基于MCU的智能分拣机器人

2021-04-12西北民族大学电气工程学院张峻瑞

电子世界 2021年5期

西北民族大学电气工程学院唐媛马喆张峻瑞向宇金梅

传统机器人分拣存在笨重、系统稳定性较差、精度较低等缺点。本项目针对这些问题进行技术改良，设计的智能分拣机器人以STM32微控芯片作为控制器，机器人利用摄像头进行物品二维码扫描得到相关物品信息后，机器人使用机械臂对物品进行抓取，再进行巡线将物品送到相应区域。这样保证了整个分拣过程的方便性、准确性与安全性，因此也降低了人工分拣疲劳所带来的错误率，提高工作效率。

随着社会经济的快速发展和人们生活水平的提高,已经有越来越多的人开始在网上购物,这极大地促进了快递等物流行业的发展。快递物流业作为国民经济发展的战略性、基础性、先导性产业是连接供给侧和消费侧的现代服务业的重要组成部分。特别是在像“双十一”这样的大型网购活动时，大量包裹需要在一段时间内快速分拣、运送。

目前，物流企业普遍采用人工分拣的方式对收到的货物进行分拣，而这种分拣方式存在着诸多的问题，比如基层工人负担大、分拣效率低等；有些物流公司也采用机器人分拣，但传统机器人分拣存在笨重、系统稳定性较差、精度较低等缺点。为了解决这些问题，本项目设计的智能分拣机器人便应运而生。经过对传统机器人分拣技术改良后，智能分拣机器人能很好地满足企业生产需求，通过智能分拣机器人的帮助可大大提高工作效率、降低劳动成本。

1 系统总体设计

本项目中使用STM32微控制器对整个机器人进行控制，在项目中使用到的功能有IO口复用、PWM波的输出、串口通讯、定时器中断、外部中断、定时器等。本次硬件识别模块采用二维码扫描传感器识别技术，通过扫描传感器对货物二维码进行扫描获取相关货物信息。电机驱动部分主要是直流电机，直流电机负责轮子的转动，其起动和调速性能好。机械臂采用六个舵机和爪子组成，舵机由PWM波控制占空比来进行控制。CCD模块进行图像采集，图像数据反馈给STM32进行处理，最后通过MCU统一控制进行调配。

2 主要硬件设计

本项目设计的智能分拣机器人，其硬件系统设计流程图如图1所示。

图1 硬件系统设计流程图

智能分拣机器人主要包含识别模块、核心主板、运输模块、机械结构这4个模块，下面分别详述。

2.1 识别模块

识别模块主要运用摄像头识别二维码。该模块采用CMOS感光器件和专用镜头模组，支持全方向识读智能锁定目标从而快速、超强的识读二维/一维条码，其可以将二维码图像通过感光头读取、识别并解读二维码图像信息，实现信息的解码和采集。其可以实现使智能分拣机器人识别标签包含的货物运输信息，进而将货物运送到相应区域。

2.2 核心板模块

使用STM32系列芯片作为核心主板，STM32系列是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3，STM32的核心Cortex-M3处理器是一个标准化的微控制器结构，而Cortex-M3系列处理器的开发应用可以全部在C语言环境中完成。此模块可以对不同的类型的信息进行处理结合，其是智能分拣机器人的大脑和判断机构。

2.3 运输模块

利用CCD模块实现机器人的巡线运输的功能，该模块可以实现图像的自扫描，从而将照射在CCD上的光学图像转换成电信号图像，直接显示图像全貌。本项目中的机器人就是利用CCD模块对路面进行图像采集，并将采集到的数据反馈给主控芯片进行数据处理，之后，机器人听从核心板的控制对识别出身份的货物进行传送和送达指定的位置。

2.4 机械结构

本设计采用具有六自由度的机械臂来完成对货物的装卸。该机械臂由6个舵机组成，实现机械臂的六自由度运动，机械手采用主从控制方式，其开发可基于STM32单片机的编写程序，因此可以通过串口与STM32单片机串行通讯，从而达到连续动作对货物进行装卸的目的。

智能分拣机器人在电源打开后，经过稳压模块后给主控芯片STM32微控器、二维码扫描模块、CCD图像采集模块、电机驱动、机械臂模块进行供电。首先二维码扫描模块对物品的二维码进行扫描，获取信息后反馈给主控芯片，之后主控芯片调动机械臂进行货品抓取，之后机器人根据CCD模块采集到的图像数据传送给主控芯片进行数据处理，处理后调控电机驱动，从而调控了直流电机的运动，进而进入循迹状态。

3 主要软件设计

在本项目中，使用C语言来编写程序，使用的编译器为Keil5。Keil编译器完美的支持使用C语言对STM32系列芯片的驱动，该编译器功能非常强大，支持在线仿真功能，可以通过观察窗看到每一个寄存器的值，可以更加直观的看到程序设计时出现的错误并及时改正，对于程序的调试非常有帮助。程序编写时使用模块化编程，把不同模块的初始化及驱动过程封装在不同的.c文件中，在main.c文件中只实现调用的过程，不同文件中函数的调用通过对相应.h文件的引用来实现。模块化编程最大的好处就是程序的可阅读力比较强，编程思路的体现更加清晰，对于程序的分模块调试以及程序修改也非常方便。

智能分拣机器人在开始程序启动后，完成各模块的初始化。区定位功能等，直到机器人达到预期效果。

首先将小车放置在取货点，打开电源开关，机器人进行二维码扫描和抓取货物，获取信息后，小车根据得到的信息进行搬运货物至相应区域，之后再返回取货点，如此来回。

试验结果表明，本智能分拣机器人能对正确的物品二维码信息进行处理、物品的装卸动作较为流畅、送达指定分区功能较为完善。因此，本智能分拣机器人具有一定的实用性、方便性、准确性与安全性，其降低了人工分拣疲劳所带来的错误率，提高了工作效率。

总结与展望：根据市场需求，本智能分拣机器人选取STM32微控芯片作为主控芯片对整体系统进行控制。相较于人工分拣货物来说，本智能分拣机器人的工作效率更高、工作时间更加持久、工作费用更加低廉；相较于传统分拣装置来说，本智能分拣机器人拥有更良好的稳定性、更便捷的操作性、更高的精确性。本机器人通过摄像头扫码，识别出二维码中分拣目的地和路线等信息，从而使货物快速高效地分拣、装卸，节省了大量的人工。本设计采用无线模块传输数据，数据传输信息完整，降低信息丢失机率，降低了货物丢失的机率。结合搬运条件的各方面来说，在降低成本的同时，提高了工作的效率。

本项目以物流分拣为基础，联想到智能分拣机器人，但其本身的应用层面更广，不仅局限在单纯的物流分拣之中，首先，对物品的二维码扫描。其次，机器人判断其是否为正确的二维码。若是正确的二维码则机械臂进行货物夹取；若不是正确二维码，机器人移除该物品，继续检测下一货物的二维码信息。之后，机器人将物品送达指定位置。后再返回取货点，如此反复作业。具体操作流程图如图2所示。