臨沂大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 龐道恒 王春梅 馮 洋 封 南 于昊田 馬汝強(qiáng)

自動化分揀系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將貨物識別并將其放置到準(zhǔn)確位置是重要的一環(huán)，利用STM32單片機(jī)原理設(shè)計并制作了一個的自動分揀系統(tǒng)，以32單片機(jī)作為控制核心，通過程序控制機(jī)械臂在規(guī)定范圍內(nèi)將目標(biāo)物體搬運(yùn)至指定位置并將其平穩(wěn)準(zhǔn)確地放置在各種不同高度的架子上?？刂葡到y(tǒng)通過選擇基礎(chǔ)單元元件來完成系統(tǒng)程序的初始化，機(jī)械關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動、自動檢修和排除故障等，出色地完成操作人員指定任務(wù)要求，大大的提高了工作效率。

1 自動分揀系統(tǒng)的總體設(shè)計

自動分揀機(jī)械臂操作系統(tǒng)由控制單位、識別單元及自動分揀單元組成。其核心裝置首先對物體進(jìn)行識別，并向接收單元發(fā)出信號，接下來機(jī)械臂控制系統(tǒng)將根據(jù)內(nèi)部程序?qū)Σ煌男盘栠M(jìn)行自動識別分類。

這些信號可以通過多種多樣的方式進(jìn)行，比如條形碼等等，還包括語音識別等方式，控制系統(tǒng)通過對輸入信號進(jìn)行判斷，來決定某一種貨物的不同處理方式。自動分類系統(tǒng)可以對控制中心發(fā)出的指令進(jìn)行不同限制，當(dāng)擁有規(guī)定信號的貨物經(jīng)過該裝置時進(jìn)行檢測時，系統(tǒng)開始工作。自動分揀道口可以將已經(jīng)分揀出的貨物送入集裝區(qū)域，在這之后工作人員會將該道口的貨物集中入庫進(jìn)行儲存，之后組配裝車并進(jìn)行配送作業(yè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在硬件系統(tǒng)中，由于采用了模塊化的思路，將整個電路分為了各自不同功能的設(shè)計模塊，其中包括中央處理器采用STM32單片機(jī)做為控制模塊核心，顯示模塊單元采用LCD型號的液晶顯示屏，驅(qū)動部分則是使用了步進(jìn)電機(jī)來對貨物進(jìn)行運(yùn)輸工作。此外還包括電源電路，晶振電路和復(fù)位電路。

2.2 自動分揀系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）可靠平穩(wěn)的運(yùn)輸處理。輸送帶的運(yùn)輸?shù)乃俣仁峭耆艿匠绦蚩刂?。所以貨物不會在運(yùn)輸過程中改變原有既定的方向和位置，也不會因?yàn)椴粫鬏攷Ъ铀倩驕p速的時候發(fā)生損壞。

（2）分揀系統(tǒng)是由直線電機(jī)驅(qū)動無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，這使整個驅(qū)動系統(tǒng)中極大程度地消除了機(jī)械之間的摩擦接觸，并且在主控系統(tǒng)與單元之間的數(shù)據(jù)交換中采用了紅外通訊，都使得整個系統(tǒng)易維護(hù)性和可靠性極高。

（3）系統(tǒng)設(shè)計具有靈活性。因?yàn)橄到y(tǒng)是由設(shè)定好的不同模塊組成，使得其能夠大幅度簡化安裝。此類系統(tǒng)十分適合于不同樓層和較低高度建筑，這極大地節(jié)省了時間和空間，更好地適應(yīng)工作場地。

2.3 自動分揀系統(tǒng)的功能

（1）分揀處理過程無貨物損害現(xiàn)象。系統(tǒng)裝置可以使貨物的運(yùn)輸過程中運(yùn)行平穩(wěn)，避免出現(xiàn)因高度落差帶來的磨損情況。

（2）效率高，噪音低。得益于其自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使其能夠達(dá)到了工作過程中保持高效率以及低噪音，且可以連續(xù)幾個小時內(nèi)集中處理極多物品，大幅度提升工作效率。

（3）該設(shè)備在自身的基礎(chǔ)上，還加上了了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠與5G技術(shù)相互配合，將物品的相關(guān)信息進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)處理，并將成為信息網(wǎng)和實(shí)物網(wǎng)相結(jié)合的重要部分。

（4）自動化程度高。系統(tǒng)能夠自動對不同物品的不同的分揀處理，例如易碎物品，系統(tǒng)將自動對其進(jìn)行慢速謹(jǐn)慎處理。這表明其能夠在不同環(huán)境，不同情況中保持其對于精確的位置方向的貨物的處理能力，并能對物品尺寸變化的情況作出相應(yīng)判定。

2.4 主控芯片

系統(tǒng)主控芯片是中央控制系統(tǒng)的主要信息處理單位，是控制系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)主控芯片采用STM32F103單片機(jī)作為系統(tǒng)主控制器，優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)試起來比較方便，帶有豐富功能，價格較便宜等，更加貼合項(xiàng)目的制作。

2.5 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的控制系統(tǒng)部分一般以各部分協(xié)同工作來完成任務(wù)，還包括了相應(yīng)系統(tǒng)的硬件部分和控制軟件部分，來完成對系統(tǒng)的操作。機(jī)械臂控制部分是由具有不同結(jié)構(gòu)，不同功能的裝置組成，通過其內(nèi)部傳感器來采集數(shù)據(jù)對自身和外界構(gòu)建聯(lián)系。機(jī)械手系統(tǒng)所處在的環(huán)境，并能夠?qū)⑺鼈兇鎯Υ嬖诳刂茩C(jī)中，主控制器相當(dāng)于機(jī)械手的頭腦，以運(yùn)行程序的方式去完成給定的任務(wù)。

控制系統(tǒng)包括了感知部分，控制部分，驅(qū)動部分三部分。感知部分是負(fù)責(zé)收集內(nèi)部和外部的信息，通過位置的移動來感知裝置的狀態(tài)，此外還可以通過openmv等傳感器來感知工作環(huán)境的外部情況?？刂蒲b置處理信息，對于不同的情況來發(fā)出不同命令，驅(qū)動部分的各關(guān)節(jié)可以選用氣壓驅(qū)動，液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動等方式進(jìn)行運(yùn)作來使其完成操作。

驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械手。為了使四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式步距角小，輸出更平滑，所以采用八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA）工作方式。需要去控制核心單片機(jī)的IO口來使得芯片能按照順序輸出的低電平即可完成對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的一次循環(huán)進(jìn)行工作，而只需要把上面的順序反過來操作，即可按照相反的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，頂端平面固定的機(jī)械臂由單片機(jī)控制旋轉(zhuǎn)角度，對貨物拿起和放置到指定位置。

系統(tǒng)感應(yīng)部分包括有定向壓力傳感器和溫濕度傳感器兩部分。系統(tǒng)采用了壓電型電阻傳感器，傳感器是結(jié)合了微電機(jī)設(shè)計技術(shù)，能夠?yàn)槟M輸出信號提供出一個均勻恒定定向壓力。

顯示部分采用的是LCD顯示屏，不會出現(xiàn)任何的幾何失真或線性失真且不會出現(xiàn)色彩失真，面積較大，擁有著高質(zhì)量的畫質(zhì)，而且顯示器的質(zhì)量輕，厚度薄，因此移動方便，LCD脈沖圖如圖1所示。

圖1 LCD脈沖圖

2.6 自動分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)除了有STM32單片機(jī)作為控制電路核心以外，還包括有壓力傳感器和溫濕度傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，主控部分配合已收集距離數(shù)據(jù)計算目標(biāo)尺寸大小并確定模塊位置三部分組成。頂端平面固定的機(jī)械臂由單片機(jī)控制旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合算法進(jìn)行計算和定位，由LCD模塊顯示目標(biāo)數(shù)據(jù)。一鍵矯正機(jī)械手的抓放工件的位置、點(diǎn)動調(diào)試機(jī)械爪的位置、傳輸帶的速度調(diào)試等。在按下啟動鍵之后，傳輸帶啟動，傳輸工件至檢測部分，進(jìn)行重量與體積識別，并且將工件信息上傳至主控制器。主控制器發(fā)送指令給軸直角坐標(biāo)系對工件進(jìn)行抓取，并將工件放入立體倉庫中，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

3 整體調(diào)試

本自動分揀系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是機(jī)器視覺檢測，在整個系統(tǒng)運(yùn)行的過程中識別條形碼或二維碼的信息從而能夠連續(xù)、大批量的對物體進(jìn)行分揀。系統(tǒng)的誤差率取決于所輸入信息的準(zhǔn)確性，如果條形碼出現(xiàn)錯誤，則系統(tǒng)識別也將相應(yīng)地發(fā)生錯誤。所以仍需要相應(yīng)的操作人員參與其中，因此分揀系統(tǒng)在除特殊情況下，基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動化無人化。

結(jié)論：機(jī)械臂自動分揀系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地解放人的雙手，機(jī)械裝置能夠替代人員去從事與危險的惡劣環(huán)境，以及絕大部分繁重，重復(fù)性勞動，在保證貨物質(zhì)量的情況下，大幅度提高工作效率。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)過程中得到的實(shí)踐，機(jī)械臂操作系統(tǒng)技術(shù)方面的研究也得到了不斷的創(chuàng)新，并將為社會創(chuàng)造巨大的財富。