基于慧魚創(chuàng)意組合模型的錢幣整理機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

張 穎，沈松琛，徐伯起，陳 棟，馬賽克

（海軍航空大學(xué) 山東 煙臺(tái) 264001）

基于慧魚創(chuàng)意組合模型的錢幣整理機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

張 穎，沈松琛，徐伯起，陳 棟，馬賽克

（海軍航空大學(xué) 山東 煙臺(tái) 264001）

針對(duì)每天錢幣巨大的直接交易量且人工整理錢幣效率低下的問題，提出應(yīng)用慧魚創(chuàng)意組合模型設(shè)計(jì)并制作一款自動(dòng)化設(shè)備來部分代替人工整理錢幣。利用直徑差分原理與顏色差分原理對(duì)第五套人民幣進(jìn)行分類，再通過收納筒接收硬幣、機(jī)械手轉(zhuǎn)移紙幣到整理盒實(shí)現(xiàn)了錢幣的整理功能。

慧魚創(chuàng)意組合模型；自動(dòng)化；ROBO Pro軟件

1 引言

慧魚創(chuàng)意組合模型（Fischertechink Model）誕生于德國，主要由機(jī)械構(gòu)件、電器構(gòu)件、傳感器、控制器和軟件組成，是一種模塊化、可拼裝、靈活、易擴(kuò)充的創(chuàng)新實(shí)踐工具。利用這些零件可以實(shí)現(xiàn)無限多的組合變化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的缺陷，能夠完成創(chuàng)新構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)、提升的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手實(shí)踐能力[1]。并且，機(jī)器人教育是目前創(chuàng)新教育的熱點(diǎn)，慧魚機(jī)器人是教學(xué)機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛的一種，慧魚機(jī)器人組件采用優(yōu)質(zhì)工程塑料，以“六面拼接體技術(shù)”為基礎(chǔ)，可以反復(fù)的拆裝，還原科學(xué)原理，展示技術(shù)模型，因此慧魚模型被諸如IBM、西門子等很多公司采用，用以驗(yàn)證生產(chǎn)流水線[2]。

針對(duì)公共交通行業(yè)、小商品市場(chǎng)、銀行單位等對(duì)于現(xiàn)金錢幣整理效率較低的問題，利用慧魚創(chuàng)意組合模型，設(shè)計(jì)制作了一款錢幣整理機(jī)，來部分代替人工進(jìn)行錢幣的分類、清點(diǎn)和整理。

2 自動(dòng)化錢幣整理機(jī)功能

錢幣整理機(jī)主要完成對(duì)零散硬幣和平整紙幣的分類整理任務(wù)，減少錢幣分揀過程中人的工作量，提高分揀效率[3]。錢幣整理機(jī)（如圖1所示）通過慧魚模型搭接完成，主要利用錢幣物理特性差別，將其分類再逐一放置于指定位置。錢幣整理機(jī)采用雙層功能分區(qū)布置，下層為控制區(qū)，主要由電源、各種控制板及氣泵組成；上層為功能區(qū)，主要完成各種錢幣的分揀[4]。

圖1 錢幣整理機(jī)

在上層功能區(qū)中，同步并行完成硬幣與紙幣的分揀，功能流程如圖2所示。硬幣放入振動(dòng)盒中，而紙幣放入紙幣識(shí)別槽內(nèi)。啟動(dòng)錢幣整理機(jī)后，通過振動(dòng)盒的周期性振動(dòng)使硬幣下滑進(jìn)入分揀滑道中，利用硬幣直徑尺寸的物理差異性，完成不同硬幣的分類；紙幣在紙幣識(shí)別槽中，通過顏色傳感器利用顏色的差異性，對(duì)其紙幣面值進(jìn)行識(shí)別，而機(jī)械手根據(jù)識(shí)別結(jié)果完成紙幣的抓取并放置到相應(yīng)的整理盒內(nèi)。

圖2 功能流程圖

3 硬幣整理部分的設(shè)計(jì)

3.1 硬幣特征分析

為了完成硬幣的分揀，首先對(duì)現(xiàn)行流通硬幣的物理特性進(jìn)行分析比對(duì)（如表1所示）。在厚度方面，一角與五角的尺寸差為0.02mm，五角與一元的尺寸差為0.20mm，不同硬幣的厚度尺寸差異性太??；在硬幣重量方面，一角與五角的重量差為2.65g，一角與一元的重量差為4.95g，差異性較為明顯，但由于使用過程中的雜質(zhì)沾染，硬幣重量的穩(wěn)定性較差，因此不適用于分揀；在硬幣的顏色方面，一角和一元最為接近均為金屬白，五角為金黃色與其他硬幣差異較大，雖然視覺差異性明顯，但硬幣的金屬表面光滑，顏色識(shí)別器無法準(zhǔn)確讀出有差別的數(shù)值；在硬幣的直徑尺寸方面，一角與五角的直徑差為1.50mm，一元與一角的直徑差為6.00mm，而五角與一元的直徑差為4.50mm，直徑差異均較為明顯。

表1 硬幣物理特性分析比對(duì)表

通過對(duì)硬幣厚度、重量、顏色、直徑四方面的物理特性進(jìn)行分析比對(duì)，不同面值的硬幣在厚度上的差異性較小，而重量受使用過程中的雜質(zhì)沾染的影響較大，因此重量穩(wěn)定性較差，而顏色方面也會(huì)因使用磨損而影響辨別。綜合考慮硬幣物理特性與差異性，選取利用硬幣的直徑尺寸差異性，設(shè)計(jì)并完成不同硬幣的分揀。

3.2 硬幣分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 硬幣分揀流程 根據(jù)表1中對(duì)硬幣不同物理特性的測(cè)量與分析，利用直徑差分原理，設(shè)計(jì)滑道式分揀結(jié)構(gòu)，借助硬幣自重實(shí)現(xiàn)硬幣沿滑道的下滑。

滑道式分揀結(jié)構(gòu)由兩級(jí)滑道組成：1級(jí)滑道完成一元硬幣的分揀，而五角與一角的硬幣落入2級(jí)滑道；2級(jí)滑道完成一角硬幣的分揀，而五角硬幣繼續(xù)滑行落入收納筒中。

3.2.2 硬幣分揀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）振動(dòng)盒

振動(dòng)盒通過凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)硬幣盒周期性振動(dòng)，為盒內(nèi)硬幣的流出提供初始動(dòng)力。

為了保證硬幣流出時(shí)不相互疊壓，因此振動(dòng)盒的出口處還相應(yīng)的設(shè)計(jì)了活動(dòng)擋板，完成對(duì)疊壓硬幣的推平，使得硬幣逐一進(jìn)入分揀滑道中。

活動(dòng)擋板包含橫放擋板和斜放擋板。橫放擋板主要用于限制每次抖出的硬幣數(shù)量，斜放擋板則是防止硬幣疊壓在橫放擋板前造成硬幣卡死在出口處。

（2）分揀滑道

分揀滑道由兩側(cè)滑板及滑板中間形成的中空區(qū)兩部分組成?；鍖?shí)現(xiàn)對(duì)大直徑硬幣的支撐，并引導(dǎo)其下滑至相應(yīng)的收納筒中?；逯虚g形成的中空區(qū)主要實(shí)現(xiàn)較小直徑硬幣的拋落。

如圖3所示，在一級(jí)分揀滑道中，滑板中間形成的中空區(qū)的間距D2大于五角硬幣的直徑d五角，滑道兩側(cè)的滑板間距D1略大于一元硬幣直徑d一元，這樣能夠保證一元硬幣沿兩側(cè)滑板形成的引導(dǎo)路徑下滑，而一角與五角則通過滑板中間形成的中空區(qū)拋落入二級(jí)滑道。

圖3 一級(jí)分揀滑道原理示意圖

二級(jí)分揀滑道利用同樣的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)一角、五角的分揀。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定分揀滑道上的滑板間距與中空區(qū)間距尺寸，實(shí)現(xiàn)不同面值硬幣的分揀功能。

3.2.3 撞角與收納筒 為了改變已揀出的硬幣運(yùn)動(dòng)方向，在各級(jí)分揀滑道末端上方設(shè)計(jì)有擋板撞角，硬幣碰上撞角后，改變其運(yùn)動(dòng)方向并降低速度，以便于更好地沿導(dǎo)路下滑至收納筒中。

收納筒用于收納已分揀出的硬幣，且收納筒上標(biāo)識(shí)有刻度線，便于清點(diǎn)硬幣數(shù)目。

4 紙幣整理部分的設(shè)計(jì)

4.1 紙幣特征分析

現(xiàn)行流通紙幣共有八種面值，在沒有圖像處理的情況下，需要充分考慮其自身物理特性用于完成面值的識(shí)別?，F(xiàn)行紙幣質(zhì)地較為柔軟，不同面值的紙幣厚度近似相同，而其寬度尺寸差異小于長度尺寸差異，不同面值的色調(diào)不同且分布呈對(duì)稱性。

表2 紙幣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表2紙幣特性數(shù)據(jù)可知，顏色方面的差異性比尺寸上的差異性更明顯。因此，利用對(duì)紙幣上不同位置進(jìn)行顏色數(shù)值讀取，而后與程序原有數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，差別最小的一組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的就是當(dāng)前紙幣的面值——這就是顏色差分原理。

4.2 紙幣分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 紙幣分揀流程 平鋪的紙幣通過顏色傳感器對(duì)其特定位置進(jìn)行顏色讀取，并與設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，完成紙幣面值的識(shí)別。計(jì)算機(jī)通過比對(duì)完成對(duì)紙幣的面值識(shí)別后，控制機(jī)械手根據(jù)識(shí)別結(jié)果將紙幣放置于對(duì)應(yīng)的整理盒中。

4.2.2 紙幣分揀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及程序編制 紙幣分揀主要由紙幣識(shí)別槽、機(jī)械手和整理盒三部分組成。紙幣識(shí)別槽用于放置未分揀的紙幣，其蓋板上集合了多個(gè)顏色傳感器用于完成紙幣面值的識(shí)別，機(jī)械手主要用于紙幣的抓取和放置，而整理盒用于收納分揀后的紙幣。為了使作品結(jié)構(gòu)緊湊，紙幣識(shí)別槽和整理盒以機(jī)械手為中心環(huán)形布置[6]。

（1）面值識(shí)別

作品通過顏色傳感器進(jìn)行多點(diǎn)讀取，完成紙幣面值的識(shí)別。在識(shí)別過程中，為了提高多點(diǎn)識(shí)別的精度，首先要確保紙幣的放置位置。通過傾斜紙幣識(shí)別槽，使平鋪放置的紙幣依靠重力作用，自然聚于紙幣槽一側(cè)，以確保識(shí)別前紙幣的位置，為準(zhǔn)確識(shí)別提供位置保障。

其次，利用顏色傳感器進(jìn)行識(shí)別，需要消除光線的干擾。主要包括環(huán)境光線和傳感器光線兩方面的光線干擾。為了減少環(huán)境光線的影響在識(shí)別槽支架上添加了綠色補(bǔ)光燈；為了消除傳感器自身光線的相互干擾，顏色傳感器都放置于紙幣識(shí)別槽蓋板內(nèi)槽中，并在傳感器之間用隔板進(jìn)行分割，再利用黑膠帶填補(bǔ)空隙，阻擋光線進(jìn)入其他傳感器的識(shí)別區(qū)，減少傳感器間相互影響。以此提高識(shí)別精度。如圖4所示。

圖4 紙幣識(shí)別槽圖

（2）機(jī)械手

當(dāng)傳感器將識(shí)別的數(shù)據(jù)傳入至電腦中，完成數(shù)據(jù)判斷并確定面值后，分揀機(jī)械手從紙幣槽中揀出紙幣，并放置于相應(yīng)的整理盒中。

為了確保機(jī)械手每次僅揀出一張紙幣，作品利用真空吸盤進(jìn)行抓取，通過反復(fù)調(diào)試確保不會(huì)吸出多張疊放的紙幣。

由于整理盒與紙幣識(shí)別槽圍繞機(jī)械手環(huán)形分布，因此分揀機(jī)械手利用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的水平轉(zhuǎn)動(dòng)和空間俯仰運(yùn)動(dòng)，利用齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的伸縮運(yùn)動(dòng)。

（3）分揀程序

紙幣分揀程序包括復(fù)位程序、面值判斷程序、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)程序。

“復(fù)位程序”是為了確保作品分揀工作開展前的初始狀態(tài)。通過對(duì)各個(gè)位置上的微動(dòng)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、復(fù)位，完成初始狀態(tài)的調(diào)整。復(fù)位完成后進(jìn)入“面值判斷程序”，不管當(dāng)前紙幣識(shí)別槽中是否有紙幣，面值判斷程序都會(huì)執(zhí)行一遍。若沒有紙幣，則跳出主程序結(jié)束當(dāng)前工作[9]。

若檢測(cè)到紙幣，面值判斷程序中通過調(diào)用差值計(jì)算子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，每一個(gè)傳感器的傳回?cái)?shù)據(jù)與程序中的原有數(shù)據(jù)相減，最后各個(gè)差值相加并和限定值比較，如果大于限定值則跳出該面值判斷程序進(jìn)入下一個(gè)面值判斷程序；如果小于限定值，則機(jī)械手運(yùn)動(dòng)程序根據(jù)面值判讀程序的結(jié)果，控制機(jī)械手吸出紙幣并放置于相應(yīng)的整理盒中，完成紙幣的分揀。過后，機(jī)械手復(fù)位，蓋板蓋下開始下一張紙幣的整理。

5 結(jié)語

作品利用直徑差分原理完成硬幣分揀，而紙幣則是利用顏色差分原理實(shí)現(xiàn)面值識(shí)別，錢幣整理機(jī)實(shí)現(xiàn)了紙幣和硬幣的同步整理，部分代替了人工。

通過該項(xiàng)作品的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)搭接、創(chuàng)新調(diào)試，直至功能完善，深化了團(tuán)隊(duì)成員對(duì)機(jī)電知識(shí)的理解和應(yīng)用，同時(shí)動(dòng)手能力、問題分析能力和解決能力都得到了充分的鍛煉和提高，并為后續(xù)創(chuàng)新實(shí)踐的開展奠定了基礎(chǔ)、積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1]韓蕾，鄭軒，孫雪.慧魚創(chuàng)意組合模型的實(shí)踐與開發(fā)[J].機(jī)電技術(shù)，2010（05）.

[2]曲凌.慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

[3]張繼平，宋巖.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 2009（03）.

[4]曹國忠，郭海霞，檀潤華等.面向功能創(chuàng)新的功能進(jìn)化、組合與失效研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（11）：29-38.

TP242.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）01-0081-03

張穎（1983-），女，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，工程師，研究方向：機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)；

沈松琛（1996-），男，福建漳州人，本科生，專業(yè)：飛行器動(dòng)力工程。