基于机器视觉的家禽净膛机器人系统

摘要

本发明涉及一种家禽屠宰设备，尤其是涉及一种基于机器视觉的家禽净膛机器人系统。该机器人系统，包括禽体运送装置、机器视觉装置、计算机、电气控制柜、双直角坐标式机械臂、禽体夹持装置和净膛末端执行器；采用机器视觉装置在线采集家禽胴体外形轮廓图像与膛口图像，通过图像处理技术计算出家禽外形轮廓质心坐标与膛口中心坐标，将坐标信息实时传输到计算机中，计算机根据坐标信息实时控制双直角坐标式机械臂上相应机械臂的动作，准确完成净膛工作，有效保证净膛后内脏的完整性；计算机能够根据机器视觉装置采集到坐标信息对相应步进电机进行有效控制，实现在线净膛；禽体夹持装置能够根据禽体大小体型调整夹持空间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种家禽屠宰设备，尤其是涉及一种基于机器视觉的家禽净膛机器人系统。

背景技术

禽肉是千家万户日常生活中必不可少的主要食品。在国内城市逐步取消活禽交易市场后，家禽集中屠宰已是大势所趋。大型家禽屠宰加工企业主要采用全自动化联合作业和人工辅助流水线作业两种生产方式进行家禽集中屠宰及后续加工，由于国内家禽屠宰加工的规模及加工工艺的限制，大多数中小型企业仍采用人工辅助流水线的工作方式，而此方式存在劳动强度大、工作效率低、作业环境差等问题。

家禽屠宰加工是一个系统工程，工序之间高度关联，其加工工序大致分为：活禽装卸，宰杀沥血、浸烫脱毛、掏膛、内脏及副产品加工、预冷、分割包装、速冻、换装冷藏等工艺区段。其中掏膛工序是家禽屠宰加工工艺重要工序之一，也是最难实现机械化和自动化的一道工序。如专利CN201846725U与CN202999192U分别公开了“一种禽类自动取内脏机”与“一种家禽自动掏膛机”。它们基本上实现了自动取内脏的功能，但对家禽个体大小一致性要求较高，当家禽体型大小有较大差别时，完成掏膛工作后，内脏破损率、内脏残留率以及掏膛失误率会有较为显著的变化，需后续人工再加工，无法完全满足国内家禽屠宰净膛工作的生产需求。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种结构紧凑、抓取灵活的基于机器视觉的家禽净膛机器人系统，该机器人系统，掏膛定位准确、对家禽体型大小一致性要求较低，且自动化程度高的特点，能保证净膛后内脏的完整性。

本发明采用的技术方案是：一种基于机器视觉的家禽净膛机器人系统，其特征在于：包括用于悬挂输送家禽胴体的禽体运送装置和用于采集禽体图像坐标的机器视觉装置，及计算机、电气控制柜和双直角坐标式机械臂，以及设置在双直角坐标式机械臂上的禽体夹持装置和净膛末端执行器；

所述双直角坐标式机械臂包括机械臂支架、设置在机械臂支架上部横向运动的第一机械臂和设置在第一机械臂上纵向运动的第三机械臂，及设置在机械臂支架下部横向运动的第二机械臂和设置在第二机械臂上纵向运动的第四机械臂，以及设置在第四机械臂上竖直运动的第五机械臂；所述第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂和第五机械臂的运动或启停均通过计算机和电气控制柜控制，所述禽体夹持装置设置在第三机械臂上，所述第三机械臂上设有用于检测禽体运送装置上禽体位置的接近开关，所述净膛末端执行器设置在第五机械臂上；

所述净膛末端执行器包括净膛机械手、用于固定净膛机械手的固定装置、驱动净膛机械手指节弯曲的弯曲机构和驱动净膛机械手开合的分合机构，所述净膛机械手包括若干根手指，每根所述手指均包括依次设置的远指节、中指节、近指节和基座，所述远指节一端和中指节一端通过铰接轴铰接在一起，所述中指节另一端和近指节一端通过铰接轴铰接在一起，所述近指节另一端和基座一端通过铰接轴铰接在一起，所述基座的另一端与分合机构连接，所述铰接轴上均设有扭簧；所述分合机构安装在固定装置上，所述分合机构运动带动手指转动；所述弯曲机构运动带动远指节、中指节和近指节绕着对应的铰接轴转动弯曲。

作为优选，所述禽体运送装置包括输送支架、环形设置输送支架上部的链条、均匀设置在链条上的若干挂钩和用于驱动链条运动固定安装在输送支架上的输送电机，所述输送支架上与挂钩相对位置处设有挂钩检测传感器，所述机械臂支架设置在输送支架内侧，所述挂钩与禽体夹持装置的位置相对应。

作为优选，所述禽体夹持装置包括固定安装在第三机械臂上的底板、对称设置在底板上的两块夹板支架、分别铰接在夹板支架上的两块夹板和驱动夹板运动的气缸，所述气缸尾座通过铰座设置在底板上，所述气缸活塞杆铰接在夹板上，所述活塞杆运动带动两块夹板夹持或松开禽体。

作为优选，所述输送支架上设有用于检测禽体输送速度的第一旋转编码器，所述机械臂支架上设有用于检测第一机械臂移动速度的第二选择编码器。

作为优选，所述弯曲机构包括提供动力的步进电机、与步进电机输出轴连接的绕线轮和缠绕在绕线轮上的腱绳，所述腱绳一端缠绕在绕线轮上，另一端与远指节固定连接。

作为优选，所述固定装置包括上固定板和与上固定板平行设置的下固定板，所述分合机构包括提供动力的舵机、与舵机输出轴连接的主动轴和与主动轴配合的从动轴，所述主动轴和从动轴均穿过上固定板和下固定板，且均通过轴承安装在上固定板和下固定板上，所述主动轴上设有主动齿轮，所述从动轴上设有与主动齿轮配合的从动齿轮，所述主动齿轮和从动齿轮设置在上固定板和下固定板之间，所述主动轴和从动轴上均设有与对应基座连接的上固定块和下固定块，所述上固定块设置在上固定板外侧，所述下固定块设置在下固定板外侧；所述下固定板外侧垂直设有与净膛设备连接的第五机械臂，所述舵机通过舵机支架固定在第五机械臂上。

作为优选，所述机械手指包括三根手指，所述中间一根手指的基座与上固定板和下固定板固定连接，一侧一根所述手指的基座与主动轴上的上固定块和下固定块固定连接，另一侧一根所述手指的基座与从动轴上的上固定块和下固定块固定连接。

作为优选，所述远指节、中指节、近指节和基座相邻连接面之间均设有向内凹陷的V型凹槽。

作为优选，所述腱绳外套设有线管，所述线管穿过上固定块和下固定块固定在中指节、近指节和基座上。

作为优选，所述舵机和步进电机外均设有防护罩，所述防护罩固定在舵机支架上，用于保护舵机和步进电机。

本发明取得的有益效果是：采用机器视觉装置在线采集家禽胴体外形轮廓图像与膛口图像，通过图像处理技术计算出家禽外形轮廓质心坐标与膛口中心坐标，将坐标信息实时传输到计算机中，计算机根据坐标信息实时控制双直角坐标式机械臂上相应机械臂的动作，准确完成净膛工作，有效保证净膛后内脏的完整性；进行净膛工作时，悬挂于禽体运送装置的挂钩上的禽体一直往禽体输送方向运动，计算机能够根据机器视觉装置采集到坐标信息对相应步进电机进行有效控制，保证净膛工作能够在运动状态下进行，实现在线净膛；禽体夹持装置能够根据禽体大小体型调整夹持空间，对净膛工作的家禽对象一致性要求不高；净膛末端执行器保证手指能够在合拢状态下以较小的空间从家禽开肛膛口伸入家禽胴体，在分开状态下弯曲手指各关节，以较大的空间包裹家禽内脏并实现抓取动作。本发明结构合理，视觉定位准确，对净膛对象品种、大小、体型一致性要求低，且具有净膛率较高，内脏破损率较低，运行可靠，维护方便等特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为禽体运送装置的结构示意图；

图3为双直角坐标式机械臂的结构示意图；

图4为禽体夹持装置的结构示意图；

图5为禽体夹持装置夹紧时的状态图；

图6为净膛末端执行器的结构示意图；

图7为图6去掉防护罩后的侧视图；

图8为图7中A处的局部放大图；

图9为单根手指的结构示意图；

图10为机械手指与弯曲机构的连接结构示意图；

图11为分合机构结构示意图；

图12为机械手指抓取时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种基于机器视觉的家禽净膛机器人系统，包括禽体运送装置1、双直角坐标式机械臂2、禽体夹持装置3、净膛末端执行器4、机器视觉装置5、计算机6和电气控制柜7，禽体运送装置1用于悬挂输送家禽胴体，禽体夹持装置3和净膛末端执行器4均安装在双直角坐标式机械臂2上，双直角坐标式机械臂2设置在禽体运送装置1内侧，禽体夹持装置3用于夹持禽体运送装置1的挂钩17上的被运输到相应位置的家禽胴体，净膛末端执行器4用于伸入到家禽胴体内掏出家禽内脏，机器视觉装置5设置在双直角坐标式机械臂2旁，用于采集家禽胴体外形轮廓图像及家禽膛口的图像信息，然后通过图像处理技术计算出家禽外形轮廓质心坐标与膛口中心坐标，将坐标信息实时传输到计算机6中，计算机6根据坐标信息通过电气控制柜7实时控制双直角坐标式机械臂2上相应机械臂的动作，准确完成净膛工作，有效保证净膛后内脏的完整性。

实际工作时，可以在双直角坐标式机械臂2旁设置多个机器视觉装置5同时对家禽胴体图像信息进行采集，保证计算出的家禽胴体的坐标信息的准确性。机器视觉装置5，包括放置在地面上的相机三脚架51、安装在相机三脚架51的相机52以及设置在相机52旁的图像采集背景板53，相机52安装的位置要求能够完整清楚的拍摄到挂钩17上的家禽胴体。

如图2所示，禽体运送装置1，包括输送支架11、链条12、第一旋转编码器13、链轮14、输送电机15、卧式齿轮减速器16、若干挂钩17和挂钩检测传感器18，链条12、第一旋转编码器13、链轮14、输送电机15、卧式齿轮减速器16、若干挂钩17和挂钩检测传感器18均安装在输送支架11上，链条12首尾相连形成一个环形，输送电机15采用三相异步电动机，通过卧式齿轮减速器16和链轮14驱动链条12运动，第一旋转编码器13与链轮14相连，用于检测链轮14的旋转速度(进一步检测链条12及家禽胴体的输送速度)，若干挂钩17均匀设置在链条12的销轴上，用于悬挂家禽胴体。输送电机15运动，通过卧式齿轮减速器16减速后带动链轮14运动，进一步带动链条12直线运动，从而带动挂钩17上的家禽胴体运动，同时机器视觉装置5的相机52拍摄下家禽胴体外形轮廓图像及家禽膛口的图像信息，输入到计算机6内，第一旋转编码器13检测出家禽胴体的输送速度，也输入到计算机6内。

如图3所示，双直角坐标式机械臂2包括机械臂支架20、第一机械臂21、第二机械臂22、第三机械臂23、第四机械臂24、第五机械臂25、第一步进电机211、第二步进电机221、第三步进电机231、第四步进电机241、第五步进电机251和接近开关26，第一机械臂21和第一步进电机211设置在机械臂支架20上部，第一步进电机211运动带动第一机械臂21横向运动；第二机械臂22和第二步进电机221设置在在机械臂支架20下部，第二步进电机221运动带动第二机械臂22横向运动；第三机械臂23和第三步进电机231设置在第一机械臂21上，第三步进电机231运动带动第三机械臂23纵向运动；第四机械臂24和第四步进电机241设置在第二机械臂22上，第四步进电机241运动带动第四机械臂24纵向运动；第五机械臂25和第五步进电机251设置在第四机械臂24上，第五步进电机251运动带动第五机械臂25竖直运动。禽体夹持装置3设置在第三机械臂23上，第三机械臂23上安装有用于检测禽体运送装置1上禽体位置的接近开关26在，当禽体运送装置1上的家禽胴体到达指定位置后，第三步进电机231运动，驱动第三机械臂23纵向伸出，接近开关26检测到家禽胴体时，禽体夹持装置3夹紧挂钩17上的家禽胴体；净膛末端执行器4设置在第五机械臂25上，当禽体夹持装置3夹住挂钩17上的家禽胴体后，第五步进电机251运动，驱动第五机械臂25向上竖直运动，从家禽胴体尾部的肛门处伸入到家禽体内掏出家禽内脏。机械臂支架20上设有第二选择编码器212，第二旋转编码器212与第一步进电机211同轴连接，第一旋转编码器14和第二旋转编码器212配合使用，保证禽体夹持装置3的纵向速度与禽体运送装置1上家禽胴体的输送速度一致，实现输送过程中的在线净膛。

如图4-5所示，禽体夹持装置3包括底板31、气缸32、夹板支架33和夹板34，底板31固定安装在第三机械臂23上，底板31上对称设置有两块夹板支架33，两块夹板支架33上铰接有两块对向设置的夹板34，两块夹板支架33的外侧均设有气缸32，气缸32的尾座321通过铰座36和螺栓安装在底板31上，气缸32的活塞杆322通过鱼眼接头35与夹板支架33和夹板34铰接，气缸32运动带动夹板34运动，夹板支架33底部设有U型槽，使夹板支架33安装于底板31上的位置可调，实现夹持工作区域可调，能够夹持不同体型的家禽胴体。

如图6-7所示，净膛末端执行器4包括净膛机械手41、固定装置442、弯曲机构44和分合机构43，净膛机械手41的手指411伸入到家禽的内腔中用于摘取或挖取内脏，固定装置442设置在第五机械臂25上，固定装置442作为净膛机械手41的支撑，将净膛机械手41与分合机构43连接在一起，分合机构43通过螺栓固定在第五机械臂25上，用于带动张开净膛机械手41中各手指411作轴向旋转运动，进而实现净膛机械手41手指411的张开，弯曲机构44用于驱动净膛机械手41手指411指节弯曲。

如图8-9所示，净膛机械手41包括若干根手指411，每根手指411均包括远指节4114、中指节4113、近指节4112和基座4111，远指节4114、中指节4113、近指节4112和基座4111均采用连杆式结构制作而成，保证手指411指节弯曲后在取内脏的过程中具有一定的强度，远指节4114的插入到家禽内腔的一端设计为尖弧形曲面，便于插入到家禽内腔中，另一端通过铰接轴4117与中指节4113的一端铰接在一起，中指节4113的另一端通过铰接轴4117与近指节4112的一端铰接在一起，近指节4112的另一端通过铰接轴4117与基座4111的一端铰接在一起，基座4111的另一端与分合机构43连接，每根铰接轴4117上均设有扭簧4116，扭簧4116保证手指411的各个指节在无外力作用下保持其初始状态(伸直状态)。结合图8所示，远指节4114、中指节4113、近指节4112和基座4111相邻连接面之间均设有向内凹陷的V型凹槽4115，V型凹槽4115由两个设置在不同指节上的斜面构成，斜面的长度和倾斜决定了指节相互之间绕铰接轴4117旋转的角度(即指节弯曲幅度)，弯曲幅度也与各指节自身的长度有关。

如图10所示，弯曲机构44包括步进电机441、绕线轮442、腱绳443和线管444，步进电机441固定在第五机械臂25上，步进电机441的输出轴与绕线轮442相连，带动绕线轮442转动，绕线轮442上缠绕有腱绳443，腱绳443的自由端与远指节4114固定连接，步进电机441转动，带动绕线轮442转动，绕线轮442上的腱绳443拉动远指节4114绕着铰接轴4117旋转，远指节4114向内弯曲，当远指节4114转动到与中指节4113连接面的V型凹槽4115的斜面接触时，中指节4113开始弯曲，按此方式对应指节依次弯曲，从而实现整个手指411的弯曲运动。腱绳443外套设有线管444，腱绳443可在线管444内任意拉动，且线管444的路径并不影响腱绳443的运动，线管444穿过上固定块436和下固定块437通过扎带或细铁丝固定在中指节4113、近指节4112和基座4111上。

如图11所示，固定装置442包括上固定板421和下固定板422，上固定板421和下固定板422平行设置，均与基座4111垂直，下固定板422外侧通过螺栓与净膛设备连接的第五机械臂25垂直固定。分合机构43包括舵机431、主动轴432和从动轴433，舵机431通过舵机支架439固定安装在第五机械臂25上，舵机431的输出轴与主动轴432连接，驱动主动轴432转动，主动轴432和从动轴433均通过轴承438安装在上固定板421和下固定板422上，可以自由转动，两端通过轴承套限制轴向窜动；主动轴432上设有主动齿轮434，从动轴433上设有从动齿轮435，主动齿轮434和从动齿轮435相啮合，主动轴432带动从动轴433转动，主动齿轮434和从动齿轮435均位于上固定板421和下固定板422之间，主动轴432和从动轴433上均设有上固定块436和下固定块437，上固定块436位于上固定板421外侧，下固定块437位于下固定板422外侧，主动轴432和从动轴433通过上固定块436和下固定块437与对应手指411的基座4111固定连接，主动轴432和从动轴433转动带动对应的手指411沿圆周方向转动，从而实现净膛机械手41的手指411间的相互张开。

如图12所示，本实施例的净膛机械手41包括三根手指411，中间手指411的基座4111与上固定板421和下固定板422固定连接，一侧的一根手指411的基座4111与主动轴432上的上固定块436和下固定块437固定连接，另一侧的一根手指411的基座4111与从动轴433上的上固定块436和下固定块437固定连接。舵机431转动，主动轴432带动主动轴432上的上固定块436和下固定块437转动，进而带动与主动轴432连接的一侧的一根手指411作轴向旋转；同时主动轴432通过主动齿轮434和从动齿轮435驱动从动轴433转动，从动轴433带动从动轴433上的上固定块436和下固定块437转动，进而带动与从动轴433连接的另一侧的一根手指411作轴向旋转(与主动轴连接的手指转动方向相反)，中间一根手指411由于和上固定板421和下固定板422固定，不作旋转，从而实现三根手指411之间的张开，张开角度由舵机431的转动角度决定，保证三根手指411可以在指定区域范围内转动，调节手指在作业平面上周向位置，因此净膛机械手41可以形成不同姿态下的抓取动作，可以针对不同的家禽对象进行合理有效的抓取。

为了防止净膛机械手工作中，血水或其它污染物滴落在舵机431和步进电机441上，在舵机431和步进电机441外均设有防护罩46，防护罩46固定在舵机支架439上，用于保护舵机431和步进电机441免受污染，延长使用寿命。

本发明的运动原理是：对PLC控制器进行程序编辑，机器人系统的控制部分分为手动与自动模式。首先在手动模式下，通过人机交互触摸屏控制禽体运送装置1的输送电机15正反转，及双直角坐标式机械臂2的第一机械臂21、第二机械臂22、第三机械臂23、第四机械臂24和第五机械臂25运动，以及净膛末端执行器4的动作进行调试。调试完成后，切换到自动模式，将经过切肛的家禽胴体悬挂在禽体挂钩17上，禽体输送装置1将禽体不断向前输送，当禽体被输送至图像采集区域时，相机52分别采集一帧家禽胴体外形图像及家禽膛口图像，通过数据采集线传输至计算机6中，图像经过计算机6图像处理系统进行计算，得出家禽胴体外形质心坐标及膛口中心坐标，然后计算机6将坐标信息传输至PLC控制器中，指导后续净膛工作。禽体输送装置1继续将禽体不断向前输送，当禽体到达净膛工作区域时，第一步进电机211和第二步进电机221开始转动，经过对PLC控制器编程，使第一步进电机211和第二步进电机221转速保持一致，此时安装于禽体输送装置1上的第一旋转编码器14检测送料速度，安装于第一步进电机211轴上的第二旋转编码器212检测相对应机械臂的水平步进速度，当送料速度与步进速度一致，挂钩检测传感器18检测到挂钩17，接近开关26检测到禽体时，第三机械臂23根据坐标信息向前运动纵向伸出，当安装于第三机械臂23上的禽体夹持装置到达能够夹持到禽体的位置时，夹持住禽体，然后第五机械臂25根据家禽外形轮廓质心信息向上运动，第四机械臂24根据膛口中心坐标信息带动第五机械臂25向后运动，使安装于第五机械臂25上的净膛末端执行器4准确的从家禽膛口沿着腹腔壁伸入到家禽的腹腔内(净膛末端执行器4在合拢状态下以较小的空间从家禽膛口深入家禽胴体)，舵机431驱动净膛机械手41的手指411张开到指定形态，步进电机441驱动手指411弯曲(在分开状态下弯曲手指各关节，以较大的空间包裹家禽内脏并实现抓取动作)，将家禽内脏包裹住，当净膛末端执行器4手掌中心到达家禽外形轮廓质心坐标后，第五机械臂25开始向下运动，将家禽内脏取出，家禽内脏取出后各机械臂回到原点，完成一次家禽净膛工作。当下一只家禽进入净膛工作区时，以同样的动作完成一次净膛工作。若旋转编码器检测到的送料速度与机械臂水平移动的步进速度不一致，或挂钩检测传感器18未检测到挂钩17，或接近开关212未检测到禽体时，对应机械臂均无动作，不进行净膛工作。整个净膛工作均在家禽胴体输送方向上运动过程中完成，期间无停顿，一次净膛工作均在各机械臂行程中完成。