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]
式中Cd为阻尼系数，其与蛋胚形状、表面状态和雷诺数有关，阻尼系数参照三维旋转椭球体长短轴比例小于2∶1时，层流Cd阻尼系数为0.27[17-20]；ρ为空气的密度，标准状况（25 ℃，101 kPa）下为1.169 kg/m3；ds为胚蛋的半径，m（测试100枚胚蛋的平均直径为42 mm，测试时胚蛋的大头向上）；vt为作用在蛋胚上的气流速度，m/s。
对于球型胚蛋浮力
式中sρ为蛋胚的密度，蛋胚的平均密度为1 100 kg/m3。m为蛋胚的质量（kg）；
式（1）、（2）和（3）代入式（4）可得吸起球型蛋胚的临界气流速度为
当吸盘的气流速度大于胚蛋吸起临界气流速度时，胚蛋克服重力的阻碍，当距离吸孔某处气流速度大于蛋胚临界气流速度时，蛋胚即开始被吸起，随着被吸起的蛋胚越来越接近吸孔，吸孔处气流场与蛋胚之间将产生复杂的耦合作用，蛋胚加速运动至吸盘口上，此时由吸盘内部静负压提供吸力平衡蛋胚的重力。
由于蛋胚是不规则的球形，因此随着蛋胚在气流方向上投影面积的变化，受到的绕流阻力R也不断变化，所以对于蛋胚，临界气流速度为一个范围值。蛋胚悬浮临界气流速度通过试验测得为10～12 m/s，按照吸盘入口处气流速度为12 m/s，进行胚蛋吸持试验发现。分拣接种前的蛋胚，不存在吸力不足胚蛋跌落，而在分拣入库胚蛋（接种后的蛋胚），发现有胚浆被吸出现象（因接种后蛋胚气室处留有针孔）。
蛋胚吸起时，蛋胚与吸盘存在接触和非接触2种情况，当蛋胚与吸盘非接触时，是高速气流对蛋胚向上的绕阻力将蛋胚吸起，需要大负压。当蛋胚与吸盘接触时，是吸盘内外压力差将蛋胚吸起，需求负压小。若存在这2种情况，选取大负压，蛋胚吸持后，蛋胚内的压力大于吸盘内的压力，胚浆流出。为了解决这一现象，需要在吸持前，每枚蛋胚都能与吸盘接触，降低系统负压。分拣盘安装吸盘后，如图3a吸盘的高度一致，蛋盘与分拣盘平行，每个蛋位到对应的吸盘高度一样。由于蛋胚大小不一，分拣时，部分蛋胚与吸盘非接触。因此优化吸盘安装方式，采用图3b的安装方式，蛋胚的高度不一，由缓冲杆来弥补，在分拣时，每枚蛋胚均能与吸盘接触，极大地降低了气动系统的负压值。
图3 吸盘安装机构示意图
Fig.3 Schematic diagram of sucker mounting mechanism
改进吸盘吸持方式后，吸盘需要产生的吸力为
式中d为吸盘的有效内径（m）；P0为环境大气压力（101.3 kPa）；P为吸盘入口区域的气体平均压力（Pa）；g为重力加速度（9.8 m/s2）。即采用缓冲杆吸持胚蛋时，需要的负压值为P-P0=89.108- 101.3=-12.192 kPa。
2.2 真空发生器的特性分析及选择
空气压缩机产生的高压气体，经电磁换向阀，直连真空发生器，避免由于连接气管的气体喘流带来的压降。依据分拣执行机构的控制特性，蛋胚在分拣过程中受到的轴向加速度为6.4 m/s2，径向加速度为3.3 m/s2。因此吸盘不仅需要提供克服蛋胚重力的吸力，还需提供克服蛋胚加速运动的吸力，克服加速轴向最小力吸力为0.062 5× 6.4=0.4 N，径向最小吸力为0.062 5×3.3=0.2 N。轴向吸力需同时克服蛋胚重力0.062 5×9.8=0.61 N，因此吸盘需要负压值为-12.192×（1+6.4/9.8）=-19.8 kPa，真空发生器的型号选择需满足蛋胚吸持所需负压值。电磁换向阀采用德力西4V210-08，真空发生器采用德力西CV-15HS，空气压缩机采用5 L的捷顺JS3001，对真空发生器的供气压力与负压关系进行试验，将真空发生器负压端连接吸盘，通过给真空发生器提供压力为100～700 kPa的高压气体，在真空发生器的负压端连接压力表，测试吸盘开口和耦合蛋胚时真空发生器负压端的压力值。试验结果如图4所示。吸盘与蛋胚耦合时的最大负压为-58 kPa，吸盘开口时的最大负压为-47 kPa，负压值均大于蛋胚吸持所需压力-12.192 kPa。蛋胚与吸盘紧密接触，所需吸持负压值为-12.192 kPa。由于蛋胚表面斑点、黏着污物的影响，吸盘与蛋胚之间存在缝隙，降低了吸盘的吸力，为了安全吸持，将吸持负压提高至-20 kPa。由图4所示真空发生器在吸盘开口、吸持蛋胚时，只要供气压力大于240 kPa，产生的负压大于-20 kPa，满足蛋胚吸持压力，因此蓄能器的供气压力不能小于240 kPa。
图4 真空发生器吸持特性
Fig. 4 Vacuum generator suction characteristics
2.3 吸盘选择及吸持力影响分析
吸盘的形状及尺寸，决定了蛋胚在吸持转移过程的可靠性。蛋胚的吸持不仅与负压值有关，还与吸盘与蛋胚的耦合情况有关。蛋胚分拣过程分为蛋胚垂直吸持和水平移动，因此吸持综合力包含了蛋胚的垂直吸力和径向力[21-26]。垂直吸力主要克服胚蛋的自重和吸盘变形的反作用力，径向力主要克服吸盘水平运动时的加减加速度带来的冲击。
试验采用2种吸盘进行，吸盘选取能够耦合蛋胚的气室，蛋胚的气室最大截面直径宜为30～35 mm，因此选择吸盘1为最小孔径为12 mm、耦合吸盘外径34 mm，吸盘2为最小孔径为15 mm、耦合吸盘外径为30 mm。在负压值为-20 kPa，分别测试胚蛋吸持时，所能承受的最大轴向力和最大径向力。挑拣大小不同的胚蛋30枚，在同一个吸盘控制位，采取更换吸盘的方式进行试验，试验测得轴向力和径向力如图5所示。
经试验测试吸盘1的最小轴向吸持力为1.12 N，最小径向吸持力为0.22 N。吸盘2的最小轴向吸持力为1.72 N，最小径向吸持力为0.15 N。综合轴向和径向吸持力需求，选择吸盘1。
图5 不同吸盘的吸力特性
Fig.5 Suction characteristic of different sucker
2.4 储能器的容积设计
蛋胚分拣过程中，真空发生器需要提供持续的负压，因此要求储能器能够提供足够流量的高压气体。储能器容积设计，按照气体能量守恒方程进行计算。电磁换向阀启动后，压力管道内容积为V1、初始压力为P1的气体，与储气罐内容积为V2、压力为P2的气体相互扩散混合，若平衡后的压力达到启动压力P，则可求得储能器容积
蛋胚分拣时，需要负压不小于-20 kPa，参照图6真空发生器的负压与流量关系，在负压值为-20 kPa时，所需高压气体的流量为45 L/min，蛋胚吸持等待时间、气缸上升时间、分拣盘在同步带传动模组驱动下行走1.3 m耗时之和t=3.5 s。由图4真空发生器的特性知，蛋胚可靠吸持负压为-20 kPa时，真空发生器的供气压力应为0.24 MPa，与厂家提供的参考供气压力0.4 MPa进行耗气量对比试验。由测试真空发生器的参数知，当真空发生器产生-20 kPa压力时，真空发生器的耗气量为45 L/min，胚蛋从吸持到分拣完成耗时t=3.5 s，因此一路吸盘完成一个分拣循环，需要2.625 L的高压气体，即蓄能器的容量不能小于441 L。
图6 真空发生器供气量与负压特性
Fig.6 Characteristics of vacuum generator air supply and negative pressure
2.5 气管长度与吸持响应时间的关系试验分析
气管越短，真空吸盘越能够快速吸持蛋胚，减少分拣盘等待时间，提高分拣效率。同时吸盘将胚蛋放回回收框时，电磁换向阀动作，切断真空发生器的高压进气，使得负压腔压力升高，大于胚蛋吸持的临界负压，胚蛋落下。由于待分拣蛋盘的宽度为500 mm，考虑蛋盘传送机构的边沿，吸盘固定板需要水平移动600 mm。如果将真空发生器固定在吸盘固定板上，将增加其转动惯量，降低其灵活性，增加设备功耗。为了兼顾吸盘的动态响应特性和整机的效率，将真空发生器固定在桁架的中上方，抽气管的长度约为600 mm。
因此需要对气管长度与吸持响应时间进行试验，启动空气压缩机，达到额定气压时，启动电磁换向阀，对真空发生器供高压气体，使得真空发生器能够提供稳定负压。为了精确测量气管长度对吸盘响应时间的影响，在真空发生器与吸盘气管之间设有直通电磁阀，当直通电磁阀开启时，气管开始进入负压，使得吸盘吸持胚蛋。调整真空吸盘与胚蛋耦合、更换不同长度的气管，测试对同一个胚蛋吸持的响应时间。试验采用CANEN750D相机拍摄，依据播放帧数确定吸持响应时间。控制系统同时控制直通换向阀和相机，作为计时的起点，当三层硅胶吸盘，吸起胚蛋脱离蛋盘至最高位置时为时间结束点。图7为气管长度与吸持响应时间的关系，在管线在600 mm长时，响应时间为10 ms，负压系统的最长管线为600 mm，因此分拣盘下降吸持蛋胚的等待时间不能低于10 ms。
图7 气管长度与吸持响应特性（负压0.025 MPa）
Fig.7 Characteristics of tracheal length and suction response (Negative pressure of 0.025 MPa)
3 胚蛋分拣试验
为了验证分拣机器人真空吸盘装置的有效性和可靠性，采用多种模式分拣测试。2017年3月分拣试验在某生物疫苗厂的照蛋间进行为期7 d的性能测试，验证负压系统负压值选取的合理性。依据最大待分拣率50%，人工挑选待分拣蛋胚随机放置蛋盘中，分别按照-15、-20、-25 kPa的负压值分拣80盘蛋胚，验证不同情况下的分拣性能。当分拣机构接收分拣信息后，步进电机驱动机构带动分拣盘[27-30]，定位至蛋位上方。吸盘下压胚蛋，真空吸盘发生微形变，使得吸盘和胚蛋有效耦合。按照待分拣蛋位信息，打开对应蛋位的直动式电磁换向阀，使得真空发生器工作，产生负压吸起胚蛋。升降联动气缸抬起吸盘后，在步进电机驱动机构的带动下平移至回收框上方，将胚蛋放下。真空吸盘装置测试如图8a所示。
图8 真空吸盘装置测试及应用
Fig.8 Testing and application of vacuum suction device
试验结果表明（表1），在负压为-15 kPa时，无胚浆吸出，但蛋胚跌落率较高；负压为-25 kPa时，无蛋胚跌落，但胚浆吸出率较高；负压为-20 kPa时，无蛋胚跌落，胚浆吸出率低。因此蛋胚分拣负压值设置为-20 kPa，蛋胚分拣成功率99.89%，胚蛋吸持中跌落率为0，满足蛋胚分拣的需求，与理论计算值接近。采用储能器集中供高压，真空发生器独立控制方式，缩短了负压回路长度，有效解决了真空腔的压力不均，所导致的胚蛋吸力不足而跌落和负压过大吸出胚浆的现象。每个蛋位吸盘采用缓冲机构，有效解决了因蛋胚高度不一带来的吸盘与蛋胚耦合问题。经试验，真空分拣装置的蛋胚分拣性能满足高效可靠蛋胚分拣要求。同时将该装置安装在6自由度机械人上如图8b所示，用于错位分拣。分拣机器人真空吸盘装置，替代了人工分拣，结合识别机构，实现了蛋胚检测和分拣的自动化，提高了胚蛋的分拣效率。
表1 接种蛋胚分拣测试结果
Table 1 Inoculated egg embryo sorting test results
4 结 论
1）采用高压储能器驱动真空发生器提供负压，每个吸盘独立负压回路控制，解决了集中负压式带来的压力不均，避免了胚蛋吸持时的跌落和无法吸持现象。
2）通过对气管的动态响应性、真空发生器性能、吸盘形状、储能器容积等影响负压回路供压因素分析，优化了负压回路，采用皱褶式吸盘和吸盘缓冲杆，使吸盘和蛋胚在吸持前，能够很好地耦合，降低了蛋胚吸持负压值，解决了蛋胚吸持时的胚浆吸出问题，也提高了系统的动态响应性。
3）蛋胚成活性分拣机器人真空吸盘装置接收待分拣蛋位信息，完成蛋胚定位、吸持、落盘整个分拣过程中，在负压为-20 kPa时，蛋胚分拣成功率99.89%，胚蛋吸持中跌落率为0，胚浆吸出率极低，满足生产需求。
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