蛋胚成活性分拣机器人真空吸盘装置设计与试验

0 引 言

“鸡胚法”是生物疫苗制造业的主要生产方式，即将毒种注入鸡胚（蛋胚）中，使毒种伴随鸡胚的发育自然繁殖，鸡胚继续发育3 d左右，每枚大约含有8～12 mL的半成品抗原[1-2]。蛋胚孵化培养9～11 d后，向蛋胚注射毒种（俗称接种）。接种后继续孵化2～3 d，进行尿囊液提取（俗称收获）。在流感疫苗接种和收获前，均需要对蛋胚进行成活性检测，同时剔除死胚和弱胚蛋，即是蛋胚分拣。

蛋胚成活性自动检测、自动分拣以及蛋盘自动装卸机械手，成为疫苗制造行业不可或缺的蛋胚自动检测分拣成套设备。法国、美国、荷兰等国家已实现蛋胚成活性自动识别和分拣，其设备主要包含蛋盘自动装卸机构、蛋胚成活性识别部分、蛋胚自动分拣部分。国外设备的识别部分，一次完成42枚蛋胚的识别，因此分拣机构也完成42枚蛋胚分拣。国内蛋胚成活性识别研究有单宝明实现的单枚图像识别方法，徐彦伟等实现的单枚多信息融合识别技术，电子科技集团41所采用42枚胚蛋识别方式已产品化[3-6]。为了匹配胚蛋识别速度，提高胚蛋分拣效率，本文设计一种单次分拣168枚分拣装置。

以42枚蛋胚分拣的真空泵提供负压方式，采用扩展方式用于168枚蛋盘分拣。在试验测试时，出现漏捡、跌落和胚浆吸出现象。通过对供气管线的负压检测，发现存在的问题主要有：负压管路增多，负压管线增长造成管路之间的负压不均，导致分拣时蛋胚吸出胚浆，蛋胚吸持不住、或者分拣盘移动时蛋胚跌落等分拣问题。为解决上述问题，设计以真空发生器为核心的蛋胚成活性分拣机器人真空吸盘装置。

1 蛋胚分拣机器人吸盘装置

1.1 蛋胚分拣执行结构

真空吸盘装置是蛋胚成活性分拣机器人的重要组成部分，真空吸盘装置完成蛋胚的吸持、移位、落盘的功能。装置由气动控制系统和蛋胚分拣执行机构2部分组成。气动控制系统由蓄能器、真空发生器、电磁换向阀、真空吸盘和管线构成，完成蛋胚的吸持。蛋胚分拣执行机构主要由分拣支架、4个平行升降气缸、同步带传动模组、传动带、分拣盘组成，完成蛋胚的移位，如图1所示。

蛋胚分拣执行机构，是驱动分拣盘完成蛋胚分拣的自动装置。蛋盘在传送带的带动下，定位至真空分拣盘下方。4个平行气缸驱动真空分拣盘下降，吸盘和待分拣蛋胚耦合、吸持，气缸缩回带动分拣盘上升，在同步带传动模组的驱动下，真空分拣盘定位至蛋胚回收处，将蛋胚落盘，周而复始完成蛋胚的分拣[7-11]。分拣盘吸持蛋胚在同步带传动模组的驱动下，沿导轨实现一个匀加减速和匀速的平动。兼顾分拣效率与分拣装置的平稳性，控制系统驱动分拣盘在启停时的惯性不足以引起分拣装置的晃动，经试验测试确定匀加减速的时间是300 ms，匀速是1 m/s，因此分拣盘吸持蛋胚径向加减速度为

3.3 m/s2。升降部分采用气缸，调整气缸的节流阀，控制气缸的加减速度为6.4 m/s2。

图1 蛋胚分拣执行机构Fig.1 Egg embryo sorting actuating mechanism

1.2 蛋胚分拣气动系统

蛋胚分拣气动系统的4个平行升降气缸，是蛋胚分拣执行机构的一部分，完成蛋胚分拣盘的升降功能。气动系统的主要功能是产生负压，驱动吸盘吸持蛋胚。为解决168枚分拣的负压回路增加，导致负压不均的问题，采用真空发生器产生负压，实现独立回路负压控制方式，解决回路之间的相互影响，负压系统采用空气压缩机和真空发生器产生负压，替代真空泵提供负压方式。负压气动回路由空气压缩机、储能器、电磁换向阀、节流阀、真空发生器、管线和真空吸盘组成，每一路真空吸盘均有独立的电磁换向阀控制通断，实现168枚蛋盘每个蛋位的独立控制，达到任意蛋位分拣的目的。负压气动回路如图2所示。

图2 蛋胚分拣气动系统Fig.2 Pneumatic system of egg embryo sorting

蛋胚分拣负压系统由168路独立负压回路组成，每路蛋胚吸持能力受储能器的高压气体供给能力，真空发生器的负压特性，吸盘的吸持能力，连接管线的响应能力的影响。参考待分拣蛋胚的质量，确定蛋胚吸持临界负压，以此为设计依据，对以上4个方面进行分析、试验、设计。

2 蛋胚分拣机器人吸盘装置关键部件及参数

2.1 蛋胚吸持负压值的确定及缓冲改进

在蛋胚和吸盘气流场组成的气固两相流体系统中，当吸盘接近蛋胚时，蛋胚在吸盘附近会与气流场产生复杂的相互耦合作用，在吸盘较远处，蛋胚对吸盘气流的影响较小，此时可以忽略气流场与蛋胚之间的相互耦合作用。蛋胚受到吸盘口垂直向上的气流作用，蛋胚受到的力有向上的绕流阻力R（N）、浮力F（N）和向下的重力G（N）。假设蛋胚为球形，则根据流体力学知识得[12-16]

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