机器人柔性去羊腿系统

20210528

制造业

应用技术

新装备

不转让

基于手眼视觉、六维力觉、双手协调机器人分割羊腿骨系统开发

国家科技计划

独立研究

①课题来源与背景 本成果任务来源为国家重点研发计划《牛羊屠宰与畜禽分割技术装备研发与示范》（项目编号：2018YFD0700800）。该项目由中国农业机械化科学研究院承担，下设5个课题，其中课题4《家畜产品智能自动分割技术和装备研发》（课题编号：2018YFD0700804）由华中农业大学承担，其研究任务3《基于手眼视觉、六维力觉、双手协调机器人分割羊腿骨系统开发（2018YFD0700804-3）》由中国农业大学承担。 目前国内有关家畜胴体分割的机械化程度较低，分割方式一般为人工配合生产线的操作模式，耗费人力大，分割速度慢，分割效率低，另外胴体部分部位的分割需要工人长时间与冷鲜胴体接触，对工人身体伤害较大。因此无论从肉品食用、加工还是商业角度，都需要建立完善、科学和便利的胴体分割技术体系，研发自动化及智能化畜肉分割装备，提高我国畜肉屠宰分割的智能化水平。 ②技术原理及性能指标 本项目研制了用于经排酸处理后的未劈半冷却羊胴体上整体分割四肢的多机器人柔性分割机器人系统。该系统布置在传统后腿吊挂运输线排酸间后的人工去腿工位，连续自主的完成人机协同上料、工位转换、后腿分割、前腿分割和人工收集的全过程。多机器人羊腿柔性分割系统由回转上料机构、机器人柔性拉扯系统、分割机器人、手眼视觉识别定位系统以及中央控制柜组成，包括一个上料收集工位和一个封闭式分割工位。柔性拉扯机器人系统用于在上料收集工位柔顺地跟从工人拖动，固定或取下羊腿，还用于在分割过程配合分割动作扯紧和弯折羊腿关节部位的肌肉，以便于机器人的分割，提高分割效率。手眼视觉识别定位系统在执行分割动作前通过多个视点的深度检测单元准确扫描待羊胴体点云，识别定位目标羊只并根据羊只表型参数计算相应的分割路径。分割机器人系统主要组成是一个六自由度协作机器人，其末端安装有六维力感知刀具。回转上料系统用于夹持固定从吊挂运输线上取下的羊胴体，并实现羊胴体在上料收集工位与封闭式分割工位之间的搬运动作。上述四个系统通过以太网与中央控制柜相连。中央控制柜的软件平台采用了ROS架构，包括机器人分割控制、在线决策和视觉识别定位的程序和手动控制调试界面。 ③技术的创造性与先进性 本项目立足于家畜肉品智能分割装备技术领域，面向畜禽肉品高效精准机器人自主分割系统的研究，力求解决羊胴体四肢柔性分割、拉扯开放性问题，突破了羊腿肉多机器人柔性分割技术、羊腿肉手眼视觉分割参数检测技术、羊腿肉分割行为在线决策技术等关键技术瓶颈，取得了系列原始创新成果。本成果是对羊四肢带骨腿肉精细分割关键技术的重要探索，具有深远研究价值，填补了我国羊肉胴体四肢整体分割柔性自主机器人系统技术的空白。 本项目针对分割过程中复合肌体组织与刀具接触形式复杂，分割任务的动力学模型难以准确获取的问题，通过时序卷积神经网络对切削力状态信号特征高维编码与提取，并通过黑 盒优化强化学习算法和内惩罚优化算法搜索控制策略模型参数，实现了羊腿分割柔性路径实时决策，提高了系统的泛化性与自适应调节性能。 ④技术的成熟程度，适用范围和安全性 本项目研究的多机器人柔性分割羊腿骨系统具有广阔经济前景，可解决国内大型企业带骨腿肉分割工序人员密集生产模式劳动强度大、肉品容易污染、效率低、损耗多、加工品质一致性差的问题；还可用于中小企业，以促进其改出半机械化加工方式为主、屠宰加工装备及智能化技术落后、投入人力成本大、存在卫生安全问题的现有发展模式。该系统可应用于传统的后腿悬挂式羊胴体分割生产线，布置于排酸间后的人工四肢分割工位，上料时由人工辅助将羊胴体推入综合上料系统，并拖动柔性保持状态下的拉扯机械臂以固定羊四肢。分割过程中若能根据羊胴体重量进行初级分级则可匹配最佳的初始分割参数。必要时可采取多机回转安装方式以获得最大分割效率。 ⑤应用情况及存在的问题 多机器人柔性分割羊腿骨系统性价比高，便于国内生产线集成升级。与国内大型企业人员密集生产模式相比可降低人力成本，减少土地投资。本成果可用于低温、低光照、全天候的快速加工，降低肉品损耗，提升肉品，创造经济价值。本成果填补家畜胴体柔性分割、拉扯技术短板，提升肉类智能加工装备技术水平，提升我国智能肉类加工装备的国际竞争力。 本项目实现了羊胴体四肢多机器人柔性分割的上料、前腿分割、后腿分割、收集全过程和感知、决策、控制各环节的集成，但仍存在以下问题： （1）目标羊只视觉语义特征和切削力时序特征的融合方法有待改进；（2）分割异常的在线诊断、安全约束、工况辨识和事件处理机制尚不完善；（3）生产线整合、全工作周期在线学习、长期数据维护有待探索 ⑥历年获奖情况 2021年5月，获得第一届中国农业机器人创新大赛 三等奖。