基于Makeblock的智能硬幣分揀裝置的設計制作與優化

付 勤，唐燁鋒

（蘇州工業園區職業技術學院信息工程系，蘇州 215123）

超市、銀行、公交公司等部門需要對大量的硬幣進行高效的處理，分類、計數使其再次流通，自動售貨機除了識別之外，還需要提供找零功能。現有的硬幣歸納裝置結構比較復雜，操作困難，使用效率低，無法滿足市場上對大量不同面值或者不同直徑硬幣的區分工作。

Makeblock是一個模塊化組裝及編程的機器人DIY平臺，產品主要包含各種搭建材料五金和工具、電子模組及配套軟件編程工具。硬件包括Makeblock主控板（或Arduino主控板）、電機以及驅動板、其他機械元件、連接件等。利用Makeblock設計一個智能硬幣分揀裝置，可以實現全自動的硬幣篩選及收納，使用方便，易于移動，篩分效率高。

1 硬幣分揀裝置機械整體方案的設計與制作

該硬幣收納裝置在支架模塊一端設置有滑槽機構，支架上方設置有移動機構，支架下方設置有篩分板，移動機構上設置有可轉動的撥幣轉輪，撥幣轉輪在篩分板上方往復移動；篩分板從前向后分別設置有多組落幣孔，每組落幣孔的直徑從前向后不斷增大。可以實現全自動的硬幣篩選及收納，使用方便，易于移動，篩分效率高。整體結構共分為4個不同的模塊，如圖1所示：

圖1 裝置整體結構示意圖

滑槽模塊用于將硬幣批量導入，以避免由于硬幣數量過多而導致轉輪工作壓力變大。轉輪模塊負責帶動硬幣旋轉，使其落入相應區域的孔洞。支架模塊足夠牢固起到支撐作用，同時便于整個裝置的位置移動。滑動模塊負責帶動轉輪模塊的水平位移。這樣轉輪模塊平移到相應區域后，隨著轉輪的旋轉運動，實現硬幣的分揀。

1.1 滑槽模塊的安裝

滑槽模塊用5個并排的單孔梁，配有舵機控制其開與關。當接受到命令時，舵機向上轉動，帶動擋板使累積的硬幣有向下滑動的空間。滑槽的長度確保硬幣會散落到一角區域的轉輪內側。

圖2 滑槽模塊側視圖

1.2 篩分板的設計和加工

篩分板分為1角硬幣區、5角硬幣區和1元硬幣區，用美國Robert&Assoc公司開發的功能強大的基于PC機的專業3D造型軟件Rhinoceros 5完成設計。

先按照1角和5角硬幣的孔徑畫出分揀區域陣列的頂視圖，正視圖和右視圖，軟件自動合成三維圖像。如圖3、圖4所示：

圖3 篩分板分揀區域陣列設計圖

圖4 篩分板實物圖

1.3 轉輪模塊的設計改進和加工

轉輪模塊采用12V直流電機，轉速平穩力道充足；單孔梁-092由支架3*6豎直排布，減少轉動摩擦；以上部件由同步帶輪固定在直流電機上；包圍直流電機的六邊固定柱能更好支撐電機，并留下足夠連接其他模塊的空間。

圖5 轉輪模塊俯視圖 圖6 轉輪模塊側視圖

調試時發現，由于所選的金屬元件有磨損，安裝后4個轉接片不在同一個平面上，有一端翹起，有時會導致部分硬幣脫離分揀區域，于是決定將轉輪部份和連接部分進行整體設計和加工。

轉輪和連接部分——轉輪卡扣的設計和制作如圖7所示：連接部分——轉輪卡扣的設計制作如圖8所示：

沒有設計預留轉輪卡扣的孔，而是最后使用銼刀打磨，是為了保證其連接緊固可靠。完成轉輪和連接部分——轉輪卡扣的設計和制作后，重新搭建轉輪模塊如下，從而完成轉輪部份和連接部分的整體設計和加工。

1.4 支架模塊安裝

支架起到支撐作用，所以必須足夠牢固。以方形梁-504為基礎，確保了底部不會散架；雙孔梁-496兩孔中間的卡槽剛好卡住底板，在其四角安裝了4個雙孔梁-032保證底板不會移動。以萬向輪和支架U1制作4個輪子，將輪子安裝在機器的底部四角；以不同規格方形梁和45°連接片制作拉手，將拉手連接在底部一端的正中心。

圖7 轉輪設計圖

圖8 轉輪卡扣設計圖

圖9 轉輪卡扣打孔后實物圖

圖10 轉輪+轉輪卡扣+電機組裝圖

圖11 支架安裝實物圖

1.5 滑動模塊的安裝

滑動模塊的安裝是本執行機構的核心部分，分為滑軌、傳送帶及步進電機的安裝，方形梁與光軸呈“Ⅱ”型排布，在其右側安裝步進電機，左側使用支架安裝同軸帶輪32T，并在進步電機中軸上水平位置安裝同軸帶輪18T，最后使用85cm開口同步帶連接，接口用同步帶固定片和支架連接緊固，防止轉動時卡帶脫離。支架下方懸掛一個小型矩形方框，將同步帶接口固定在矩形方框中部，使步進電機運轉時可以同時帶動矩形方框移動。矩形方框的兩臂對稱位置與滑塊連接，使滑塊能夠跟隨矩形方框，沿光軸滑軌同步移動。

圖12 滑動模塊的結構

1.6 整體機械結構組裝

將4個不同的模塊組裝起來需注意以下幾點：①轉輪模塊與滑動模塊安裝，注意六邊固定柱需要提前埋螺絲進去。②將①安裝到支架模塊，注意選用雙孔梁-176的一邊。③將滑槽模塊安裝到②，使用連接片45°使滑槽模塊傾斜。

圖13 塑料一體件轉輪整體機械組裝圖

2 電子模組的選用與連接

主控板選用Orion主控板，共有八個數據端接口和兩個電機接口。數據端接口上共涂有紅，藍，黃，白，黑，灰這幾種顏色。其中紅色代表6-12V的輸出電壓；藍色代表雙向數字接口；黃色代表單向數字接口；白色代表I2C接口；黑色代表單向或雙向模擬信號接口；灰色代表硬件串口。各個電子模塊接口端都帶有顏色，接線必須連入相應顏色的端口對應上。

圖14 Orion 主控板

所選用的電子模塊和主控板的接線關系如表1所示：

表1 接線表

觸摸傳感器：用于機器工作的開啟，連接主板端口3。RJ25轉接板：接口1用于連接舵機（主板上沒有專門的舵機接口），灰色端口連接主控板端口6。步進電機驅動模塊：用于步進電機的控制，紅色端口連接主控板端口1。另一接口連步進電機。轉輪連接的直流電機直接連到Orion主控板電機接口1。

3 Orion主控板軟件編寫

3.1 軟件流程圖

圖15 軟件流程圖

3.2 主程序編程界面

圖16 主程序編程界面

圖17 主程序編程界面（續）

4 分揀裝置的優化

使用Makeblock器件設計開發的智能硬幣分揀裝置，主要完成以下內容：一是放入硬幣，硬幣自動進入分揀器，經過分揀區，自動歸納到指定區域。二是能有效識別目前使用的硬幣（1元、5角、1角）。

在制作過程中遇到如下問題，通過對分揀裝置的優化進行解決。

調試時發現有的硬幣可能正好被轉動的轉輪帶到其中心，導致錯過相應的孔洞；于是在轉輪中間用3D打印了一個阻擋裝置和一個轉輪外邊框（撥幣圈），限制硬幣的移動范圍。以避免這類情況發生。

調試過程中發現步進電機正、反轉移動的單位距離差別較大，通過在軟件中設置不同的步數值，完成步進電機的正確歸位。理論值歸位需要2160步，實際調試時發現1199步時就剛好能歸位。

由于三種硬幣的的直徑是由游標卡尺測量，而定制的PCD篩分板也是精確到0.01mm的，運行時發現會導致1角和5角硬幣剛好卡在孔洞無法正常掉落，用磨砂棒對每一個孔洞進行微小的打磨，從而解決此類問題。

調試過程中發現，有時硬幣在篩分板上重疊情況比較嚴重，導致硬幣有時不能在相應的區域正常掉落，優化方案是在轉輪中間的h高度位置（一個硬幣高度＜h＜兩個硬幣高度）在阻擋裝置和轉輪邊框（撥幣圈）之間安裝聽裝可樂上剪下來的拉直鋁帶，隨著轉輪的轉動，當鋁帶碰到重疊硬幣時，可順利將其撥落，從而解決了硬幣重疊問題，保證了硬幣分揀的高可靠性。在轉輪結構中增加撥落桿的優化設計如圖所示。

圖18 轉輪結構的優化設計圖