快遞分揀機器人控制系統的設計*

江西理工大學 機電工程學院 江西贛州 341000

1 設計背景

隨著我國經濟的高速發展,電子商務行業發展迅猛,隨之而來的是海量的快遞件需要分揀和配送。傳統的人工分揀效率低下,已經無法滿足要求。在一些大型倉儲中心，雖然已經實現快遞件的自動化分揀[1],但是整套分揀系統體積龐大，價格昂貴。在小型快遞中轉站,依然需要人工分揀,龐大的快遞量讓工人處于繁重的勞動中。筆者設計了一種基于OpenMV機器視覺模塊識別的快遞分揀機器人控制系統[2],主要功能是在小型快遞中轉站替代人工進行快遞件分揀,通過機器視覺實現快遞件的識別、定位、掃碼、分類,降低工人的勞動強度,提高快遞分揀的效率及物流行業的自動化水平。這一項目具有較好的工作基礎,借助中國工程機器人大賽平臺,已經制作出樣機,運行效果良好。

2 硬件組成

快遞分揀機器人控制系統硬件組成如圖1所示,以STM32單片機為核心,通過接口電路連接機器視覺模塊、舵機、電機驅動模塊、傳感器模塊和氣泵吸盤控制模塊[3-4]。單片機通過傳感器感知機器人的狀態，并控制以上模塊協調運作，完成快遞分揀的任務。

▲圖1 快遞分揀機器人控制系統硬件組成

快遞分揀機器人控制系統硬件電路可以分為邏輯電路和驅動電路。邏輯電路主要包括各型傳感器和單片機,對電源的穩定性要求較高。驅動電路電流較大,要求電子元器件能夠在大電流的條件下穩定工作。

3 機器視覺模塊的應用

快遞分揀機器人在到達快遞件識別區后，要判斷區域內是否存在快遞件,這時需要使用機器視覺模塊進行識別。由于現有的快遞件絕大多數都由標準的快遞盒封裝,為長方體形狀,因此只要識別到有矩形存在,就說明有快遞件。為達到這一目的,筆者采用了邊緣檢測算法和矩形識別算法。通過調用官方庫提供的變形動畫函數morph對圖像進行卷積[5],然后調用二進制功能函數binary對圖像進行閾值分割,最后調用腐蝕函數erode去除邊緣相鄰處多余的點,從而得到快遞件輪廓清晰的灰度二值化圖像。快遞件輪廓識別如圖2所示,實踐證明以上方法具有可行性。

▲圖2 快遞件輪廓識別

得到灰度二值化圖像后，可以調用矩形識別算法，得到快遞件表面四個角的坐標[6],從而引導機械臂前往抓取。對于快遞件上的條形碼,可以調用條形碼檢索函數find_barcodes進行識別,通過無線局域網上傳識別結果，更新物流信息。

4 電路設計

4.1 邏輯電路

快遞分揀機器人控制系統采用鋰離子電池供電,電池電壓變化范圍為21.6～25.2 V。當電壓低于21.6 V時,需要充電。邏輯電路包括三部分:機器視覺模塊、單片機和傳感器。采用5 V直流電供電,則降壓穩壓電路的輸入電壓為21.6～25 V,輸出電壓為5 V。考慮到要給機器視覺模塊、單片機及傳感器供電,供電電路采用LM2596穩壓芯片[7],最大輸出電流可達3 A,能夠滿足邏輯電路的工作要求。邏輯電路的電源電路如圖3所示，圖3中Uin為輸入電壓，Uout為輸出電壓。

4.2 電機驅動電路

快遞分揀機器人控制系統采用三種電機,分別為直流電機、步進電機和舵機。直流電機需要通過程序控制啟動、停止、正反轉、加減速[8],調速性能要求高,筆者采用MC33886全橋驅動芯片進行驅動[9]。步進電機需要控制轉速、轉向，以及旋轉角度,筆者采用TB6560步進電機驅動器進行驅動。舵機作為機械臂的原動件,需要精確控制轉角,信號線直接與單片機引腳接口連接，由此進行控制。

▲圖3 邏輯電路電源電路

4.3 傳感器電路

快遞分揀機器人控制系統所應用的接近傳感器由紅外對光管組成,其工作原理為紅外光源發出紅外線,紅外線敏感元件檢測反射回的紅外線；當反射回的紅外線達到一定強度時,觸發電平變化，可見,當與快遞件之間的距離小于某定值時,傳感器輸出電平發生變化,從而確認快遞分揀機器人的位置。紅外對光管電路如圖4所示，圖4中UCC為供電電壓，OUT為輸出。

▲圖4 紅外對光管電路

應用巡線傳感器,使快遞分揀機器人按照預先設計的路線移動,所巡的線可以是白色或黑色膠帶。每個巡線傳感器由八路獨立小單元組成,每個小單元由發光二極管燈、光敏電阻和電壓比較器組成,八路小單元一字排開。位于線正上方的小單元和位于其它位置的小單元狀態是不一樣的,通過讀取每個小單元的狀態,就可以知道快遞分揀機器人偏離黑線或白線的程度,進而控制電機轉速，修正快遞分揀機器人的位置,直至沒有偏離或到達目的地為止。

4.4 氣泵、氣閥控制電路

氣泵用于產生真空,連接吸盤后可用于快遞件的抓取。氣泵與吸盤間連接一個氣閥,通過控制氣閥來控制快遞件的吸取與放下。氣泵和氣閥均采用5 V直流電供電,使用電子開關控制。氣泵、氣閥控制電路分別如圖5、圖6所示,使用單片機的PC6、PC7引腳進行控制。單片機引腳輸出高電平時,氣泵、氣閥工作;輸出低電平時,氣泵、氣閥停止工作。

▲圖5 氣泵控制電路▲圖6 氣閥控制電路

5 軟件程序設計

5.1 整體控制程序

快遞分揀機器人啟動后,為保證能夠正常運作,首先進行自檢,包括網絡連接狀況、機械臂復位、轉運轉盤復位。自檢無誤后，快遞分揀機器人由起點出發,到達識別區。啟動機器視覺模塊識別快遞件。機器臂將識別成功的快遞件放入轉運轉盤,快遞分揀機器人將快遞件運往傾倒區,將對應類別的快遞件倒出,最后回到識別區。如此循環運行,直到快遞分揀完畢為止。快遞分揀機器人控制程序流程如圖7所示。

5.2 傳感器狀態讀取程序

快遞分揀機器人控制系統中使用了較多的接近傳感器,這些傳感器通過接口電路與單片機引腳相連。快遞分揀機器人運行過程中,通過讀取這些接近傳感器所探測到的信息,就可以了解快遞分揀機器人所處的狀態。這些接近傳感器只有兩種狀態,沒有觸發時為高電平,觸發時為低電平,因此只需要讀取對應引腳的電平即可。接近傳感器信息讀取程序流程如圖8所示,巡線傳感器信息讀取程序流程類似。

5.3 單片機與機器視覺模塊通信程序

單片機與機器視覺模塊之間采用串口通信[10],為保證信息傳輸的準確性,需要約定傳輸協議。根據實際情況,約定每次傳輸五位8 bit二進制數,前兩位為0xAA,即十進制數170。第三、第四位為有效信息數據。

▲圖7 快遞分揀機器人控制程序流程▲圖8 接近傳感器信息讀取程序流程

第五位為0x55,即十進制數85。只有第一、第二位為170且第五位為85時,傳輸數據才有效,這樣可以大大提高傳輸的準確性。單片機與機器視覺模塊通信程序流程如圖9所示。快遞分揀機器人到達識別區后,單片機發送開始識別指令,機器視覺模塊開始輪廓識別。如果有快遞件,則向單片機發送有快遞件指令。單片機接收后，判斷轉運轉盤情況。在轉運轉盤未滿的情況下,發送掃碼指令。機器視覺模塊開始掃碼,并將中心坐標、路徑信息，以及快遞件類別和編號發送至單片機。單片機控制機械臂將快遞件抓取至轉運轉盤后，機器視覺模塊繼續開始輪廓識別。直至轉運轉盤裝滿或沒有快遞件,快遞分揀機器人前往傾倒區。

▲圖9 單片機與機器視覺模塊通信程序流程

6 樣機制作

筆者制作快遞分揀機器人樣機，旨在驗證控制系統的可行性，完成中國工程機器人大賽快遞分揀賽項任務。

快遞分揀機器人實物制作指標如下：

(1)轉運轉盤容量為三種類型快遞件，每類三件;

(2)單件抓取時間為15 s;

(3)機械臂活動范圍為400 mm;

(4)最大移動速度為0.2 m/s;

(5)電池電壓為24 V;

(6)連續工作時間為2 h。

快遞分揀機器人樣機如圖10所示。經過調試,快遞分揀機器人能夠完成比賽規則中規定的任務,運行情況穩定。快遞分揀機器人機械臂使用吸盤吸起快遞件如圖11所示。

▲圖10 快遞分揀機器人樣機

▲圖11 快遞分揀機器人吸盤吸起快遞件

7 結束語

筆者在分析目前國內外快遞分揀機器人的基礎上,設計了快遞分揀機器人控制系統。根據實際應用需求,將機器視覺技術應用于快遞分揀中,設計了硬件電路和軟件程序。快遞分揀機器人樣機達到預期的設計要求,能夠自動分揀放置在地面上的快遞件,順利完成了中國工程機器人大賽快遞分揀賽項,驗證了控制系統設計的合理性。