一種自動(dòng)分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鐘 晨，張鳳濤

(長春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長春 130032)

0 引言

現(xiàn)如今，隨著人們生活水平的逐漸提高，線上購物越來越多。物流倉儲(chǔ)是線上銷售中非常重要的一環(huán)，而貨物分揀投遞又是其中必不可少的，所以現(xiàn)在的快遞量以及倉儲(chǔ)的貨物量都非常大，若是全靠人力分揀貨物不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，研究一種分揀機(jī)器人在如今電商為主導(dǎo)的貨物銷售中是很有必要的，它可以自動(dòng)完成掃描識(shí)別，并根據(jù)貨物信息將其投遞到指定位置，既節(jié)省人力，又提高了貨物分揀的準(zhǔn)確率。為此，本文研究了一種可以掃描-投遞的自動(dòng)分揀機(jī)器人。

1 分揀機(jī)器人系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的分揀機(jī)器人系統(tǒng)組成及應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，它主要由黑色標(biāo)識(shí)線1、投放口2、掃描模塊3、門形識(shí)別系統(tǒng)4、貨物5(含條形碼)、分揀機(jī)器人6等組成。分揀機(jī)器人從門形識(shí)別系統(tǒng)處出發(fā)，根據(jù)所攜帶貨物的條形碼，沿著黑線自主規(guī)劃行走路徑，并將貨物投放至對(duì)應(yīng)的投放口中，投放后能夠重新回到出發(fā)點(diǎn)，等待下一次裝入貨物，如此周而復(fù)始地循環(huán)工作。

1-黑色標(biāo)識(shí)線；2-投放口；3-掃描模塊；4-門形識(shí)別系統(tǒng)；5-貨物(含條形碼)；6-分揀機(jī)器人

按其功能，可將分揀機(jī)器人系統(tǒng)分為門形識(shí)別系統(tǒng)和分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)兩部分，本文將分別介紹其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)分揀機(jī)器人的工作環(huán)境，對(duì)分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它主要由電源部分、主控部分、傳感器部分、機(jī)械傳動(dòng)部分和顯示部分等組成，該分揀機(jī)器人以兩輪差速的形式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

圖2 分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源部分的設(shè)計(jì)

采用電池供電有方便移動(dòng)式機(jī)器人攜帶的優(yōu)點(diǎn)，因此在分揀機(jī)器人供電方式上選擇使用電池供電。設(shè)計(jì)采用3S鋰聚合物電池作為電源，該電池能量密度高且放電倍率較大，能以較大的電流在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)放電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

但是在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)3S鋰聚合物電池電壓較大，可以直接為DC12 V電動(dòng)機(jī)供電，但傳感器、單片機(jī)及其外圍電路需要采用DC5 V電源供電，且所需的功率與電機(jī)消耗的功率相比微乎其微，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖3所示的DC-DC降壓電路，這樣可以使控制系統(tǒng)中所有電源均來自一塊3S鋰聚合物電池。

圖3 DC-DC降壓電路

2.2 主控部分設(shè)計(jì)

根據(jù)整體設(shè)計(jì)思路，需要主控系統(tǒng)擁有至少2個(gè)PWM輸出端口、兩組串口以及大約30個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口。因此設(shè)計(jì)使用Arduino Mega2560單片機(jī)開發(fā)板配合拓展板，它共有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口(且有15個(gè)可以作為PWM輸出)、16個(gè)模擬輸入端口和4個(gè)UART串口，接口非常豐富，完全可以滿足使用要求。并且其處理速度較快，能使分揀機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 循跡傳感器設(shè)計(jì)

為使分揀機(jī)器人在循跡過程中保持較高準(zhǔn)確度，并排安裝了3個(gè)循跡傳感器，并且設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)分揀機(jī)器人能允許安裝的位置較小，因此我們采用了自主設(shè)計(jì)的四路封裝的紅外循跡模塊，其優(yōu)點(diǎn)在于紅外探頭體積較小、方便多個(gè)并排安裝，并且將比較電路等集中在一塊電路板上，提高了循跡的準(zhǔn)確性。

2.4 顯示部分設(shè)計(jì)

根據(jù)分揀機(jī)器人的使用場(chǎng)景，該系統(tǒng)需要顯示貨物的相關(guān)信息以及運(yùn)行時(shí)間等，考慮到只需要顯示兩行字符，因此采用了體積較小的LCD1602，它雖然只能顯示16×2即32個(gè)字符，但是可以滿足本設(shè)計(jì)的需要，并且方便安裝。

2.5 無線通訊部分設(shè)計(jì)

由于分揀機(jī)器人與門形識(shí)別系統(tǒng)之間需要進(jìn)行無線通訊，因此使用HC-12無線通訊模塊，它具有易于安裝、連接方便穩(wěn)定、成本低廉等特點(diǎn)。

2.6 電機(jī)部分設(shè)計(jì)

分揀機(jī)器人采用電池供電，因此電機(jī)采用常見的DC12 V直流電機(jī)，這類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動(dòng)方便、使用壽命長，比較符合分揀機(jī)器人的使用場(chǎng)景。

2.7 分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

綜上所述，設(shè)計(jì)的分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)以Arduino Mega 2560單片機(jī)為主控芯片，通過自主設(shè)計(jì)的四路封裝的紅外循跡模塊為機(jī)器人指路，從而使機(jī)器人能按照既定路線行進(jìn)，通過HC-12接收模塊接收貨物信息，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)分揀機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

圖4 分揀機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 門形識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門形識(shí)別系統(tǒng)的作用主要是完成貨物識(shí)別并告知分揀機(jī)器人投放位置，同時(shí)控制分揀機(jī)器人的啟動(dòng)和停止，這個(gè)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)起掃描貨物編號(hào)并發(fā)送指令的作用。采用了使用較為方便的HC-12無線傳輸模塊來將貨物信息傳送給分揀機(jī)器人，并且門形識(shí)別系統(tǒng)上的光電傳感器還可以使機(jī)器人返回起點(diǎn)時(shí)每次都停在指定位置。門形識(shí)別系統(tǒng)的主控、電源、顯示部分均采用與分揀機(jī)器人主系統(tǒng)相同的設(shè)計(jì)方案。門形識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 門形識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)主要考慮了接收數(shù)據(jù)、循跡以及電機(jī)PWM調(diào)速等部分。機(jī)器人啟動(dòng)后，各個(gè)傳感器完成初始化，限位開關(guān)檢測(cè)到貨物后，機(jī)器人開始循跡沿既定路線通過龍門架，門形識(shí)別系統(tǒng)上的條形碼掃描模塊掃描到貨物信息后發(fā)送至機(jī)器人，機(jī)器人沿著路線停到對(duì)應(yīng)位置，此時(shí)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，將貨物投入；而后，機(jī)器人再次開啟循跡，按照路線返回起點(diǎn)，光電傳感器檢測(cè)到機(jī)器人后，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人主程序流程如圖6所示。

圖6 機(jī)器人的主程序流程

5 測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試方案

(1) 軟件仿真：通過電腦軟件測(cè)試電路的可行性。

(2) 軟件硬件聯(lián)合調(diào)試：將使用C語言編寫的Arduino程序燒錄至單片機(jī)，開啟機(jī)器人及門形識(shí)別系統(tǒng)，測(cè)試條碼掃描是否正確，機(jī)器人投遞是否準(zhǔn)確，返回起點(diǎn)時(shí)是否按照既定位置停車。

5.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過多次測(cè)試得到如表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù)。由表1可知，機(jī)器人投遞準(zhǔn)確率達(dá)到了66.7%，由于測(cè)試條件受限，并未達(dá)到理論的準(zhǔn)確率，說明設(shè)計(jì)中還存在問題。

表1 第1輪測(cè)試結(jié)果

5.3 問題及解決方案

(1) 問題1：機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎后會(huì)出現(xiàn)識(shí)別不到路線并開始原地繞圈的問題。解決方案：將2個(gè)識(shí)別黑線的傳感器改成3個(gè)，并在循跡程序中加入了糾偏算法，使其迅速找回路線。

(2) 問題2：機(jī)器人在投放過程中容易出現(xiàn)投放不準(zhǔn)確的情況。解決方案：延時(shí)投放會(huì)隨著電池電壓的下降出現(xiàn)每次投放位置不同的問題，必須將其改成位置定位。因此在車輪后安裝傳感器，監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，從而使機(jī)器人準(zhǔn)確停在相應(yīng)的位置。

(3) 問題3：投放完貨物后機(jī)器人總是按照最遠(yuǎn)的路線返回起點(diǎn)。解決方案：對(duì)每個(gè)投放位置單獨(dú)做機(jī)器人的循跡算法優(yōu)化，使得其每次都可以按照最優(yōu)路線返回起點(diǎn)。

(4) 問題4：門形識(shí)別系統(tǒng)偶爾會(huì)出現(xiàn)無法識(shí)別貨物條形碼或識(shí)別不準(zhǔn)確的情況。解決方案：由于環(huán)境光線對(duì)條形碼識(shí)別傳感器的影響較大，因此在門形識(shí)別系統(tǒng)的上方安裝LED補(bǔ)光系統(tǒng)，使系統(tǒng)在條形碼識(shí)別過程中不受外界光線干擾。

5.4 再次測(cè)試結(jié)果

解決上述問題后，進(jìn)行了第2輪測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，測(cè)試準(zhǔn)確率較第一次有明顯提升，投放準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。

6 結(jié)語

經(jīng)過多次測(cè)試，自動(dòng)分揀機(jī)器人的投遞準(zhǔn)確率、掃描準(zhǔn)確率都在理論值范圍內(nèi)，完全可以勝任自動(dòng)識(shí)別貨物、自動(dòng)完成投遞的任務(wù)。在機(jī)械與電子兩個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作下，它可以代替人工更快地完成工作，顯著提高了工作效率以及準(zhǔn)確度。

在設(shè)計(jì)過程中當(dāng)然也存在一些問題，例如機(jī)器人的工作時(shí)間較長，后續(xù)可以通過程序算法的優(yōu)化提高投遞速度，減少單個(gè)貨物的分揀投放時(shí)間，進(jìn)一步提高工作效率。