智能多路徑圖書分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)

成鳳敏，張學(xué)輝

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

0 引言

一家擁有眾多借閱者的圖書館，每天會(huì)有大量的圖書出借和歸還，由于人工難以將歸還的圖書快速歸放原位，使得圖書堆積，無法有效利用，既不利于圖書的整備，也不方便讀者借閱。因此，為實(shí)現(xiàn)圖書快速歸位，設(shè)計(jì)了一種智能多路徑圖書分揀系統(tǒng)來代替人工進(jìn)行分揀工作，此系統(tǒng)通過圖像掃描進(jìn)行圖書種類識(shí)別，并利用無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互，借助機(jī)械臂快速有序地完成圖書的歸架整理工作。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括以掃描槍為主體的識(shí)別部分和以控制單片機(jī)為核心的機(jī)器人分揀部分，系統(tǒng)中用到兩個(gè)單片機(jī)，分別為處理分析掃描數(shù)據(jù)的掃描單片機(jī)和控制機(jī)械臂動(dòng)作的控制單片機(jī)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

識(shí)別部分包括掃描槍、掃描單片機(jī)和無線發(fā)送模塊。掃描槍掃描圖書上的6位條形碼獲取圖書信息，通過MAX232進(jìn)行編譯并傳入掃描單片機(jī)，掃描單片機(jī)將信息編譯成無線傳輸模塊能夠識(shí)別的信號，再通過無線發(fā)送模塊轉(zhuǎn)發(fā)至機(jī)器人分揀部分，完成識(shí)別與分揀兩部分之間的通信。

機(jī)器人分揀部分包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測距模塊、光電傳感器、無線接收模塊、控制單片機(jī)和機(jī)械臂。無線接收模塊接收識(shí)別部分發(fā)送來的信號，并傳給控制單片機(jī)，之后控制單片機(jī)向機(jī)械臂發(fā)出信號，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂上的3個(gè)舵機(jī)，對目標(biāo)圖書進(jìn)行抓取。抓取圖書后，控制單片機(jī)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出信號，使電機(jī)和兩個(gè)尋跡模塊啟動(dòng)。機(jī)器人沿規(guī)劃軌跡行駛，同時(shí)超聲波測距模塊啟動(dòng)，在前進(jìn)過程中不斷檢測并及時(shí)避障。當(dāng)尋跡模塊檢測到目標(biāo)地點(diǎn)的標(biāo)記物時(shí)，機(jī)械臂停止前進(jìn)，并將抓取的圖書放下。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無線傳輸模塊作為系統(tǒng)的通信中樞，可將識(shí)別部分與機(jī)器人分揀部分進(jìn)行有效的連接。目前的分揀系統(tǒng)由于受硬件和軟件的諸多限制，在使用上都是一臺(tái)上位機(jī)單獨(dú)控制一個(gè)分揀機(jī)器人。要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)上位機(jī)控制多個(gè)機(jī)器人完成所有工作和總分配，需要用到無線傳輸模塊。

無線傳輸模塊選用低功耗設(shè)計(jì)的NRF24L01，工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為10 dBm時(shí)電流消耗為11.3 mA，接收模式下電流消耗為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。

無線傳輸模塊采用串口型，由USB轉(zhuǎn)TTL模塊轉(zhuǎn)接到電腦上，通過電腦的串口助手讀取無線傳輸模塊上的信息，這有助于對無線傳輸模塊的信息進(jìn)行調(diào)試。NRF24L01的RXD引腳連接USB轉(zhuǎn)TTL模塊的2引腳和單片機(jī)TxD/P3.1端口，USB轉(zhuǎn)TTL模塊的3引腳連接單片機(jī)RxD/P3.0端口。

2.2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，利用單片機(jī)控制機(jī)械臂完成抓取圖書的動(dòng)作?？刂茩C(jī)械臂的舵機(jī)有3個(gè)，編號為1號、2號、3號，在機(jī)械臂上由上至下放置，采用并聯(lián)方式依次相連，3個(gè)舵機(jī)之間相互配合，準(zhǔn)確地抓取目標(biāo)圖書，完成抓取收納任務(wù)。最上面的1號舵機(jī)，控制抓物鉗的張開和收攏；中間的2號舵機(jī)，調(diào)整抓物鉗的水平位置，便于抓取目標(biāo)圖書；最下方的3號舵機(jī)，調(diào)整舵機(jī)的水平方向。連接3個(gè)舵機(jī)的每條控制線都在單片機(jī)上有所對應(yīng)，舵機(jī)直接與單片機(jī)連接，便于電信號處理。將機(jī)械臂控制端口置于單片機(jī)的一側(cè)整齊排列，有利于接線和電信號的傳輸，且不易和其他電路串聯(lián)。3個(gè)舵機(jī)的電源和地線連接在一起，由單片機(jī)的電源統(tǒng)一供電，這樣有利于檢測出在機(jī)械臂上所出現(xiàn)的各種問題。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

選用L298N作為4個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可提供2 A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5～4.8 V，邏輯部分為5 V供電，接受TTL電平[1]。

驅(qū)動(dòng)模塊的4個(gè)端口IN1-IN4與單片機(jī)的P1.0-P1.3端口一一連接，用來接收單片機(jī)上的電信號。為了維持電信號的穩(wěn)定，提升單片機(jī)所輸出的信號電壓，在連線中增加上拉電阻A102J。另外，為了防止電機(jī)在運(yùn)行過程中因電壓問題出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，對L298N采取單獨(dú)供電。

2.4 超聲波測距模塊設(shè)計(jì)

超聲波測距模塊用于機(jī)器人在行進(jìn)過程中檢測前方是否有障礙物，做到有效避障。通過發(fā)送和接收超聲波，利用時(shí)間差和聲音傳播速度，計(jì)算出模塊到前方障礙物的距離[2]。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可用D=ct/2求出[3]。

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)行，主要包括三部分：掃描程序設(shè)計(jì)、行進(jìn)程序設(shè)計(jì)和機(jī)械臂抓取程序設(shè)計(jì)。

3.1 掃描程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)接通電源后運(yùn)行主程序，主程序開啟定時(shí)器和定時(shí)中斷程序，每10 ms檢測一次所連接的引腳獲取的信號，在收到信號后單片機(jī)對MAX232的信號進(jìn)行讀取，并在檢測完信號后將連接的引腳信號進(jìn)行復(fù)位，防止二次檢測，也防止后面的信號無法傳輸。信號復(fù)位后單片機(jī)將信號進(jìn)行編譯，首先單片機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號給NRF24L01，當(dāng)NRF24L01接收到啟動(dòng)信號后才從單片機(jī)中接收信號，然后單片機(jī)會(huì)不斷地將信號發(fā)送給NRF24L01，同時(shí)NRF24L01將接收到的信號以無線信號直接傳送出去。

3.2 機(jī)器人行進(jìn)程序設(shè)計(jì)

電機(jī)之間性能不同，導(dǎo)致電機(jī)在相同的電壓、電流參數(shù)下轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同，如果一個(gè)電機(jī)比另一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，機(jī)器人不會(huì)走直線而是轉(zhuǎn)圈，因此需要對電機(jī)性能進(jìn)行測試，即調(diào)整驅(qū)動(dòng)程序。為了讓4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為同一個(gè)數(shù)值，將電機(jī)在同電壓下進(jìn)行兩兩測試，經(jīng)過3次比較之后找到最快轉(zhuǎn)速的電機(jī)，將其所供給的電壓設(shè)為一個(gè)定值20，其后所有電機(jī)的所供電壓在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的增加，然后依次和最快轉(zhuǎn)速的電機(jī)進(jìn)行兩兩測試，當(dāng)機(jī)器人能進(jìn)行直線行駛時(shí)記錄此電機(jī)的電壓，最后得出其余3個(gè)電機(jī)的供電數(shù)值。

完成4個(gè)電機(jī)的程序設(shè)計(jì)后，再對尋跡模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。尋跡模塊在檢測到地點(diǎn)標(biāo)記物黑線時(shí)會(huì)變?yōu)榈碗娖捷敵?。單片機(jī)內(nèi)啟用定時(shí)器對各引腳電信號進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到對應(yīng)引腳達(dá)到低電平時(shí)，說明機(jī)器人前端的一側(cè)檢測到黑線，此時(shí)如果加快反向側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，可使機(jī)器人快速脫離黑線。但是當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行速度過快，很容易在檢測時(shí)來不及反應(yīng)而直接沖出軌道，同樣在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候也容易在持續(xù)的加速中沖出軌道，找不到繼續(xù)行進(jìn)的路線，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)沒有加快反向側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，而是減慢了所有電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且將檢測到黑線那一側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速再次減慢，形成更大的速度差來達(dá)到相同的效果，這樣保證了機(jī)器人在偏離軌道或者轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠平穩(wěn)行進(jìn)，提高了容錯(cuò)率。機(jī)器人行進(jìn)程序流程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人行進(jìn)程序流程圖

3.3 機(jī)械臂抓取程序設(shè)計(jì)

機(jī)械臂抓取動(dòng)作需要驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂上的3個(gè)舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要單片機(jī)的3個(gè)引腳對其進(jìn)行控制。單片機(jī)對舵機(jī)持續(xù)發(fā)送電信號，使舵機(jī)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)信號中斷時(shí)，舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械臂固定在某位置。

3個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速是固定的，在設(shè)計(jì)時(shí)將機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間調(diào)到極限，將機(jī)械臂先轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)極限位置進(jìn)行復(fù)位，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)停止，這樣就很容易達(dá)到指定位置。

當(dāng)3個(gè)舵機(jī)調(diào)整角度的程序完成后，在運(yùn)行程序時(shí)將3個(gè)舵機(jī)的運(yùn)行順序分開，依次運(yùn)行。先運(yùn)行3號舵機(jī)程序完成機(jī)械臂水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后運(yùn)行2號舵機(jī)程序調(diào)整機(jī)械臂上下距離，最后運(yùn)行1號舵機(jī)程序使鉗子張開或收縮進(jìn)行抓取，然后2號舵機(jī)再抬高抓頭，完成收納動(dòng)作。機(jī)械臂抓取程序流程如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂抓取程序流程圖

4 結(jié)論

智能分揀機(jī)器人采用靜態(tài)卸載，只要圖書電子標(biāo)簽的信息正確，即可實(shí)現(xiàn)分揀零差錯(cuò)率。與人工分揀相比，智能分揀機(jī)器人不僅省時(shí)省力，而且還具有分揀差錯(cuò)小、可靠性高和拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。因此，具有廣泛的應(yīng)用前景。