一种自动分拣机器人控制系统的设计

钟 晨，张凤涛

(长春师范大学 工程学院，吉林 长春 130032)

0 引言

现如今，随着人们生活水平的逐渐提高，线上购物越来越多。物流仓储是线上销售中非常重要的一环，而货物分拣投递又是其中必不可少的，所以现在的快递量以及仓储的货物量都非常大，若是全靠人力分拣货物不仅费时费力，而且容易出现错误。因此，研究一种分拣机器人在如今电商为主导的货物销售中是很有必要的，它可以自动完成扫描识别，并根据货物信息将其投递到指定位置，既节省人力，又提高了货物分拣的准确率。为此，本文研究了一种可以扫描-投递的自动分拣机器人。

1 分拣机器人系统组成

本文设计的分拣机器人系统组成及应用场景如图1所示，它主要由黑色标识线1、投放口2、扫描模块3、门形识别系统4、货物5(含条形码)、分拣机器人6等组成。分拣机器人从门形识别系统处出发，根据所携带货物的条形码，沿着黑线自主规划行走路径，并将货物投放至对应的投放口中，投放后能够重新回到出发点，等待下一次装入货物，如此周而复始地循环工作。

1-黑色标识线；2-投放口；3-扫描模块；4-门形识别系统；5-货物(含条形码)；6-分拣机器人

按其功能，可将分拣机器人系统分为门形识别系统和分拣机器人控制系统两部分，本文将分别介绍其设计要点。

2 分拣机器人控制系统设计

根据分拣机器人的工作环境，对分拣机器人控制系统进行设计，分拣机器人控制系统结构框图如图2所示。它主要由电源部分、主控部分、传感器部分、机械传动部分和显示部分等组成，该分拣机器人以两轮差速的形式进行运动控制。

图2 分拣机器人控制系统结构框图

2.1 电源部分的设计

采用电池供电有方便移动式机器人携带的优点，因此在分拣机器人供电方式上选择使用电池供电。设计采用3S锂聚合物电池作为电源，该电池能量密度高且放电倍率较大，能以较大的电流在一段时间内持续放电，从而驱动电机。

但是在设计过程中发现3S锂聚合物电池电压较大，可以直接为DC12 V电动机供电，但传感器、单片机及其外围电路需要采用DC5 V电源供电，且所需的功率与电机消耗的功率相比微乎其微，因此我们设计了如图3所示的DC-DC降压电路，这样可以使控制系统中所有电源均来自一块3S锂聚合物电池。

图3 DC-DC降压电路

2.2 主控部分设计

根据整体设计思路，需要主控系统拥有至少2个PWM输出端口、两组串口以及大约30个数字输入/输出端口。因此设计使用Arduino Mega2560单片机开发板配合拓展板，它共有54个数字输入/输出端口(且有15个可以作为PWM输出)、16个模拟输入端口和4个UART串口，接口非常丰富，完全可以满足使用要求。并且其处理速度较快，能使分拣机器人稳定运行。

2.3 循迹传感器设计

为使分拣机器人在循迹过程中保持较高准确度，并排安装了3个循迹传感器，并且设计过程中发现分拣机器人能允许安装的位置较小，因此我们采用了自主设计的四路封装的红外循迹模块，其优点在于红外探头体积较小、方便多个并排安装，并且将比较电路等集中在一块电路板上，提高了循迹的准确性。

2.4 显示部分设计

根据分拣机器人的使用场景，该系统需要显示货物的相关信息以及运行时间等，考虑到只需要显示两行字符，因此采用了体积较小的LCD1602，它虽然只能显示16×2即32个字符，但是可以满足本设计的需要，并且方便安装。

2.5 无线通讯部分设计

由于分拣机器人与门形识别系统之间需要进行无线通讯，因此使用HC-12无线通讯模块，它具有易于安装、连接方便稳定、成本低廉等特点。

2.6 电机部分设计

分拣机器人采用电池供电，因此电机采用常见的DC12 V直流电机，这类电机结构简单、驱动方便、使用寿命长，比较符合分拣机器人的使用场景。

2.7 分拣机器人控制系统硬件结构

综上所述，设计的分拣机器人控制系统硬件结构如图4所示。该系统以Arduino Mega 2560单片机为主控芯片，通过自主设计的四路封装的红外循迹模块为机器人指路，从而使机器人能按照既定路线行进，通过HC-12接收模块接收货物信息，由电机驱动分拣机器人实现稳定高效的运行。

图4 分拣机器人控制系统硬件结构框图

3 门形识别系统设计

门形识别系统的作用主要是完成货物识别并告知分拣机器人投放位置，同时控制分拣机器人的启动和停止，这个系统在整个系统起扫描货物编号并发送指令的作用。采用了使用较为方便的HC-12无线传输模块来将货物信息传送给分拣机器人，并且门形识别系统上的光电传感器还可以使机器人返回起点时每次都停在指定位置。门形识别系统的主控、电源、显示部分均采用与分拣机器人主系统相同的设计方案。门形识别系统的硬件结构框图如图5所示。

图5 门形识别系统的硬件结构框图

4 机器人控制系统软件设计

机器人的程序设计主要考虑了接收数据、循迹以及电机PWM调速等部分。机器人启动后，各个传感器完成初始化，限位开关检测到货物后，机器人开始循迹沿既定路线通过龙门架，门形识别系统上的条形码扫描模块扫描到货物信息后发送至机器人，机器人沿着路线停到对应位置，此时舵机旋转一定角度，将货物投入；而后，机器人再次开启循迹，按照路线返回起点，光电传感器检测到机器人后，机器人停止运动。

机器人主程序流程如图6所示。

图6 机器人的主程序流程

5 测试方案及测试结果

5.1 测试方案

(1) 软件仿真：通过电脑软件测试电路的可行性。

(2) 软件硬件联合调试：将使用C语言编写的Arduino程序烧录至单片机，开启机器人及门形识别系统，测试条码扫描是否正确，机器人投递是否准确，返回起点时是否按照既定位置停车。

5.2 测试结果

经过多次测试得到如表1所示的测试数据。由表1可知，机器人投递准确率达到了66.7%，由于测试条件受限，并未达到理论的准确率，说明设计中还存在问题。

表1 第1轮测试结果

5.3 问题及解决方案

(1) 问题1：机器人在转弯后会出现识别不到路线并开始原地绕圈的问题。解决方案：将2个识别黑线的传感器改成3个，并在循迹程序中加入了纠偏算法，使其迅速找回路线。

(2) 问题2：机器人在投放过程中容易出现投放不准确的情况。解决方案：延时投放会随着电池电压的下降出现每次投放位置不同的问题，必须将其改成位置定位。因此在车轮后安装传感器，监测车轮转过的圈数，从而使机器人准确停在相应的位置。

(3) 问题3：投放完货物后机器人总是按照最远的路线返回起点。解决方案：对每个投放位置单独做机器人的循迹算法优化，使得其每次都可以按照最优路线返回起点。

(4) 问题4：门形识别系统偶尔会出现无法识别货物条形码或识别不准确的情况。解决方案：由于环境光线对条形码识别传感器的影响较大，因此在门形识别系统的上方安装LED补光系统，使系统在条形码识别过程中不受外界光线干扰。

5.4 再次测试结果

解决上述问题后，进行了第2轮测试，测试结果如表2所示。由表2可知，测试准确率较第一次有明显提升，投放准确率达到了100%。

6 结语

经过多次测试，自动分拣机器人的投递准确率、扫描准确率都在理论值范围内，完全可以胜任自动识别货物、自动完成投递的任务。在机械与电子两个系统的协同工作下，它可以代替人工更快地完成工作，显著提高了工作效率以及准确度。

在设计过程中当然也存在一些问题，例如机器人的工作时间较长，后续可以通过程序算法的优化提高投递速度，减少单个货物的分拣投放时间，进一步提高工作效率。