基于全向輪的智能分揀裝置設計與實現

劉校騰，劉靜濤，肖 鐸，張 賀

（中船重工海為鄭州高科技有限公司，鄭州 450052）

0 引言

近年來隨著居民消費習慣發生巨大變革，線上消費持續提升帶動了電商、快遞等行業快速擴張，也進一步促使物流業發生變革，推動自動分揀設備行業快速發展，2020年我國自動分揀設備市場規模約213.5億元，年均增長率約29%。電商、快遞行業的業務量激增，使得以往的人工、半自動分揀作業方式已經無法滿足這種大規模、短時限的分揀要求［1］。分揀作業作為物流配送中的關鍵環節，直接決定物流配送工作的效率和準確率。隨著快遞業務的飛速增長，采用自動化分揀系統成為物流中心的主流趨勢［2］。

目前市場上已經存在多種自動分揀裝置，大多采用交叉帶、滑塊、擺臂等分揀形式［3］，占地面積大，柔性和靈活性不足，不僅相互銜接配套差，而且前期投入成本較高，后期維護拓展困難。在市場競爭日益激烈的今天，物流作業呈現出配送小批量、多種類、高頻次的明顯趨勢，隨著物流服務的升級，對自動分揀設備的分揀效率、分揀準確率以及可靠性提出了更高的要求［4］。

針對以上問題，本文設計了一種全新的智能分揀裝置，從裝置的系統總體方案設計、硬件各部分結構設計、軟件及控制部分設計以及試驗驗證幾個方面來闡述分揀裝置的設計和研究過程。

1 系統總體方案

智能分揀裝置主要包括機械部分和控制部分，其中控制部分是分揀裝置的核心，包括光電識別模塊、PLC控制模塊和驅動模塊。光電識別模塊作為分揀設備的“眼睛”，對貨物實時位置進行識別和定位，然后將貨物信息反饋給PLC控制模塊；PLC控制模塊作為分揀設備的“大腦”，負責控制驅動模塊完成分揀裝置的動力驅動，使機械部分執行相關分揀指令完成作業。機械部分包括傳輸模塊、分揀模塊和平臺支架，兩種模塊作為整個分揀裝置的執行終端，完成分揀動作。如圖1所示。

圖1 智能分揀裝置總體方案

與傳統的分揀設備相區別，該分揀裝置沒有采用輥筒、傳送帶等作為分揀執行機構［5］，而是使用全向輪作為驅動輪對貨物進行分揀，同時整個裝置采用模塊化設計，設備長度可自由定制，各模塊之間可以通用和互換，更能滿足客戶的個性化定制需求。本裝置的結構組成如圖2所示。

圖2 智能分揀裝置結構組成

該裝置的工作原理：將貨物分揀路徑分解為直角坐標系內的兩個垂直分量，兩個方向分別依靠輸送模塊和分揀模塊實現各自運動，根據平面向量基本原理，通過控制各模塊全向輪的速度，進而控制貨物運動軌跡［6］。在分揀過程中通過光電傳感器實時判斷貨物位置，將位置信息反饋給PLC控制系統，然后給相應單元模塊發送動作指令，完成貨物分揀。

為適應不同的分揀需求，整個裝置可以任意增減傳輸模塊和分揀模塊個數，從而調整設備的占地面積，滿足場地布置要求。對單個傳輸或分揀模塊而言，均采用同步帶傳動方式來保證傳動的穩定性。控制系統通過電機群控技術調節不同模塊全向輪的轉速［7］，使包裹按照預定的軌跡運動到需要分揀的格口位置，實現包裹的輸送和精確分揀。

2 硬件設計

2.1 傳輸模塊和分揀模塊

分揀包裹在輸送線平面內的運動可以分解為沿傳輸模塊和分揀模塊兩個方向運動的合成，因此只有兩種模塊的全向輪協同配合，才能夠保證包裹按照預定路徑運動。為達到兩種模塊協同控制運動路徑的目的，傳輸模塊和分揀模塊使用兩種規格的全向輪，直徑分別為50 mm和90 mm，采用并聯正交的輪系布局，高度方向上段差布置，水平方向正交布置，兩種模塊并聯安裝在一起，各自采用不同的電機驅動，如圖3所示。為保證運動過程中全向輪動作精確可靠，對單個模塊而言，均采用步進電機提供動力。同時，考慮到保護包裹在輸送分揀過程中不受損傷，模塊的轉軸之間采用同步帶傳動，主動同步帶輪通過輪齒的嚙合帶動同步輸送帶運動，同步帶傳動具有穩定的傳動比，傳動也更加平穩。

圖3 并聯正交的輪系布局示意圖

通過電機群控制技術，各模塊之間運動相對獨立，在同一時刻位于不同位置的全向輪可以具有不同的速度，采用光電開關輔助判斷貨物實時位置，貨物即將到達某分揀模塊時，該模塊開始工作，貨物離開所在的分揀模塊，該模塊便停止運行。此種控制方式降低能源消耗，節約了運行成本。

為提升分揀角度的靈活性，將傳輸模塊和分揀模塊的全向輪段差布置，同時將全向輪布置間距盡可能縮小，這種正交的結構形式可以實現分揀尺寸更小的貨物，提高設備分揀尺寸范圍。

2.2 平臺支架設計

整個分揀裝置的平臺支架采用型號SY－6－2020和SY－8－3060鋁型材制成，其質量輕、硬度高，結構簡單，易于裝卸，能夠起到穩定支撐的作用。支架結構如圖4所示，考慮運輸的方便性，平臺支架由兩部分拼接組成，便于拆裝。支架上部沿四周安裝鋁合金型材，兩者通過螺栓連接。出貨口一側的型材布置有萬向球，萬向球嵌入安裝在型材頂部，其高度與所有模塊全向輪上表面高度相同，保證貨物順利通過分揀格口。支架底部安裝中載腳輪和腳杯，滿足承載要求，便于分揀裝置在一定空間內進行移動、調平和定位，平臺支架與型材的總裝方式如圖5所示。

圖4 底部平臺支架結構

圖5 平臺支架與型材總裝連接

2.3 光電識別模塊

光電識別模塊作為智能分揀裝置的感知部分，負責采集外部信息，通過傳感器收集數據和外界構建聯系，實現貨物位置的跟蹤功能。光電開關的原理是利用被測物體對光束的遮擋或反射，通過同步回路選通與否來判斷出被檢測物體的有無。當物體運動到開關區域時，遮擋光電開關的光發射端，從而為設備的運轉工作提供觸發信號［8］。

智能分揀裝置在工作時，通過掃碼設備掃描包裹表面的普通標簽，讀取包裹信息，包裹在行進過程中，遮擋光電傳感器判斷該包裹的實際位置。分揀裝置的結構組成如圖2所示，光電傳感器沿分揀裝置一側布置，固定安裝在側面的型材上。選用的傳感器型號為GTB10漫反射式光電傳感器，配備背景遮蔽功能，提供兩種光源（紅光或紅外光），感應距離為1 200 mm。其上集成了一個發射管和一個接收管，通過采集包裹經過時產生的一連串光電信號，實現包裹位置檢測功能［9］。

與圖像識別的位置檢測方式相比，此種以光電傳感器判斷位置的方式更為簡單，無需上位機進行圖像分析，也不需要智能算法的配合，節省了上位機軟件的開發成本和整套裝置的硬件成本。

2.4 PLC控制系統

PLC控制系統用來分析處理收到的各種信息數據，給執行模塊下達相應的動作指令，控制系統架構如圖6所示，主要由主控PLC、驅動器、驅動電機、供電電路及開關電源等組成，由PLC對各個模塊進行統一控制管理，多模塊協同作業。

圖6 控制系統架構

根據智能分揀裝置的控制要求，分析各模塊的運行過程，確定輸入／輸出信號的點數，分配輸入／輸出點（I／O地址分配），來實現PLC和其他模塊之間的信息交換。主控PLC通過接收上位機發出的通信報文，分析收到的數據并判斷其中各個標志位的狀態，然后通過輸出I／O接口對變頻器下發脈沖指令及方向信號，驅動電機運轉，進而控制傳輸模塊和分揀模塊執行相應動作指令［10］。同時系統發生故障時也可以讀取PLC中的寄存器信息來判斷系統實時的運行狀態，從而保證系統安全性。

3 軟件設計

本項目采用臺達高性能PLC做為主控制器，臺達PLC是臺達為工業自動化領域專門設計的、實現數字運算操作的電子裝置，采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程［11］。在本軟件中選擇臺達AS228T－A作為主控部分，搭配數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊進行使用。

程序開發采用官方軟件ISPSoft，版本號為V3.09，具有較好的集成性能，能夠在多種系統下安裝運行，軟件為開發、編輯和監控應用程序提供了良好的編程環境［12］。編程方法采用梯形圖，梯形圖編程比較直觀易懂，在PLC的編程方法中屬于容易掌握也是應用最為廣泛的方法。由于分揀裝置工作流程相對簡單，所以采用梯形圖編程也較為簡單。控制程序主要包括以下兩部分：包裹按照規劃路徑分揀時的運行程序和包裹滯后時需要的調整程序。

智能分揀裝置軟件運行的核心是采集包裹信息，對分揀包裹進行識別和定位，進而執行輸送或分揀操作，軟件控制流程如圖7所示。

圖7 智能分揀裝置軟件流程

4 現場功能試驗

將機械部分、控制部分組裝完成以后，在對整個裝置進行功能試驗，現場測試如圖8所示，試驗主要驗證的技術指標包括貨物傳輸速度、承載貨物重量、最小分揀尺寸和分揀效率。所得試驗相關參數記錄如表1所示。

圖8 現場測試

表1 分揀特性參數試驗記錄

從試驗記錄可知，相比傳統人工分揀、半自動分揀方式，智能分揀裝置有很大優勢。以樣機試驗為例，對于質量在50 kg以內的硬底包裝貨物，分揀裝置集掃碼、輸送、分揀功能“三合一”，具有以下優點：（1）動作穩定可靠，分揀準確率高，能實現24 h不間斷分揀；（2）占地面積小，可以根據使用場景定制機身長度，節省設備成本；（3）分揀效率高，可減少70%人工；（4）應用場景廣泛，通用性強，對前后對接的輸送設備無特殊要求；（5）分揀角度靈活，可以做到貨物分揀“零損傷”。

5 結束語

本文設計一種基于全向輪的智能分揀裝置，在分析分揀系統工作原理的基礎上，完成智能分揀裝置的總體方案設計、系統硬件以及軟件流程設計，并進行了試驗驗證。試驗結果表明，基于全向輪的智能分揀裝置結構簡單，對包裹的定位識別準確率高，有效降低了人工成本，提升了分揀效率。與現有分揀設備相比，便于維護和擴展，可以通過增減傳輸模塊和分揀模塊來滿足多種貨物輸送分揀的需求，同時易與現有的輸送設備銜接構成復雜的分揀系統。