(biāo)系0為基坐標(biāo)系，設(shè)置在底座上；坐標(biāo)系1,2,3,4為各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系；坐標(biāo)系5為鋪料擺頭出料口處的坐標(biāo)系。

圖4 上甑機(jī)器人連桿坐標(biāo)系

表2為上甑機(jī)器人D-H參數(shù)表，在參數(shù)表中，ai為相鄰z軸公垂線的長(zhǎng)度，表示連桿長(zhǎng)度；αi為相鄰z軸的轉(zhuǎn)角，表示兩關(guān)節(jié)軸扭角；di為z軸上相鄰兩坐標(biāo)系x軸之間的距離，表示相鄰兩連桿之間的距離；θi為繞z軸旋轉(zhuǎn)角，表示關(guān)節(jié)角[9]。

表2 上甑機(jī)器人D-H參數(shù)表

由表2中可以看出一共存在5個(gè)變量，其中2個(gè)是移動(dòng)變量，分別表示立柱升降和鋪料頭局部升降；3個(gè)旋轉(zhuǎn)變量分別表示大臂回轉(zhuǎn)、鋪料頭回轉(zhuǎn)和鋪料頭擺動(dòng)。

2.1.2上甑機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是通過(guò)已知的連桿幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量求解機(jī)器人末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿變換[9]。連桿i齊次坐標(biāo)變換矩陣Ai為：

Ai=

(1)

(2)

(3)

其中：nx=cos(θ2+θ3)×cosθ5；ny=sin(θ2+θ3)×cosθ5；nz=-sinθ5；ox=-cos(θ2+θ3)×sinθ5；oy=-sin(θ2+θ3)×cosθ5；oz=-cosθ5；ax=-sin(θ2+θ3)；ay=cos(θ2+θ3)；az=0；px=a2×cosθ2+a5×cos(θ2+θ3)×cosθ5；py=a2×sinθ2+a5×sin(θ2+θ3)×cosθ5；pz=d1+d3-d4-a5×sinθ5。

2.1.3上甑機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是在已知連桿幾何參數(shù)的條件下，給定末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的期望位姿求解各關(guān)節(jié)變量的過(guò)程[9]。

上甑機(jī)器人坐標(biāo)系5相對(duì)坐標(biāo)系2在z方向上需始終保持恒定值，且在鋪料作業(yè)過(guò)程中坐標(biāo)系2始終位于甑桶中心的正上方，根據(jù)以上工作特點(diǎn)，本文為簡(jiǎn)化上甑機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，將逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解分兩步完成。

首先根據(jù)坐標(biāo)系2相對(duì)于坐標(biāo)系0的期望位置求解d1和θ2兩個(gè)關(guān)節(jié)變量，公式如下：

d1=Z2

(4)

(5)

根據(jù)坐標(biāo)系5相對(duì)于坐標(biāo)系2的期望位置求解θ3，d4，θ53個(gè)關(guān)節(jié)變量。公式如下：

(6)

(7)

(8)

式中：X5，Y5分別為坐標(biāo)系5相對(duì)于坐標(biāo)系2在X，Y方向的距離；L為擺頭的長(zhǎng)度，L=1 400 mm。

2.2 上甑機(jī)器人工作空間仿真驗(yàn)證

為了直觀地驗(yàn)證上甑機(jī)器人是否能夠在工作位和等待位，以及多個(gè)甑桶鋪料位之間切換，本文對(duì)立柱升降和擺頭回轉(zhuǎn)兩自由度單獨(dú)進(jìn)行分析，利用MATLAB求解其末端的工作空間，繪制坐標(biāo)系2相對(duì)于基坐標(biāo)系的空間點(diǎn)云圖[10]，如圖5所示。圖中顯示，鋪料頭組件能夠在以基坐標(biāo)系原點(diǎn)為圓心，半徑1 700 mm、高800 mm的半圓柱面上移動(dòng)，有足夠的空間實(shí)現(xiàn)上述工作位的順利切換。

另外，在切換好甑桶后進(jìn)行鋪料的過(guò)程中，大臂停止轉(zhuǎn)動(dòng)，立柱也只是隨著料面的上漲而逐漸升高，鋪料過(guò)程主要由鋪料頭組件的3個(gè)自由度完成。分析坐標(biāo)系5相對(duì)坐標(biāo)系2的工作空間點(diǎn)云圖[10](圖6)可清楚看出，鋪料擺頭的末端在直徑1 800 mm的圓面內(nèi)移動(dòng)，能夠到達(dá)甑桶二維空間的任意位置；同時(shí)鋪料頭在局部升降自由度的作用下能有效地補(bǔ)償因擺動(dòng)產(chǎn)生的高度誤差，能補(bǔ)償?shù)淖畲蟾叨炔钅苓_(dá)到350 mm。

圖5 回轉(zhuǎn)大臂末端的工作空間

圖6 鋪料頭末端相對(duì)于大臂末端的工作空間

3 圖像采集系統(tǒng)研究

要實(shí)現(xiàn)“探汽上甑”，一般采用紅外測(cè)溫設(shè)備實(shí)時(shí)采集甑桶表面的溫度信息，并分析得出溫度偏高(即將“冒汽”)區(qū)域的坐標(biāo)信息。

目前的自動(dòng)上甑設(shè)備大多將紅外熱像儀安裝在甑桶上方的固定位置，只能從固定位置一次采集整個(gè)甑桶表面的紅外圖像，對(duì)熱像儀的視場(chǎng)角分辨率等要求較高。然而現(xiàn)有的大多數(shù)熱像儀卻無(wú)法同時(shí)滿足大視野和高分辨率的要求[11]。

將熱像儀安裝于鋪料頭上，如圖3所示，熱像儀可以隨著鋪料頭的回轉(zhuǎn)而切換拍攝位置。通過(guò)多點(diǎn)采集圖像，然后利用圖像拼接的相關(guān)算法完成圖像的拼接，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)甑桶表面的紅外熱圖像采集工作。

3.1 圖像采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)

圖像采集設(shè)備(熱像儀)選用武漢高德紅外公司的OR2測(cè)溫機(jī)芯配套8 mm鏡頭，其具體參數(shù)見表3。

表3 熱像儀性能參數(shù)表

熱像儀安裝于鋪料頭局部升降組件的固定板上，鋪料頭工作時(shí)，隨著鋪料頭的回轉(zhuǎn)，熱像儀可在距離中心400 mm的圓弧上運(yùn)動(dòng)，圖像采集物距約為1 500 mm，根據(jù)熱像儀性能參數(shù)可得出所采集圖像的視野范圍為1 636 mm×1 227 mm。

甑桶直徑1 600 mm，需要采集兩次圖像才能采集到整個(gè)甑桶的溫度信息，兩次采集位置間隔180°。圖像采集示意圖如圖7所示。

圖7 圖像采集示意圖

3.2 基于SURF算法的紅外圖像拼接改進(jìn)方法

為完成甑桶表面的溫度信息采集，需要將兩個(gè)位置采集到的圖像1和圖像2利用圖像拼接的方法拼接成一幅完整的圖像。

在上甑過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甑桶料層表面的溫度信息，及時(shí)對(duì)即將“冒汽”的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)料，因此對(duì)圖像采集、處理的實(shí)時(shí)性要求較高。雖然現(xiàn)有圖像拼接算法較為成熟，但是拼接的實(shí)時(shí)性有待進(jìn)一步提高；在上甑過(guò)程中，補(bǔ)料工藝只關(guān)注溫度偏高的特征區(qū)域，而現(xiàn)有的算法針對(duì)性不強(qiáng)。本文針對(duì)以上問(wèn)題，在現(xiàn)有的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較好的SURF算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了基于SURF算法的紅外圖像拼接改進(jìn)方法。

改進(jìn)后的圖像拼接流程如圖8所示。

圖8 改進(jìn)的圖像拼接方法流程圖

與傳統(tǒng)的基于SURF算法的圖像拼接方法相比，為提高圖像拼接的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，在特征匹配階段，改進(jìn)的圖像拼接方法首先運(yùn)用區(qū)域分塊的相關(guān)算法將圖像分塊，然后運(yùn)用相關(guān)性度量挑選出重疊率較大的兩子塊[12]，并且只對(duì)重疊率較大的子塊進(jìn)行處理，最后結(jié)合閾值化處理只保留溫度超過(guò)閾值的區(qū)域的信息，減少了大部分無(wú)用的運(yùn)算，大大提高了處理速度。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)，圖像所分塊數(shù)越多，單個(gè)子塊的處理時(shí)間越短，子塊之間的相關(guān)性計(jì)算耗時(shí)越長(zhǎng)，但需注意分塊過(guò)多會(huì)導(dǎo)致子塊包含的有效信息不足。綜合考慮算法的總耗時(shí)和子區(qū)域的有效性，通常將圖像分為4塊。

閾值化處理的閾值選取通常以能篩選出即將“冒汽”區(qū)域?yàn)樵瓌t，多次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)閾值取120～160較合適。

在特征點(diǎn)匹配階段，利用RANSAC算法采樣計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣H之前，進(jìn)一步篩選將得到的匹配對(duì)，可以提高匹配對(duì)的準(zhǔn)確率，從而減少RANSAC算法的迭代次數(shù)[13]，在提高拼接準(zhǔn)確性的同時(shí)進(jìn)一步提高圖像拼接的速度。兩級(jí)篩選流程圖如圖9所示。

圖中Match0、Match1、Match2分別表示原始、一級(jí)篩選后和二級(jí)篩選后特征點(diǎn)匹配對(duì)；N為一級(jí)篩選后特征點(diǎn)匹配對(duì)數(shù)。

第一級(jí)篩選，在SURF特征點(diǎn)匹配階段，源圖像1中提取的每一個(gè)特征點(diǎn)，在源圖像2中找到與之歐氏距離最近和次近的兩個(gè)特征點(diǎn)，距離分別記為L(zhǎng)1和L2，若L1與L2比值小于T0將被保留；第二級(jí)篩選，將特征點(diǎn)匹配對(duì)按照歐氏距離從小到大排序，然后選出排在前M的匹配對(duì)用于RANSAC算法抽樣計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣。本文首先將T0取值為0.4，M取為15，一級(jí)篩選后如果N<2M，則說(shuō)明T0取值偏小，將T0增加0.1，重新進(jìn)行一級(jí)篩選，反復(fù)循環(huán)；如果N>4M，表示實(shí)驗(yàn)圖像的特征點(diǎn)匹配對(duì)偏多，M值可取為20。

圖9 特征點(diǎn)匹配對(duì)兩級(jí)篩選流程圖

3.3 圖像拼接方法有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)圖像拼接方法能否滿足上甑機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)圖像采集實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，本文用上述圖像采集方法采集了8組紅外圖像，利用C++基于OpenCV編程，用上述改進(jìn)的圖像拼接方法和傳統(tǒng)的基于SURF算法圖形拼接方法(傳統(tǒng)方法)完成圖像的拼接，每組圖像實(shí)驗(yàn)5次，記錄完成圖像拼接的平均時(shí)間(如圖10所示)和特征點(diǎn)的平均正確匹配率(如圖11所示)。

圖10 圖像拼接平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

圖11 正確匹配率均值統(tǒng)計(jì)圖

由圖10,11可看出，本文方法實(shí)時(shí)性比傳統(tǒng)方法提高了近一倍，特征點(diǎn)匹配準(zhǔn)確率也有所提高。

經(jīng)過(guò)多次設(shè)備調(diào)試發(fā)現(xiàn)，拼接時(shí)間在100 ms以內(nèi)、正確匹配率在85%以上可以滿足實(shí)際上甑作業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。圖像拼接實(shí)例如圖12,13所示。

圖12 待拼接源圖像

圖13 拼接圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

本文自主研發(fā)的五自由度專用上甑機(jī)器人，制造成本低、結(jié)構(gòu)合理、靈活性強(qiáng)，能較好滿足上甑工藝需求，具有較好的市場(chǎng)前景。本文側(cè)重于對(duì)上甑機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析介紹，未對(duì)具體設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。文中涉及的紅外圖像拼接技術(shù)是一項(xiàng)通用技術(shù)，能廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，值得進(jìn)一步深入研究。另外由于條件限制，本文設(shè)計(jì)的上甑機(jī)器人暫未加工制作實(shí)物，只是初步驗(yàn)證了其功能的可行性，后續(xù)還要在完成加工制造后進(jìn)一步對(duì)實(shí)際的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。