基于Makeblock的智能硬币分拣装置的设计制作与优化

付 勤，唐烨锋

（苏州工业园区职业技术学院信息工程系，苏州 215123）

超市、银行、公交公司等部门需要对大量的硬币进行高效的处理，分类、计数使其再次流通，自动售货机除了识别之外，还需要提供找零功能。现有的硬币归纳装置结构比较复杂，操作困难，使用效率低，无法满足市场上对大量不同面值或者不同直径硬币的区分工作。

Makeblock是一个模块化组装及编程的机器人DIY平台，产品主要包含各种搭建材料五金和工具、电子模组及配套软件编程工具。硬件包括Makeblock主控板（或Arduino主控板）、电机以及驱动板、其他机械元件、连接件等。利用Makeblock设计一个智能硬币分拣装置，可以实现全自动的硬币筛选及收纳，使用方便，易于移动，筛分效率高。

1 硬币分拣装置机械整体方案的设计与制作

该硬币收纳装置在支架模块一端设置有滑槽机构，支架上方设置有移动机构，支架下方设置有筛分板，移动机构上设置有可转动的拨币转轮，拨币转轮在筛分板上方往复移动；筛分板从前向后分别设置有多组落币孔，每组落币孔的直径从前向后不断增大。可以实现全自动的硬币筛选及收纳，使用方便，易于移动，筛分效率高。整体结构共分为4个不同的模块，如图1所示：

图1 装置整体结构示意图

滑槽模块用于将硬币批量导入，以避免由于硬币数量过多而导致转轮工作压力变大。转轮模块负责带动硬币旋转，使其落入相应区域的孔洞。支架模块足够牢固起到支撑作用，同时便于整个装置的位置移动。滑动模块负责带动转轮模块的水平位移。这样转轮模块平移到相应区域后，随着转轮的旋转运动，实现硬币的分拣。

1.1 滑槽模块的安装

滑槽模块用5个并排的单孔梁，配有舵机控制其开与关。当接受到命令时，舵机向上转动，带动挡板使累积的硬币有向下滑动的空间。滑槽的长度确保硬币会散落到一角区域的转轮内侧。

图2 滑槽模块侧视图

1.2 筛分板的设计和加工

筛分板分为1角硬币区、5角硬币区和1元硬币区，用美国Robert&Assoc公司开发的功能强大的基于PC机的专业3D造型软件Rhinoceros 5完成设计。

先按照1角和5角硬币的孔径画出分拣区域阵列的顶视图，正视图和右视图，软件自动合成三维图像。如图3、图4所示：

图3 筛分板分拣区域阵列设计图

图4 筛分板实物图

1.3 转轮模块的设计改进和加工

转轮模块采用12V直流电机，转速平稳力道充足；单孔梁-092由支架3*6竖直排布，减少转动摩擦；以上部件由同步带轮固定在直流电机上；包围直流电机的六边固定柱能更好支撑电机，并留下足够连接其他模块的空间。

图5 转轮模块俯视图 图6 转轮模块侧视图

调试时发现，由于所选的金属元件有磨损，安装后4个转接片不在同一个平面上，有一端翘起，有时会导致部分硬币脱离分拣区域，于是决定将转轮部份和连接部分进行整体设计和加工。

转轮和连接部分——转轮卡扣的设计和制作如图7所示：连接部分——转轮卡扣的设计制作如图8所示：

没有设计预留转轮卡扣的孔，而是最后使用锉刀打磨，是为了保证其连接紧固可靠。完成转轮和连接部分——转轮卡扣的设计和制作后，重新搭建转轮模块如下，从而完成转轮部份和连接部分的整体设计和加工。

1.4 支架模块安装

支架起到支撑作用，所以必须足够牢固。以方形梁-504为基础，确保了底部不会散架；双孔梁-496两孔中间的卡槽刚好卡住底板，在其四角安装了4个双孔梁-032保证底板不会移动。以万向轮和支架U1制作4个轮子，将轮子安装在机器的底部四角；以不同规格方形梁和45°连接片制作拉手，将拉手连接在底部一端的正中心。

图7 转轮设计图

图8 转轮卡扣设计图

图9 转轮卡扣打孔后实物图

图10 转轮+转轮卡扣+电机组装图

图11 支架安装实物图

1.5 滑动模块的安装

滑动模块的安装是本执行机构的核心部分，分为滑轨、传送带及步进电机的安装，方形梁与光轴呈“Ⅱ”型排布，在其右侧安装步进电机，左侧使用支架安装同轴带轮32T，并在进步电机中轴上水平位置安装同轴带轮18T，最后使用85cm开口同步带连接，接口用同步带固定片和支架连接紧固，防止转动时卡带脱离。支架下方悬挂一个小型矩形方框，将同步带接口固定在矩形方框中部，使步进电机运转时可以同时带动矩形方框移动。矩形方框的两臂对称位置与滑块连接，使滑块能够跟随矩形方框，沿光轴滑轨同步移动。

图12 滑动模块的结构

1.6 整体机械结构组装

将4个不同的模块组装起来需注意以下几点：①转轮模块与滑动模块安装，注意六边固定柱需要提前埋螺丝进去。②将①安装到支架模块，注意选用双孔梁-176的一边。③将滑槽模块安装到②，使用连接片45°使滑槽模块倾斜。

图13 塑料一体件转轮整体机械组装图

2 电子模组的选用与连接

主控板选用Orion主控板，共有八个数据端接口和两个电机接口。数据端接口上共涂有红，蓝，黄，白，黑，灰这几种颜色。其中红色代表6-12V的输出电压；蓝色代表双向数字接口；黄色代表单向数字接口；白色代表I²C接口；黑色代表单向或双向模拟信号接口；灰色代表硬件串口。各个电子模块接口端都带有颜色，接线必须连入相应颜色的端口对应上。

图14 Orion 主控板

所选用的电子模块和主控板的接线关系如表1所示：

表1 接线表

触摸传感器：用于机器工作的开启，连接主板端口3。RJ25转接板：接口1用于连接舵机（主板上没有专门的舵机接口），灰色端口连接主控板端口6。步进电机驱动模块：用于步进电机的控制，红色端口连接主控板端口1。另一接口连步进电机。转轮连接的直流电机直接连到Orion主控板电机接口1。

3 Orion主控板软件编写

3.1 软件流程图

图15 软件流程图

3.2 主程序编程界面

图16 主程序编程界面

图17 主程序编程界面（续）

4 分拣装置的优化

使用Makeblock器件设计开发的智能硬币分拣装置，主要完成以下内容：一是放入硬币，硬币自动进入分拣器，经过分拣区，自动归纳到指定区域。二是能有效识别目前使用的硬币（1元、5角、1角）。

在制作过程中遇到如下问题，通过对分拣装置的优化进行解决。

调试时发现有的硬币可能正好被转动的转轮带到其中心，导致错过相应的孔洞；于是在转轮中间用3D打印了一个阻挡装置和一个转轮外边框（拨币圈），限制硬币的移动范围。以避免这类情况发生。

调试过程中发现步进电机正、反转移动的单位距离差别较大，通过在软件中设置不同的步数值，完成步进电机的正确归位。理论值归位需要2160步，实际调试时发现1199步时就刚好能归位。

由于三种硬币的的直径是由游标卡尺测量，而定制的PCD筛分板也是精确到0.01mm的，运行时发现会导致1角和5角硬币刚好卡在孔洞无法正常掉落，用磨砂棒对每一个孔洞进行微小的打磨，从而解决此类问题。

调试过程中发现，有时硬币在筛分板上重叠情况比较严重，导致硬币有时不能在相应的区域正常掉落，优化方案是在转轮中间的h高度位置（一个硬币高度＜h＜两个硬币高度）在阻挡装置和转轮边框（拨币圈）之间安装听装可乐上剪下来的拉直铝带，随着转轮的转动，当铝带碰到重叠硬币时，可顺利将其拨落，从而解决了硬币重叠问题，保证了硬币分拣的高可靠性。在转轮结构中增加拨落杆的优化设计如图所示。

图18 转轮结构的优化设计图