经典案例
白酒上甑工艺工业机器人系统研究
上海交通大学
工业机器人,上甑工艺机器人,示教学习,机器示教
人工上甑过程操作人手中的簸箕

在中国千年的白酒发展历史中,传统的酿造工艺不断在保留中创新发展。甑其实是我国古代的蒸食用具,在白酒上甑过程中,甑料被一层层均匀铺到甑锅内,保证在不跑汽不压汽的前提下,使蒸汽从底部一层一层往上渗透,蒸馏出酒甑中的酒精。

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图1-上甑过程

上甑工艺作为酿酒过程中的核心环节,直接决定出酒率和白酒品质。目前大多数白酒酒厂中,上甑过程仍需要大量人工完成,在35~40min的工艺过程中工人们往往要重复成百上千次铲料、铺料的动作,搬运的甑料总质量超过2t。

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图2-工人使用簸箕上甑现场及簸箕运动轨迹

随着高精度、高负载工业机器人的发展,工业机器人替代人工完成上甑过程成为了可能。现有的酿造上甑机器人往往按照预定轨迹执行,根据铺满每层甑料设计铺料结构,但在部分区域由于姿态限制难以完成漏气补料任务,与人工上甑工艺区别较大。

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图3-NOKOV度量动作捕捉软件画面

为了在上甑工艺环节尽可能接近人工手法,保证人工工艺的传承,上海交通大学的研究人员分析了上甑师傅典型的作业手法,设计一套面向上甑工艺的机器人作业系统。研究人员在上甑现场布置了6台NOKOV度量光学动作捕捉镜头,在簸箕的边缘粘贴三个反光标识点,通过跟踪反光标识点来采集上甑过程中簸箕的空间运动轨迹,对人工上甑过程进行动作数据采集,作为原始示教轨迹。

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图4-工作空间俯视图

由于人工操作没法实现每次上甑铺洒动作完全一致,研究人员提出一种基于样条曲线-高斯概率模型的上甑轨迹泛化编码算法,将NOKOV度量动作捕捉系统采集到的现场上甑示教轨迹导入泛化模型,得到工人上甑工艺在空间中的轨迹特征。

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图5-上甑机器人工作实景

之后研究人员对上甑区域进行了分割,计算每个区域的铺洒轨迹,并设计了上甑机器人作业系统。作业系统由六轴工业机器人作为执行器,搭载甑料流速可控的末端料斗机构。

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图6-上甑机器人工作空间三维视图

通过计算在每个区域的最大速度,结合料斗机构的伺服性能,制定上甑作业的控制策略,最终实现了接近人工上甑工艺的效果。

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参考文献:

[1]杨艺,王宏彬,张栗寅,刘超,盛鑫军.面向上甑工艺的机器人作业系统研究[J].科学技术与工程,2021,21(36):15516-15528.   

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