盧 文，廖偉強(qiáng)，何佳兵

（1.云南輕紡職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650300；2.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528400）

0 引言

在硬幣清分這個(gè)領(lǐng)域里，國內(nèi)外做了大量的研究工作。開發(fā)的產(chǎn)品大致也分為3 個(gè)檔次，低檔、中檔和高檔。低檔清分速度在1 000 枚/min 以下，中檔為1 000～1 500 枚/min 左右，高檔則在1 500 枚/min 以上。所使用的清分方法上主要有兩大類，一類是根據(jù)物理技術(shù)進(jìn)行清分，另一類是根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行清分。高速清分基本上都是采用性能指標(biāo)來進(jìn)行清分。在此領(lǐng)域比較有代表性的是瑞典SCAN COIN AB 公司，其是一家專業(yè)生產(chǎn)各種銀行器具的公司，成系列地研制了針對(duì)不同貨幣體制下的清分系統(tǒng)，SCAN COIN AB 公司有專業(yè)的產(chǎn)品在國內(nèi)使用，誤判率小于或等于0.5%。但其價(jià)格昂貴且進(jìn)行技術(shù)壟斷，同時(shí)針對(duì)材質(zhì)相近甚至一致的偽幣，其檢測顯得無能為力[1-2]。

在國內(nèi)，清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、蘇州大學(xué)、福州大學(xué)等多家單位均對(duì)如何進(jìn)行正確的硬幣識(shí)別做過深入研究，在機(jī)理上普遍采用電渦流法[3-5]。這些單位的研究在可能涉及的硬幣范圍內(nèi)取得了較好的效果，但對(duì)硬幣的鑒別都局限于項(xiàng)目本身，存在不系統(tǒng)和不完整，對(duì)偽幣識(shí)別效果不好等問題。

本文針對(duì)銀行、大型超市和公交公司等金融服務(wù)業(yè)部門每天都要面對(duì)大量硬幣回收清分的麻煩，由于人工進(jìn)行硬幣清點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，再加上現(xiàn)有大多設(shè)備從國外引進(jìn)，價(jià)格昂貴。因而本文旨在設(shè)計(jì)一款硬幣識(shí)別清分機(jī)器人，快速準(zhǔn)確地解決大量硬幣的回籠問題。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 所示為機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，機(jī)器人由3 個(gè)主要機(jī)構(gòu)組成：曲柄連桿式硬幣分出機(jī)構(gòu)、傳送與光電掃描機(jī)構(gòu)和硬幣分選機(jī)構(gòu)。硬幣由曲柄連桿式分出機(jī)構(gòu)逐粒分出進(jìn)入傳送帶，并依次從激光測試下方有序通過，根據(jù)經(jīng)過時(shí)間的長短來分辨硬幣的面值；再經(jīng)旋轉(zhuǎn)式分選機(jī)構(gòu)，讓硬幣掉落到對(duì)應(yīng)面值的收集器內(nèi)整齊疊放，并記錄硬幣的個(gè)數(shù)。終達(dá)到對(duì)混雜在一起的各種硬幣同時(shí)進(jìn)行分類、清點(diǎn)和整理的目的，能夠解決其他硬幣分離機(jī)易分錯(cuò)硬幣的情況。

圖1 整體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design

1.1 硬幣推出機(jī)構(gòu)

硬幣推出機(jī)構(gòu)，主要分為曲柄推出機(jī)構(gòu)和漏斗式硬幣收集機(jī)構(gòu)組成。曲柄推出機(jī)構(gòu)的直流動(dòng)力電機(jī)，工作電壓為直流5 V，動(dòng)力輸出端帶渦輪減速結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)比為1∶20。為后面的曲柄連桿提供動(dòng)力。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的詳細(xì)示意圖如圖2 所示。采用仿火車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)電機(jī)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)圓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，圓輪再把動(dòng)力傳動(dòng)給后面相連的連桿，末端的硬幣推出連桿因受到漏斗機(jī)構(gòu)里的導(dǎo)向槽約束，因此最終推出連桿只能做水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)[6]。

圖2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)Fig.2 Crank connecting rod mechanism

漏斗式硬幣收集機(jī)構(gòu)如圖3 所示。當(dāng)把一把散亂的硬幣從漏斗倒如后，硬幣便自動(dòng)整齊有序地地方到漏斗下方的管道里，當(dāng)左端的推出機(jī)構(gòu)推過來時(shí)，一個(gè)硬幣將從其右側(cè)的斜導(dǎo)槽里滑出到后端的傳送帶上。當(dāng)推桿收回后，上方的硬幣會(huì)自動(dòng)因重力作用掉落到漏斗底部，等待下一次被推出。從而實(shí)現(xiàn)硬幣的疊整和有序推出。

圖3 漏斗式硬幣收集機(jī)構(gòu)Fig.3 Funnel type coin collecting mechanism

1.2 硬幣傳送機(jī)構(gòu)

硬幣傳送機(jī)構(gòu)如圖4所示。由兩個(gè)皮帶輪、傳送帶、動(dòng)力電機(jī)和它們的支撐部件組成，傳送帶的傳送速度與硬幣推出的速度相匹配，保證把每一個(gè)被推出的硬幣有序地從一端送到另外一端。

圖4 硬幣傳送機(jī)構(gòu)Fig.4 Coin conveying mechanism

1.3 硬幣識(shí)別機(jī)構(gòu)

硬幣識(shí)別結(jié)構(gòu)如圖5 所示。主要由光纖傳感器和其安裝機(jī)構(gòu)組成，當(dāng)硬幣從傳感器底部被傳送過時(shí)，光纖傳感器將接收到硬幣的反射信號(hào)[7]。因?yàn)椴煌矌诺闹睆讲灰粯?，那么獲得不同硬幣的反射信號(hào)的時(shí)間長短也不一樣，從而達(dá)到對(duì)不同硬幣的識(shí)別。硬幣的周長D計(jì)算如下：

圖5 硬幣識(shí)別機(jī)構(gòu)Fig.5 Coin recognition mechanism

式中：v傳送帶為傳送帶速度；t反射信號(hào)為反射信號(hào)的時(shí)間。

1.4 硬幣撿出整理機(jī)構(gòu)

硬幣撿出結(jié)構(gòu)如圖6 所示。當(dāng)硬幣被光纖傳感器識(shí)別出來后，控制系統(tǒng)將輸出相應(yīng)的信號(hào)給撿出機(jī)構(gòu)的動(dòng)力舵機(jī)，調(diào)整上端轉(zhuǎn)盤的角度，把相應(yīng)硬幣面值的接收斗旋轉(zhuǎn)到傳送帶端部，硬幣便掉落到漏斗內(nèi)，并有序地疊放整齊，同時(shí)控制系統(tǒng)記錄相應(yīng)面值硬幣的數(shù)目，從而達(dá)到硬幣收集、整理和清點(diǎn)的效果。如果要達(dá)到收集多種硬幣，可以依次原理設(shè)計(jì)更多接收斗即可。

圖6 硬幣撿出機(jī)構(gòu)Fig.6 Coin picking mechanism

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要配合機(jī)械結(jié)構(gòu)功能需求，驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，控制系統(tǒng)主要由主控模塊、電源模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和信息收集模塊組成。

2.1 電源模塊

電源模塊如圖7所示，主要由12 V直流電源輸入，經(jīng)過7805穩(wěn)壓管輸出5 V直流電源。D1為電源指示燈。

圖7 電源模塊Fig.7 Power module

2.2 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊如圖8 所示，主要由51 系列的單片機(jī)為主控芯片，以12 MHz 為頻率晶振，并留出4 個(gè)isp 程序下載端口。芯片負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理。在程序控制下，芯片根據(jù)控制流程指令給出控制信號(hào)，啟動(dòng)硬幣推出和傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)；與此同時(shí)光纖傳感器得電，開始掃描底部硬幣經(jīng)過時(shí)的反射信號(hào)。當(dāng)有硬幣通過時(shí)，光纖傳感器將給出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)給主控芯片，芯片負(fù)責(zé)記錄信號(hào)和數(shù)學(xué)運(yùn)算。

圖8 主控模塊Fig.8 Main control module

2.3 顯示模塊

顯示模塊如圖9 所示，這里使用了1602 系列的LCD液晶顯示器，直接由單片機(jī)的P0 端口驅(qū)動(dòng)。通過一個(gè)5 kΩ 的滑動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)[8]。顯示模塊負(fù)責(zé)分揀和收集狀態(tài)的顯示。

圖9 顯示模塊Fig.9 Display module

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖10所示，使用的是繼電器控制方法，通過npn 三極管控制，二極管在此起反向放電保護(hù)作用[9]。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬幣的有序勻速輸送。因?yàn)橹恍枰粋€(gè)方向前進(jìn)，因此這里只控制電機(jī)沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)和停止。

圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊Fig.10 Motor drive module

2.5 信息收集和轉(zhuǎn)換模塊

信息收集模塊如圖11所示，因?yàn)樗褂玫墓饫w傳感器是12 V 供電，從光纖傳感器傳來的信號(hào)是12 V 的直流信號(hào)，但是單片機(jī)控制系統(tǒng)是5 V 的TTL 信號(hào)，為了解決信號(hào)匹配的問題，本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)npn 三極管和兩個(gè)分壓電阻實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測[12]。當(dāng)光纖傳感器有信號(hào)輸出時(shí)，第一個(gè)三極管導(dǎo)通，其集電極電壓被拉低。因?yàn)槭チ烁唠娖剑诙€(gè)三極管將由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截至狀態(tài)。那么與芯片連接的signal 信號(hào)將由原來的低電平轉(zhuǎn)為高電平；此時(shí)芯片開始記錄高電平保持的時(shí)間。

圖11 信息收集模塊Fig.11 Information collection module

3 測試與結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，利用3D 打印和機(jī)加工等方法制作了如圖12 所示的功能樣機(jī)并進(jìn)行行實(shí)際的硬幣分揀測試。其中主體部分的硬幣推出機(jī)構(gòu)、漏斗式硬幣收集機(jī)構(gòu)和硬幣收集機(jī)構(gòu)均使用塑料作為材料3D 打印而成[10-11]，傳動(dòng)部分和支撐部分均使用鋁型材通過機(jī)加工的方法根據(jù)圖紙實(shí)際加工而成，然后組裝成一個(gè)完整的功能樣機(jī)。

圖12 實(shí)物樣機(jī)主體Fig.12 Physical prototype body

根據(jù)現(xiàn)有市場流通的硬幣情況，先后對(duì)1角、5角和1 元的硬幣進(jìn)行了單種和多重混合的分揀和清數(shù)測試。首先分別對(duì)單種硬幣各取20 枚進(jìn)行清分，測試結(jié)果如表1所示。

表1 單種硬幣測試結(jié)果

其次對(duì)多種硬幣混合的情況進(jìn)行了測試，測試過程中各種面值硬幣各取10 枚進(jìn)行混合，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 多種硬幣混合測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，單種硬幣的測試和多種硬幣的混合清分測試均能夠100%全部準(zhǔn)確清分出硬幣的種類和數(shù)量。這充分地說明了設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。

3 結(jié)束語

硬幣作為一種通用貨幣一直活躍在世界各國的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。同時(shí)，硬幣具有不易損壞、交易方便和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，使其在貨幣交換中得到廣泛應(yīng)用，但由于其材料、外觀等原因，在金融業(yè)、商業(yè)和服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域的清點(diǎn)識(shí)別中面臨著巨大的困難。本文綜合運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)原理和光電識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種硬幣識(shí)別清分機(jī)器人，在信號(hào)系統(tǒng)控制下依次通過分出、傳送、掃碼和分選等動(dòng)作，快速準(zhǔn)確地解決大量硬幣的回籠問題。