基于Makeblock的智能硬幣分揀裝置的設(shè)計(jì)制作與優(yōu)化

付 勤，唐燁鋒

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，蘇州 215123）

超市、銀行、公交公司等部門需要對(duì)大量的硬幣進(jìn)行高效的處理，分類、計(jì)數(shù)使其再次流通，自動(dòng)售貨機(jī)除了識(shí)別之外，還需要提供找零功能。現(xiàn)有的硬幣歸納裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，操作困難，使用效率低，無法滿足市場(chǎng)上對(duì)大量不同面值或者不同直徑硬幣的區(qū)分工作。

Makeblock是一個(gè)模塊化組裝及編程的機(jī)器人DIY平臺(tái)，產(chǎn)品主要包含各種搭建材料五金和工具、電子模組及配套軟件編程工具。硬件包括Makeblock主控板（或Arduino主控板）、電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)板、其他機(jī)械元件、連接件等。利用Makeblock設(shè)計(jì)一個(gè)智能硬幣分揀裝置，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的硬幣篩選及收納，使用方便，易于移動(dòng)，篩分效率高。

1 硬幣分揀裝置機(jī)械整體方案的設(shè)計(jì)與制作

該硬幣收納裝置在支架模塊一端設(shè)置有滑槽機(jī)構(gòu)，支架上方設(shè)置有移動(dòng)機(jī)構(gòu)，支架下方設(shè)置有篩分板，移動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置有可轉(zhuǎn)動(dòng)的撥幣轉(zhuǎn)輪，撥幣轉(zhuǎn)輪在篩分板上方往復(fù)移動(dòng)；篩分板從前向后分別設(shè)置有多組落幣孔，每組落幣孔的直徑從前向后不斷增大。可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的硬幣篩選及收納，使用方便，易于移動(dòng)，篩分效率高。整體結(jié)構(gòu)共分為4個(gè)不同的模塊，如圖1所示：

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

滑槽模塊用于將硬幣批量導(dǎo)入，以避免由于硬幣數(shù)量過多而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪工作壓力變大。轉(zhuǎn)輪模塊負(fù)責(zé)帶動(dòng)硬幣旋轉(zhuǎn)，使其落入相應(yīng)區(qū)域的孔洞。支架模塊足夠牢固起到支撐作用，同時(shí)便于整個(gè)裝置的位置移動(dòng)。滑動(dòng)模塊負(fù)責(zé)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪模塊的水平位移。這樣轉(zhuǎn)輪模塊平移到相應(yīng)區(qū)域后，隨著轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)硬幣的分揀。

1.1 滑槽模塊的安裝

滑槽模塊用5個(gè)并排的單孔梁，配有舵機(jī)控制其開與關(guān)。當(dāng)接受到命令時(shí)，舵機(jī)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)擋板使累積的硬幣有向下滑動(dòng)的空間。滑槽的長(zhǎng)度確保硬幣會(huì)散落到一角區(qū)域的轉(zhuǎn)輪內(nèi)側(cè)。

圖2 滑槽模塊側(cè)視圖

1.2 篩分板的設(shè)計(jì)和加工

篩分板分為1角硬幣區(qū)、5角硬幣區(qū)和1元硬幣區(qū)，用美國Robert&Assoc公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的基于PC機(jī)的專業(yè)3D造型軟件Rhinoceros 5完成設(shè)計(jì)。

先按照1角和5角硬幣的孔徑畫出分揀區(qū)域陣列的頂視圖，正視圖和右視圖，軟件自動(dòng)合成三維圖像。如圖3、圖4所示：

圖3 篩分板分揀區(qū)域陣列設(shè)計(jì)圖

圖4 篩分板實(shí)物圖

1.3 轉(zhuǎn)輪模塊的設(shè)計(jì)改進(jìn)和加工

轉(zhuǎn)輪模塊采用12V直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)力道充足；單孔梁-092由支架3*6豎直排布，減少轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦；以上部件由同步帶輪固定在直流電機(jī)上；包圍直流電機(jī)的六邊固定柱能更好支撐電機(jī)，并留下足夠連接其他模塊的空間。

圖5 轉(zhuǎn)輪模塊俯視圖 圖6 轉(zhuǎn)輪模塊側(cè)視圖

調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于所選的金屬元件有磨損，安裝后4個(gè)轉(zhuǎn)接片不在同一個(gè)平面上，有一端翹起，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分硬幣脫離分揀區(qū)域，于是決定將轉(zhuǎn)輪部份和連接部分進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和加工。

轉(zhuǎn)輪和連接部分——轉(zhuǎn)輪卡扣的設(shè)計(jì)和制作如圖7所示：連接部分——轉(zhuǎn)輪卡扣的設(shè)計(jì)制作如圖8所示：

沒有設(shè)計(jì)預(yù)留轉(zhuǎn)輪卡扣的孔，而是最后使用銼刀打磨，是為了保證其連接緊固可靠。完成轉(zhuǎn)輪和連接部分——轉(zhuǎn)輪卡扣的設(shè)計(jì)和制作后，重新搭建轉(zhuǎn)輪模塊如下，從而完成轉(zhuǎn)輪部份和連接部分的整體設(shè)計(jì)和加工。

1.4 支架模塊安裝

支架起到支撐作用，所以必須足夠牢固。以方形梁-504為基礎(chǔ)，確保了底部不會(huì)散架；雙孔梁-496兩孔中間的卡槽剛好卡住底板，在其四角安裝了4個(gè)雙孔梁-032保證底板不會(huì)移動(dòng)。以萬向輪和支架U1制作4個(gè)輪子，將輪子安裝在機(jī)器的底部四角；以不同規(guī)格方形梁和45°連接片制作拉手，將拉手連接在底部一端的正中心。

圖7 轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)圖

圖8 轉(zhuǎn)輪卡扣設(shè)計(jì)圖

圖9 轉(zhuǎn)輪卡扣打孔后實(shí)物圖

圖10 轉(zhuǎn)輪+轉(zhuǎn)輪卡扣+電機(jī)組裝圖

圖11 支架安裝實(shí)物圖

1.5 滑動(dòng)模塊的安裝

滑動(dòng)模塊的安裝是本執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部分，分為滑軌、傳送帶及步進(jìn)電機(jī)的安裝，方形梁與光軸呈“Ⅱ”型排布，在其右側(cè)安裝步進(jìn)電機(jī)，左側(cè)使用支架安裝同軸帶輪32T，并在進(jìn)步電機(jī)中軸上水平位置安裝同軸帶輪18T，最后使用85cm開口同步帶連接，接口用同步帶固定片和支架連接緊固，防止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)卡帶脫離。支架下方懸掛一個(gè)小型矩形方框，將同步帶接口固定在矩形方框中部，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以同時(shí)帶動(dòng)矩形方框移動(dòng)。矩形方框的兩臂對(duì)稱位置與滑塊連接，使滑塊能夠跟隨矩形方框，沿光軸滑軌同步移動(dòng)。

圖12 滑動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)

1.6 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝

將4個(gè)不同的模塊組裝起來需注意以下幾點(diǎn)：①轉(zhuǎn)輪模塊與滑動(dòng)模塊安裝，注意六邊固定柱需要提前埋螺絲進(jìn)去。②將①安裝到支架模塊，注意選用雙孔梁-176的一邊。③將滑槽模塊安裝到②，使用連接片45°使滑槽模塊傾斜。

圖13 塑料一體件轉(zhuǎn)輪整體機(jī)械組裝圖

2 電子模組的選用與連接

主控板選用Orion主控板，共有八個(gè)數(shù)據(jù)端接口和兩個(gè)電機(jī)接口。數(shù)據(jù)端接口上共涂有紅，藍(lán)，黃，白，黑，灰這幾種顏色。其中紅色代表6-12V的輸出電壓；藍(lán)色代表雙向數(shù)字接口；黃色代表單向數(shù)字接口；白色代表I2C接口；黑色代表單向或雙向模擬信號(hào)接口；灰色代表硬件串口。各個(gè)電子模塊接口端都帶有顏色，接線必須連入相應(yīng)顏色的端口對(duì)應(yīng)上。

圖14 Orion 主控板

所選用的電子模塊和主控板的接線關(guān)系如表1所示：

表1 接線表

觸摸傳感器：用于機(jī)器工作的開啟，連接主板端口3。RJ25轉(zhuǎn)接板：接口1用于連接舵機(jī)（主板上沒有專門的舵機(jī)接口），灰色端口連接主控板端口6。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：用于步進(jìn)電機(jī)的控制，紅色端口連接主控板端口1。另一接口連步進(jìn)電機(jī)。轉(zhuǎn)輪連接的直流電機(jī)直接連到Orion主控板電機(jī)接口1。

3 Orion主控板軟件編寫

3.1 軟件流程圖

圖15 軟件流程圖

3.2 主程序編程界面

圖16 主程序編程界面

圖17 主程序編程界面（續(xù)）

4 分揀裝置的優(yōu)化

使用Makeblock器件設(shè)計(jì)開發(fā)的智能硬幣分揀裝置，主要完成以下內(nèi)容：一是放入硬幣，硬幣自動(dòng)進(jìn)入分揀器，經(jīng)過分揀區(qū)，自動(dòng)歸納到指定區(qū)域。二是能有效識(shí)別目前使用的硬幣（1元、5角、1角）。

在制作過程中遇到如下問題，通過對(duì)分揀裝置的優(yōu)化進(jìn)行解決。

調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)有的硬幣可能正好被轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪帶到其中心，導(dǎo)致錯(cuò)過相應(yīng)的孔洞；于是在轉(zhuǎn)輪中間用3D打印了一個(gè)阻擋裝置和一個(gè)轉(zhuǎn)輪外邊框（撥幣圈），限制硬幣的移動(dòng)范圍。以避免這類情況發(fā)生。

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)移動(dòng)的單位距離差別較大，通過在軟件中設(shè)置不同的步數(shù)值，完成步進(jìn)電機(jī)的正確歸位。理論值歸位需要2160步，實(shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)1199步時(shí)就剛好能歸位。

由于三種硬幣的的直徑是由游標(biāo)卡尺測(cè)量，而定制的PCD篩分板也是精確到0.01mm的，運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致1角和5角硬幣剛好卡在孔洞無法正常掉落，用磨砂棒對(duì)每一個(gè)孔洞進(jìn)行微小的打磨，從而解決此類問題。

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，有時(shí)硬幣在篩分板上重疊情況比較嚴(yán)重，導(dǎo)致硬幣有時(shí)不能在相應(yīng)的區(qū)域正常掉落，優(yōu)化方案是在轉(zhuǎn)輪中間的h高度位置（一個(gè)硬幣高度＜h＜兩個(gè)硬幣高度）在阻擋裝置和轉(zhuǎn)輪邊框（撥幣圈）之間安裝聽裝可樂上剪下來的拉直鋁帶，隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)鋁帶碰到重疊硬幣時(shí)，可順利將其撥落，從而解決了硬幣重疊問題，保證了硬幣分揀的高可靠性。在轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)中增加撥落桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖所示。

圖18 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖