江西理工大學 機電工程學院 江西贛州 341000

1 設(shè)計背景

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,電子商務(wù)行業(yè)發(fā)展迅猛,隨之而來的是海量的快遞件需要分揀和配送。傳統(tǒng)的人工分揀效率低下,已經(jīng)無法滿足要求。在一些大型倉儲中心，雖然已經(jīng)實現(xiàn)快遞件的自動化分揀[1],但是整套分揀系統(tǒng)體積龐大，價格昂貴。在小型快遞中轉(zhuǎn)站,依然需要人工分揀,龐大的快遞量讓工人處于繁重的勞動中。筆者設(shè)計了一種基于OpenMV機器視覺模塊識別的快遞分揀機器人控制系統(tǒng)[2],主要功能是在小型快遞中轉(zhuǎn)站替代人工進行快遞件分揀,通過機器視覺實現(xiàn)快遞件的識別、定位、掃碼、分類,降低工人的勞動強度,提高快遞分揀的效率及物流行業(yè)的自動化水平。這一項目具有較好的工作基礎(chǔ),借助中國工程機器人大賽平臺,已經(jīng)制作出樣機,運行效果良好。

2 硬件組成

快遞分揀機器人控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示,以STM32單片機為核心,通過接口電路連接機器視覺模塊、舵機、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊和氣泵吸盤控制模塊[3-4]。單片機通過傳感器感知機器人的狀態(tài)，并控制以上模塊協(xié)調(diào)運作，完成快遞分揀的任務(wù)。

▲圖1 快遞分揀機器人控制系統(tǒng)硬件組成

快遞分揀機器人控制系統(tǒng)硬件電路可以分為邏輯電路和驅(qū)動電路。邏輯電路主要包括各型傳感器和單片機,對電源的穩(wěn)定性要求較高。驅(qū)動電路電流較大,要求電子元器件能夠在大電流的條件下穩(wěn)定工作。

3 機器視覺模塊的應(yīng)用

快遞分揀機器人在到達快遞件識別區(qū)后，要判斷區(qū)域內(nèi)是否存在快遞件,這時需要使用機器視覺模塊進行識別。由于現(xiàn)有的快遞件絕大多數(shù)都由標準的快遞盒封裝,為長方體形狀,因此只要識別到有矩形存在,就說明有快遞件。為達到這一目的,筆者采用了邊緣檢測算法和矩形識別算法。通過調(diào)用官方庫提供的變形動畫函數(shù)morph對圖像進行卷積[5],然后調(diào)用二進制功能函數(shù)binary對圖像進行閾值分割,最后調(diào)用腐蝕函數(shù)erode去除邊緣相鄰處多余的點,從而得到快遞件輪廓清晰的灰度二值化圖像。快遞件輪廓識別如圖2所示,實踐證明以上方法具有可行性。

▲圖2 快遞件輪廓識別

得到灰度二值化圖像后，可以調(diào)用矩形識別算法，得到快遞件表面四個角的坐標[6],從而引導機械臂前往抓取。對于快遞件上的條形碼,可以調(diào)用條形碼檢索函數(shù)find_barcodes進行識別,通過無線局域網(wǎng)上傳識別結(jié)果，更新物流信息。

4 電路設(shè)計

4.1 邏輯電路

快遞分揀機器人控制系統(tǒng)采用鋰離子電池供電,電池電壓變化范圍為21.6～25.2 V。當電壓低于21.6 V時,需要充電。邏輯電路包括三部分:機器視覺模塊、單片機和傳感器。采用5 V直流電供電,則降壓穩(wěn)壓電路的輸入電壓為21.6～25 V,輸出電壓為5 V?？紤]到要給機器視覺模塊、單片機及傳感器供電,供電電路采用LM2596穩(wěn)壓芯片[7],最大輸出電流可達3 A,能夠滿足邏輯電路的工作要求。邏輯電路的電源電路如圖3所示，圖3中Uin為輸入電壓，Uout為輸出電壓。

4.2 電機驅(qū)動電路

快遞分揀機器人控制系統(tǒng)采用三種電機,分別為直流電機、步進電機和舵機。直流電機需要通過程序控制啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、加減速[8],調(diào)速性能要求高,筆者采用MC33886全橋驅(qū)動芯片進行驅(qū)動[9]。步進電機需要控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，以及旋轉(zhuǎn)角度,筆者采用TB6560步進電機驅(qū)動器進行驅(qū)動。舵機作為機械臂的原動件,需要精確控制轉(zhuǎn)角,信號線直接與單片機引腳接口連接，由此進行控制。

▲圖3 邏輯電路電源電路

4.3 傳感器電路

快遞分揀機器人控制系統(tǒng)所應(yīng)用的接近傳感器由紅外對光管組成,其工作原理為紅外光源發(fā)出紅外線,紅外線敏感元件檢測反射回的紅外線；當反射回的紅外線達到一定強度時,觸發(fā)電平變化，可見,當與快遞件之間的距離小于某定值時,傳感器輸出電平發(fā)生變化,從而確認快遞分揀機器人的位置。紅外對光管電路如圖4所示，圖4中UCC為供電電壓，OUT為輸出。

▲圖4 紅外對光管電路

應(yīng)用巡線傳感器,使快遞分揀機器人按照預先設(shè)計的路線移動,所巡的線可以是白色或黑色膠帶。每個巡線傳感器由八路獨立小單元組成,每個小單元由發(fā)光二極管燈、光敏電阻和電壓比較器組成,八路小單元一字排開。位于線正上方的小單元和位于其它位置的小單元狀態(tài)是不一樣的,通過讀取每個小單元的狀態(tài),就可以知道快遞分揀機器人偏離黑線或白線的程度,進而控制電機轉(zhuǎn)速，修正快遞分揀機器人的位置,直至沒有偏離或到達目的地為止。

4.4 氣泵、氣閥控制電路

氣泵用于產(chǎn)生真空,連接吸盤后可用于快遞件的抓取。氣泵與吸盤間連接一個氣閥,通過控制氣閥來控制快遞件的吸取與放下。氣泵和氣閥均采用5 V直流電供電,使用電子開關(guān)控制。氣泵、氣閥控制電路分別如圖5、圖6所示,使用單片機的PC6、PC7引腳進行控制。單片機引腳輸出高電平時,氣泵、氣閥工作;輸出低電平時,氣泵、氣閥停止工作。

▲圖5 氣泵控制電路▲圖6 氣閥控制電路

5 軟件程序設(shè)計

5.1 整體控制程序

快遞分揀機器人啟動后,為保證能夠正常運作,首先進行自檢,包括網(wǎng)絡(luò)連接狀況、機械臂復位、轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)盤復位。自檢無誤后，快遞分揀機器人由起點出發(fā),到達識別區(qū)。啟動機器視覺模塊識別快遞件。機器臂將識別成功的快遞件放入轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)盤,快遞分揀機器人將快遞件運往傾倒區(qū),將對應(yīng)類別的快遞件倒出,最后回到識別區(qū)。如此循環(huán)運行,直到快遞分揀完畢為止?？爝f分揀機器人控制程序流程如圖7所示。

5.2 傳感器狀態(tài)讀取程序

快遞分揀機器人控制系統(tǒng)中使用了較多的接近傳感器,這些傳感器通過接口電路與單片機引腳相連。快遞分揀機器人運行過程中,通過讀取這些接近傳感器所探測到的信息,就可以了解快遞分揀機器人所處的狀態(tài)。這些接近傳感器只有兩種狀態(tài),沒有觸發(fā)時為高電平,觸發(fā)時為低電平,因此只需要讀取對應(yīng)引腳的電平即可。接近傳感器信息讀取程序流程如圖8所示,巡線傳感器信息讀取程序流程類似。

5.3 單片機與機器視覺模塊通信程序

單片機與機器視覺模塊之間采用串口通信[10],為保證信息傳輸?shù)臏蚀_性,需要約定傳輸協(xié)議。根據(jù)實際情況,約定每次傳輸五位8 bit二進制數(shù),前兩位為0xAA,即十進制數(shù)170。第三、第四位為有效信息數(shù)據(jù)。

▲圖7 快遞分揀機器人控制程序流程▲圖8 接近傳感器信息讀取程序流程

第五位為0x55,即十進制數(shù)85。只有第一、第二位為170且第五位為85時,傳輸數(shù)據(jù)才有效,這樣可以大大提高傳輸?shù)臏蚀_性。單片機與機器視覺模塊通信程序流程如圖9所示?？爝f分揀機器人到達識別區(qū)后,單片機發(fā)送開始識別指令,機器視覺模塊開始輪廓識別。如果有快遞件,則向單片機發(fā)送有快遞件指令。單片機接收后，判斷轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)盤情況。在轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)盤未滿的情況下,發(fā)送掃碼指令。機器視覺模塊開始掃碼,并將中心坐標、路徑信息，以及快遞件類別和編號發(fā)送至單片機。單片機控制機械臂將快遞件抓取至轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)盤后，機器視覺模塊繼續(xù)開始輪廓識別。直至轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)盤裝滿或沒有快遞件,快遞分揀機器人前往傾倒區(qū)。

▲圖9 單片機與機器視覺模塊通信程序流程

6 樣機制作

筆者制作快遞分揀機器人樣機，旨在驗證控制系統(tǒng)的可行性，完成中國工程機器人大賽快遞分揀賽項任務(wù)。

快遞分揀機器人實物制作指標如下：

(1)轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)盤容量為三種類型快遞件，每類三件;

(2)單件抓取時間為15 s;

(3)機械臂活動范圍為400 mm;

(4)最大移動速度為0.2 m/s;

(5)電池電壓為24 V;

(6)連續(xù)工作時間為2 h。

快遞分揀機器人樣機如圖10所示。經(jīng)過調(diào)試,快遞分揀機器人能夠完成比賽規(guī)則中規(guī)定的任務(wù),運行情況穩(wěn)定?？爝f分揀機器人機械臂使用吸盤吸起快遞件如圖11所示。

▲圖10 快遞分揀機器人樣機

▲圖11 快遞分揀機器人吸盤吸起快遞件

7 結(jié)束語

筆者在分析目前國內(nèi)外快遞分揀機器人的基礎(chǔ)上,設(shè)計了快遞分揀機器人控制系統(tǒng)。根據(jù)實際應(yīng)用需求,將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于快遞分揀中,設(shè)計了硬件電路和軟件程序?？爝f分揀機器人樣機達到預期的設(shè)計要求,能夠自動分揀放置在地面上的快遞件,順利完成了中國工程機器人大賽快遞分揀賽項,驗證了控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性。