西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 唐 媛 馬 喆 張峻瑞 向 宇 金 梅

傳統(tǒng)機(jī)器人分揀存在笨重、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、精度較低等缺點(diǎn)。本項(xiàng)目針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)改良，設(shè)計(jì)的智能分揀機(jī)器人以STM32微控芯片作為控制器，機(jī)器人利用攝像頭進(jìn)行物品二維碼掃描得到相關(guān)物品信息后，機(jī)器人使用機(jī)械臂對(duì)物品進(jìn)行抓取，再進(jìn)行巡線將物品送到相應(yīng)區(qū)域。這樣保證了整個(gè)分揀過(guò)程的方便性、準(zhǔn)確性與安全性，因此也降低了人工分揀疲勞所帶來(lái)的錯(cuò)誤率，提高工作效率。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高,已經(jīng)有越來(lái)越多的人開(kāi)始在網(wǎng)上購(gòu)物,這極大地促進(jìn)了快遞等物流行業(yè)的發(fā)展?？爝f物流業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)是連接供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重要組成部分。特別是在像“雙十一”這樣的大型網(wǎng)購(gòu)活動(dòng)時(shí)，大量包裹需要在一段時(shí)間內(nèi)快速分揀、運(yùn)送。

目前，物流企業(yè)普遍采用人工分揀的方式對(duì)收到的貨物進(jìn)行分揀，而這種分揀方式存在著諸多的問(wèn)題，比如基層工人負(fù)擔(dān)大、分揀效率低等；有些物流公司也采用機(jī)器人分揀，但傳統(tǒng)機(jī)器人分揀存在笨重、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、精度較低等缺點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能分揀機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過(guò)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人分揀技術(shù)改良后，智能分揀機(jī)器人能很好地滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，通過(guò)智能分揀機(jī)器人的幫助可大大提高工作效率、降低勞動(dòng)成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中使用STM32微控制器對(duì)整個(gè)機(jī)器人進(jìn)行控制，在項(xiàng)目中使用到的功能有IO口復(fù)用、PWM波的輸出、串口通訊、定時(shí)器中斷、外部中斷、定時(shí)器等。本次硬件識(shí)別模塊采用二維碼掃描傳感器識(shí)別技術(shù)，通過(guò)掃描傳感器對(duì)貨物二維碼進(jìn)行掃描獲取相關(guān)貨物信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要是直流電機(jī)，直流電機(jī)負(fù)責(zé)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，其起動(dòng)和調(diào)速性能好。機(jī)械臂采用六個(gè)舵機(jī)和爪子組成，舵機(jī)由PWM波控制占空比來(lái)進(jìn)行控制。CCD模塊進(jìn)行圖像采集，圖像數(shù)據(jù)反饋給STM32進(jìn)行處理，最后通過(guò)MCU統(tǒng)一控制進(jìn)行調(diào)配。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能分揀機(jī)器人，其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

智能分揀機(jī)器人主要包含識(shí)別模塊、核心主板、運(yùn)輸模塊、機(jī)械結(jié)構(gòu)這4個(gè)模塊，下面分別詳述。

2.1 識(shí)別模塊

識(shí)別模塊主要運(yùn)用攝像頭識(shí)別二維碼。該模塊采用CMOS感光器件和專用鏡頭模組，支持全方向識(shí)讀智能鎖定目標(biāo)從而快速、超強(qiáng)的識(shí)讀二維/一維條碼，其可以將二維碼圖像通過(guò)感光頭讀取、識(shí)別并解讀二維碼圖像信息，實(shí)現(xiàn)信息的解碼和采集。其可以實(shí)現(xiàn)使智能分揀機(jī)器人識(shí)別標(biāo)簽包含的貨物運(yùn)輸信息，進(jìn)而將貨物運(yùn)送到相應(yīng)區(qū)域。

2.2 核心板模塊

使用STM32系列芯片作為核心主板，STM32系列是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3，STM32的核心Cortex-M3處理器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的微控制器結(jié)構(gòu)，而Cortex-M3系列處理器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用可以全部在C語(yǔ)言環(huán)境中完成。此模塊可以對(duì)不同的類型的信息進(jìn)行處理結(jié)合，其是智能分揀機(jī)器人的大腦和判斷機(jī)構(gòu)。

2.3 運(yùn)輸模塊

利用CCD模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的巡線運(yùn)輸?shù)墓δ埽撃K可以實(shí)現(xiàn)圖像的自掃描，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)圖像，直接顯示圖像全貌。本項(xiàng)目中的機(jī)器人就是利用CCD模塊對(duì)路面進(jìn)行圖像采集，并將采集到的數(shù)據(jù)反饋給主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后，機(jī)器人聽(tīng)從核心板的控制對(duì)識(shí)別出身份的貨物進(jìn)行傳送和送達(dá)指定的位置。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用具有六自由度的機(jī)械臂來(lái)完成對(duì)貨物的裝卸。該機(jī)械臂由6個(gè)舵機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的六自由度運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手采用主從控制方式，其開(kāi)發(fā)可基于STM32單片機(jī)的編寫(xiě)程序，因此可以通過(guò)串口與STM32單片機(jī)串行通訊，從而達(dá)到連續(xù)動(dòng)作對(duì)貨物進(jìn)行裝卸的目的。

智能分揀機(jī)器人在電源打開(kāi)后，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊后給主控芯片STM32微控器、二維碼掃描模塊、CCD圖像采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械臂模塊進(jìn)行供電。首先二維碼掃描模塊對(duì)物品的二維碼進(jìn)行掃描，獲取信息后反饋給主控芯片，之后主控芯片調(diào)動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行貨品抓取，之后機(jī)器人根據(jù)CCD模塊采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送給主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后調(diào)控電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而調(diào)控了直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而進(jìn)入循跡狀態(tài)。

3 主要軟件設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，使用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，使用的編譯器為Keil5。Keil編譯器完美的支持使用C語(yǔ)言對(duì)STM32系列芯片的驅(qū)動(dòng)，該編譯器功能非常強(qiáng)大，支持在線仿真功能，可以通過(guò)觀察窗看到每一個(gè)寄存器的值，可以更加直觀的看到程序設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤并及時(shí)改正，對(duì)于程序的調(diào)試非常有幫助。程序編寫(xiě)時(shí)使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅(qū)動(dòng)過(guò)程封裝在不同的.c文件中，在main.c文件中只實(shí)現(xiàn)調(diào)用的過(guò)程，不同文件中函數(shù)的調(diào)用通過(guò)對(duì)相應(yīng).h文件的引用來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊化編程最大的好處就是程序的可閱讀力比較強(qiáng)，編程思路的體現(xiàn)更加清晰，對(duì)于程序的分模塊調(diào)試以及程序修改也非常方便。

智能分揀機(jī)器人在開(kāi)始程序啟動(dòng)后，完成各模塊的初始化。區(qū)定位功能等，直到機(jī)器人達(dá)到預(yù)期效果。

首先將小車放置在取貨點(diǎn)，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，機(jī)器人進(jìn)行二維碼掃描和抓取貨物，獲取信息后，小車根據(jù)得到的信息進(jìn)行搬運(yùn)貨物至相應(yīng)區(qū)域，之后再返回取貨點(diǎn)，如此來(lái)回。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本智能分揀機(jī)器人能對(duì)正確的物品二維碼信息進(jìn)行處理、物品的裝卸動(dòng)作較為流暢、送達(dá)指定分區(qū)功能較為完善。因此，本智能分揀機(jī)器人具有一定的實(shí)用性、方便性、準(zhǔn)確性與安全性，其降低了人工分揀疲勞所帶來(lái)的錯(cuò)誤率，提高了工作效率。

總結(jié)與展望：根據(jù)市場(chǎng)需求，本智能分揀機(jī)器人選取STM32微控芯片作為主控芯片對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行控制。相較于人工分揀貨物來(lái)說(shuō)，本智能分揀機(jī)器人的工作效率更高、工作時(shí)間更加持久、工作費(fèi)用更加低廉；相較于傳統(tǒng)分揀裝置來(lái)說(shuō)，本智能分揀機(jī)器人擁有更良好的穩(wěn)定性、更便捷的操作性、更高的精確性。本機(jī)器人通過(guò)攝像頭掃碼，識(shí)別出二維碼中分揀目的地和路線等信息，從而使貨物快速高效地分揀、裝卸，節(jié)省了大量的人工。本設(shè)計(jì)采用無(wú)線模塊傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸信息完整，降低信息丟失機(jī)率，降低了貨物丟失的機(jī)率。結(jié)合搬運(yùn)條件的各方面來(lái)說(shuō)，在降低成本的同時(shí)，提高了工作的效率。

本項(xiàng)目以物流分揀為基礎(chǔ)，聯(lián)想到智能分揀機(jī)器人，但其本身的應(yīng)用層面更廣，不僅局限在單純的物流分揀之中，首先，對(duì)物品的二維碼掃描。其次，機(jī)器人判斷其是否為正確的二維碼。若是正確的二維碼則機(jī)械臂進(jìn)行貨物夾?。蝗舨皇钦_二維碼，機(jī)器人移除該物品，繼續(xù)檢測(cè)下一貨物的二維碼信息。之后，機(jī)器人將物品送達(dá)指定位置。后再返回取貨點(diǎn)，如此反復(fù)作業(yè)。具體操作流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本項(xiàng)目完成后，在模擬的貨物分揀情境中不斷調(diào)試智能分揀機(jī)器人對(duì)貨物二維碼的識(shí)別功能、貨物裝卸的動(dòng)作功能、送到指定分更是可以應(yīng)用到家禽、化工、礦石等領(lǐng)域，應(yīng)用于食品行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、化妝品的生產(chǎn)線等之中。