物品分拣搬运装置的设计*

张雪梅

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

1 综述

随着现代科技的发展，生产生活变得更加高效，机械化和自动化成为发展的主流。现有的自动分拣系统发展相对成熟。采用机械爪搬运经过单片机对I/O的循环扫描测得相应的传感器返回值工作，但运动速度相对较慢，完成任务时间长，费用高。采用小车搬运[1]，基于微积分微调预测算法程序调节电机的转速及转动方向，使之快速到达道具的位置，进而采用smith预测算法调控舵机[2]，使得夹子精确地夹取道具，使得小车达到能够快速将比赛道具移至指定区域的任务要求。该程序采用双算法修正，使整个装置更精确，稳定，但费用要求高，小车在重复的进行搬运，耗费时间也相对长。电机搬运[3]，选用STC51单片机，设计以单片机为中央处理器的电机搬运方法，通过提前在单片机输入命令，在电机上放置摆臂，运用四个电机工作，将物体放置指定地点，花费时间少，用费较低，能够较快地进行搬运，但完成的精密数少，不能进行有区别性的搬运。

2 系统设计方案及实现

2.1 总体方案设计

通过比较，综合考虑认为在满足功能要求的前提下51系列单片机相对来说效率较高，成本最低。该物品分拣搬运系统可分为核心控制模块、电源模块、颜色识别模块、显示模块、电机驱动模块、按键检测等构成。整个系统采用电机横向/纵向扫描平台，在纵向轴上放置四个直流电机，其中一组电机实现纵向扫描，另一组实现左右运动的横向扫描，完成物品分拣搬送。在二维基础上加上舵机在固定的丝杆上面，通过带编码器的直流电机和舵机在丝杆上移动，进而进行物品分拣搬送。其系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2.2 原理分析

2.2.1 物体辨别

根据红外对管在检测区域内对物品进行检测，将检测到的物品信息通过通信的方式传送给STC51单片机[4]，通过单片机检验的信息来控制舵机和电机的运动，进而实现对物品的筛分，物品检测完后，主控机控制横向/纵向扫描平台将筛分后物品搬运到指定区域。

2.2.2 搬运机构运动控制方法

整个系统采用电机横向/纵向扫描平台，在纵向轴上放置四个直流电机，其中一组电机实现纵向扫描，另一组实现左右运动的横向扫描，完成物品分拣搬送。在系统中丝杆的转动采用的是编码器加直流电机，电机转一圈，可以输出550个脉冲，倍频之后是2200。编码器的额定工作电压是5V，集成了上拉电阻和比较整形功能[5]，可以直接输出方波。

根据编码器反馈的AB两相的方波信号，可以对其进行计数，这样就可以计算出车轮电机的转速。编码器的脉冲信号是正方波，每一个周期内都有一个上升沿和下降沿，这样就可以设置单片机的定时器对其进行捕获。单片机的定时器可以设置为正交解码模式，当编码器的两路信号同时传输的时候，可以分别识别其上升沿和下降沿，这样其精度就可以乘以二。因为AB两相信号的时间间隔刚好是四分之一周期，所以捕获两相信号的时候，可以实现倍频的效果。

3 系统硬件电路设计

硬件电路如图2所示，主要由电源模块、舵机[6]、编码器电机、红外对管检查颜色、dc转换[7]这几部分组成。UC2577是三端集成稳压器，设计输出了+5V和+12V电源。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机。要实现几个舵机的准确转动，单片机和计数器8253进行脉冲计数产生PWM信号。

图2 硬件电路原理图

4 系统软件设计

整个系统在坐标内直接由二维结构控制电机运动，使物品搬送到指定位置。整个系统通过单片机进行编码器电机[8]编码实现不同的电机运动形式，X、Y轴上一个电机实现纵向扫描，另一个实现左右运动的横向扫描，完成物品分拣搬送。在该区域内通过红外对管检验颜色，进行颜色区分，然后将其中黑色物品扫向一侧，桔色物品扫向另一侧，并将不同颜色的物品搬送到各自指定位置。系统软件设计流程如图3所示。

图3 软件设计流程图

5 测试方案与测试结果

5.1 测试仪器

物品分拣搬运装置，示波器，秒表，精度0.1 cm卷尺等。

5.2 测试方法

选用图4所示的测试模型场地，测试过程是将4 cm的正方体物品置于A区域内(距探测边界≥5 cm)任意一点，探测仪从红外测管进入进行检测，在规定时限内对正方体物品进行定位并完成搬送。

图4 物品分拣系统测试场地模型图

搬送装置实现物品在规定时间内尽快达到目标区域，横轴的右导轨向左方向运行，直到检测到B区的右边界时，停止右导轨的运动。纵轴的左导轨向下运动，直到检测到B区的上边界时，停止导轨的运动。通过GPIO发送完成信息[9]，高电平，延时3 s，发送低电平。纵轴左导轨向上运动，检测到左导轨起始点，停止导轨运行。横轴右导轨向右运动，检测到右导轨起始点，停止导轨运行。

5.3 测试数据

系统各项运动指标的测试结果如表1所示。

5.4 测试结果分析

由表1的数据可以得出，该系统能够在一个100 cm×150 cm的区域A内用较短的时间把区域A内的物品搬运到指定区域B或者C区域，并且能够将散落在A区的不同物品分拣开。后续将进一步完善颜色识别系统，加入图像识别算法[10]，使识别更加准确。