基于全向轮的智能分拣装置设计与实现

刘校腾，刘静涛，肖 铎，张 贺

（中船重工海为郑州高科技有限公司，郑州 450052）

0 引言

近年来随着居民消费习惯发生巨大变革，线上消费持续提升带动了电商、快递等行业快速扩张，也进一步促使物流业发生变革，推动自动分拣设备行业快速发展，2020年我国自动分拣设备市场规模约213.5亿元，年均增长率约29%。电商、快递行业的业务量激增，使得以往的人工、半自动分拣作业方式已经无法满足这种大规模、短时限的分拣要求［1］。分拣作业作为物流配送中的关键环节，直接决定物流配送工作的效率和准确率。随着快递业务的飞速增长，采用自动化分拣系统成为物流中心的主流趋势［2］。

目前市场上已经存在多种自动分拣装置，大多采用交叉带、滑块、摆臂等分拣形式［3］，占地面积大，柔性和灵活性不足，不仅相互衔接配套差，而且前期投入成本较高，后期维护拓展困难。在市场竞争日益激烈的今天，物流作业呈现出配送小批量、多种类、高频次的明显趋势，随着物流服务的升级，对自动分拣设备的分拣效率、分拣准确率以及可靠性提出了更高的要求［4］。

针对以上问题，本文设计了一种全新的智能分拣装置，从装置的系统总体方案设计、硬件各部分结构设计、软件及控制部分设计以及试验验证几个方面来阐述分拣装置的设计和研究过程。

1 系统总体方案

智能分拣装置主要包括机械部分和控制部分，其中控制部分是分拣装置的核心，包括光电识别模块、PLC控制模块和驱动模块。光电识别模块作为分拣设备的“眼睛”，对货物实时位置进行识别和定位，然后将货物信息反馈给PLC控制模块；PLC控制模块作为分拣设备的“大脑”，负责控制驱动模块完成分拣装置的动力驱动，使机械部分执行相关分拣指令完成作业。机械部分包括传输模块、分拣模块和平台支架，两种模块作为整个分拣装置的执行终端，完成分拣动作。如图1所示。

图1 智能分拣装置总体方案

与传统的分拣设备相区别，该分拣装置没有采用辊筒、传送带等作为分拣执行机构［5］，而是使用全向轮作为驱动轮对货物进行分拣，同时整个装置采用模块化设计，设备长度可自由定制，各模块之间可以通用和互换，更能满足客户的个性化定制需求。本装置的结构组成如图2所示。

图2 智能分拣装置结构组成

该装置的工作原理：将货物分拣路径分解为直角坐标系内的两个垂直分量，两个方向分别依靠输送模块和分拣模块实现各自运动，根据平面向量基本原理，通过控制各模块全向轮的速度，进而控制货物运动轨迹［6］。在分拣过程中通过光电传感器实时判断货物位置，将位置信息反馈给PLC控制系统，然后给相应单元模块发送动作指令，完成货物分拣。

为适应不同的分拣需求，整个装置可以任意增减传输模块和分拣模块个数，从而调整设备的占地面积，满足场地布置要求。对单个传输或分拣模块而言，均采用同步带传动方式来保证传动的稳定性。控制系统通过电机群控技术调节不同模块全向轮的转速［7］，使包裹按照预定的轨迹运动到需要分拣的格口位置，实现包裹的输送和精确分拣。

2 硬件设计

2.1 传输模块和分拣模块

分拣包裹在输送线平面内的运动可以分解为沿传输模块和分拣模块两个方向运动的合成，因此只有两种模块的全向轮协同配合，才能够保证包裹按照预定路径运动。为达到两种模块协同控制运动路径的目的，传输模块和分拣模块使用两种规格的全向轮，直径分别为50 mm和90 mm，采用并联正交的轮系布局，高度方向上段差布置，水平方向正交布置，两种模块并联安装在一起，各自采用不同的电机驱动，如图3所示。为保证运动过程中全向轮动作精确可靠，对单个模块而言，均采用步进电机提供动力。同时，考虑到保护包裹在输送分拣过程中不受损伤，模块的转轴之间采用同步带传动，主动同步带轮通过轮齿的啮合带动同步输送带运动，同步带传动具有稳定的传动比，传动也更加平稳。

图3 并联正交的轮系布局示意图

通过电机群控制技术，各模块之间运动相对独立，在同一时刻位于不同位置的全向轮可以具有不同的速度，采用光电开关辅助判断货物实时位置，货物即将到达某分拣模块时，该模块开始工作，货物离开所在的分拣模块，该模块便停止运行。此种控制方式降低能源消耗，节约了运行成本。

为提升分拣角度的灵活性，将传输模块和分拣模块的全向轮段差布置，同时将全向轮布置间距尽可能缩小，这种正交的结构形式可以实现分拣尺寸更小的货物，提高设备分拣尺寸范围。

2.2 平台支架设计

整个分拣装置的平台支架采用型号SY－6－2020和SY－8－3060铝型材制成，其质量轻、硬度高，结构简单，易于装卸，能够起到稳定支撑的作用。支架结构如图4所示，考虑运输的方便性，平台支架由两部分拼接组成，便于拆装。支架上部沿四周安装铝合金型材，两者通过螺栓连接。出货口一侧的型材布置有万向球，万向球嵌入安装在型材顶部，其高度与所有模块全向轮上表面高度相同，保证货物顺利通过分拣格口。支架底部安装中载脚轮和脚杯，满足承载要求，便于分拣装置在一定空间内进行移动、调平和定位，平台支架与型材的总装方式如图5所示。

图4 底部平台支架结构

图5 平台支架与型材总装连接

2.3 光电识别模块

光电识别模块作为智能分拣装置的感知部分，负责采集外部信息，通过传感器收集数据和外界构建联系，实现货物位置的跟踪功能。光电开关的原理是利用被测物体对光束的遮挡或反射，通过同步回路选通与否来判断出被检测物体的有无。当物体运动到开关区域时，遮挡光电开关的光发射端，从而为设备的运转工作提供触发信号［8］。

智能分拣装置在工作时，通过扫码设备扫描包裹表面的普通标签，读取包裹信息，包裹在行进过程中，遮挡光电传感器判断该包裹的实际位置。分拣装置的结构组成如图2所示，光电传感器沿分拣装置一侧布置，固定安装在侧面的型材上。选用的传感器型号为GTB10漫反射式光电传感器，配备背景遮蔽功能，提供两种光源（红光或红外光），感应距离为1 200 mm。其上集成了一个发射管和一个接收管，通过采集包裹经过时产生的一连串光电信号，实现包裹位置检测功能［9］。

与图像识别的位置检测方式相比，此种以光电传感器判断位置的方式更为简单，无需上位机进行图像分析，也不需要智能算法的配合，节省了上位机软件的开发成本和整套装置的硬件成本。

2.4 PLC控制系统

PLC控制系统用来分析处理收到的各种信息数据，给执行模块下达相应的动作指令，控制系统架构如图6所示，主要由主控PLC、驱动器、驱动电机、供电电路及开关电源等组成，由PLC对各个模块进行统一控制管理，多模块协同作业。

图6 控制系统架构

根据智能分拣装置的控制要求，分析各模块的运行过程，确定输入／输出信号的点数，分配输入／输出点（I／O地址分配），来实现PLC和其他模块之间的信息交换。主控PLC通过接收上位机发出的通信报文，分析收到的数据并判断其中各个标志位的状态，然后通过输出I／O接口对变频器下发脉冲指令及方向信号，驱动电机运转，进而控制传输模块和分拣模块执行相应动作指令［10］。同时系统发生故障时也可以读取PLC中的寄存器信息来判断系统实时的运行状态，从而保证系统安全性。

3 软件设计

本项目采用台达高性能PLC做为主控制器，台达PLC是台达为工业自动化领域专门设计的、实现数字运算操作的电子装置，采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程［11］。在本软件中选择台达AS228T－A作为主控部分，搭配数字量输入模块和模拟量输入模块进行使用。

程序开发采用官方软件ISPSoft，版本号为V3.09，具有较好的集成性能，能够在多种系统下安装运行，软件为开发、编辑和监控应用程序提供了良好的编程环境［12］。编程方法采用梯形图，梯形图编程比较直观易懂，在PLC的编程方法中属于容易掌握也是应用最为广泛的方法。由于分拣装置工作流程相对简单，所以采用梯形图编程也较为简单。控制程序主要包括以下两部分：包裹按照规划路径分拣时的运行程序和包裹滞后时需要的调整程序。

智能分拣装置软件运行的核心是采集包裹信息，对分拣包裹进行识别和定位，进而执行输送或分拣操作，软件控制流程如图7所示。

图7 智能分拣装置软件流程

4 现场功能试验

将机械部分、控制部分组装完成以后，在对整个装置进行功能试验，现场测试如图8所示，试验主要验证的技术指标包括货物传输速度、承载货物重量、最小分拣尺寸和分拣效率。所得试验相关参数记录如表1所示。

图8 现场测试

表1 分拣特性参数试验记录

从试验记录可知，相比传统人工分拣、半自动分拣方式，智能分拣装置有很大优势。以样机试验为例，对于质量在50 kg以内的硬底包装货物，分拣装置集扫码、输送、分拣功能“三合一”，具有以下优点：（1）动作稳定可靠，分拣准确率高，能实现24 h不间断分拣；（2）占地面积小，可以根据使用场景定制机身长度，节省设备成本；（3）分拣效率高，可减少70%人工；（4）应用场景广泛，通用性强，对前后对接的输送设备无特殊要求；（5）分拣角度灵活，可以做到货物分拣“零损伤”。

5 结束语

本文设计一种基于全向轮的智能分拣装置，在分析分拣系统工作原理的基础上，完成智能分拣装置的总体方案设计、系统硬件以及软件流程设计，并进行了试验验证。试验结果表明，基于全向轮的智能分拣装置结构简单，对包裹的定位识别准确率高，有效降低了人工成本，提升了分拣效率。与现有分拣设备相比，便于维护和扩展，可以通过增减传输模块和分拣模块来满足多种货物输送分拣的需求，同时易与现有的输送设备衔接构成复杂的分拣系统。