智能電商存取中轉站創新設計研究

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摘要：針對如今快遞量急劇增多且現有快遞柜占地面積大、高低位置存取不便等情況，設計并制作了一款智能電商存取中轉站。該機械裝置由抓取機械手、多層內外圈存儲結構以及旋轉與升降結構三大主要部分組成；分析和闡述了該機械裝置的結構以及功能，介紹了智能電商存取中轉站的存件、取件、寄件的工作原理以及工作流程等。通過應用驗證了該裝置是一款多功能、智能化的設備，集自動存件、取件、寄件等于一體，快捷便利，存取效率較高。

關鍵詞：智能；存取；升降臺；機械手；控制系統

據市場調查，近年來快遞行業迅速發展，快遞物流公司一直采取人工送貨上門或等待顧客到中轉站收取快遞的方式。如圖1所示，這種方式費時費力，派送效率低［1－2］。此外就是目前市場上已投入使用的快遞柜，如圖2所示，這種方式雖然能夠解決人工派件效率低的問題，但也存在占地面積大，高低位置存取不便且制造成本高等問題［3－5］。對現有快遞派送方式存在的問題進行分析，筆者創新設計并制作了一款智能電商存取中轉站，為快遞市場提供了一種存取方便且效率高的快遞存取方式。圖1目前快遞的人工派件

1智能電商存取站的設計理念

基于以上市場調查分析，文中設計了一種新型的、存取進出口為同一倉口的快遞存取裝置。該裝置的設計流程圖如圖3所示。智能電商存取中轉站的三維造型圖如圖4所示。其與市場上使用的快遞柜的不同之處在于物件的進出口為同一倉口，避免了快遞柜高低位置存取不便的情況。

2機械結構分析及功能實現

該中轉站的機械結構可分為旋轉與升降結構、多層內外圈存儲結構以及機械手抓取結構等。2．1機械手抓取結構設計。圖5為機械手整體設計圖。圖中，該機械手主要由剪叉伸縮機構、絲桿步進電機、舵機、機械手爪和雙曲柄滑塊機構組成。絲桿步進電機通過直線電機螺母傳動帶動剪叉伸縮機構實現機械手的伸縮功能。舵機驅動連桿結構［6］，再通過雙曲柄滑塊機構實現機械手的張開和閉合，用于抓取物體。舵機簡化為固定鉸支座，以2為原動件且為曲柄，機械手爪簡化為滑塊4和5，該圖為雙曲柄滑塊機構簡圖，自由度為：F＝3n－（2Pl＋Ph）＝3×5－2×7＝1（1）圖5機械手三維造型圖1．絲桿步進電機2．直線電機螺母3．剪叉伸縮機構4．載物臺5．載物臺底部擋塊6．機械手抓7．貨物8．步進電機如圖6所示，取桿2的長度L1＝80mm，桿3的長度L2＝120mm，取舵機到機械手的垂直距離為L3＝80mm，則機械手張開的最大尺寸為：Lmax＝L1＋2L22－L23＝259mm（2）因此該裝置的機械手可以夾取長度為250mm左右的包裝箱。圖6機械手夾取機構簡圖2．2多層內外圈存儲結構設計。圖7為多層內外圈存儲結構。當底部轉盤轉動時，載物臺跟著轉盤一起旋轉，當載物臺底部擋塊與內圈底部擋塊接觸時帶動內圈的轉動。內圈放置于與外圈底部固定的4個內圈墊片上，每個內圈墊片上安裝有萬向球以便于內圈的旋轉。內圈的儲物格有一個為進出口，機械手存取物件時通過該進出口將物件傳送到外圈儲物格［7］。這樣內外圈的儲物格都可以存儲物件，以提高空間利用率。如圖7（b）所示，整個環形可分為六個儲物格，則每個儲物格所對應的角度α＝60°，外圈儲物格的體積大于內圈儲物格的體積，因此外圈儲物格可用來存儲體積較大的包裝箱，內圈的儲物格用來存儲較小的包裝箱。根據對中小型包裝箱的尺寸調查分析，這里取每個儲物格的高度L＝300mm，內圈半徑r＝350mm，外圈半徑為R＝500mm，每個儲物格擋板的寬度b＝300mm，則儲物格內圈最大存放的包裝箱的長度為Lmax1＝350mm，外圈最大存放的包裝箱的長度為Lmax2＝350mm，根據對現有快遞包裝箱的尺寸調查以及對機械手夾取和儲物格的尺寸大小進行綜合考慮，該裝置可夾取的包裝箱的尺寸規格如表1所列。2．3旋轉與升降結構設計。圖8為旋轉與升降結構設計圖。底部步進電機通過減速器帶動錐齒輪轉動，由錐齒輪傳動帶動底部轉盤轉動。底部轉盤上的步進電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動升降絲桿轉動，輸出為載物臺的升降。底部轉盤的轉動能夠使載物臺上的機械手到不同方向抓取物體。載物臺的升降能夠使機械手到達上下多層儲物格去抓取物件。旋轉與升降結構的設計能夠很好的使機械手到達儲物格中的任意位置。

3存取系統的控制原理及流程

此系統以STM32F103單片機為控制核心［8］，機械手將包裹放到預定位置后，單片機記錄包裹的入庫情況。單片機能夠給觸摸屏接口芯片ADS7843通訊信號，這種信號能夠完成單片機和觸摸屏之間的通訊任務，從而能夠對機械手抓取功能進行控制［9－10］。機械手上安裝的光電傳感器能夠檢測機械手與貨物之間的距離，從而確定貨物的規格大小，并且適當調整機械手張開的角度以便能夠抓取物體。3．1存件工作原理及流程快遞員存件時，在觸摸屏上輸入驗證碼信息，觸摸屏上發出的指令能夠傳達到單片機，單片機發出信號給伺服電機驅動器來控制電機的旋轉［11］。當載物臺上的機械手上升到合適位置時，伺服電機停止轉動，機械手上的傳感器檢測貨物的大小，系統會自動根據最短路徑提供相應的儲物格，最后機械手把物體放到預定位置并且發送取貨碼給取件人。3．2取件工作原理及流程取件人到達中轉站時，輸入取貨碼，其具體流程跟存件類似。取件的不同之處在于當取件人輸入取貨碼信息后，操作界面上的取件指令會傳達到單片機并且會將該快遞的儲物位置告訴單片機，單片機發出信號給伺服電機驅動器使其轉動，最后機械手會到指定的儲物格去抓取取件人的快遞。3．3寄件工作原理及流程用戶將物件包裝完成并在手機客戶端輸入郵寄地址后，將物件放入存取口即可，智能中轉站存取口的壓力傳感器會自動稱量物件重量，然后機械手和升降平臺存放快件。

4結論

為了解決人工派件效率低，存取不方便的情況，設計制作了一款智能存取中轉站，如圖9所示。圖9智能電商存取中轉站模型圖該中轉站具有以下創新點：（1）智能電商存取站是一款多功能、智能化的設備，集自動存件、取件、寄件于一體，所有操作全面聯網，快捷便利，人工成本低，制造成本低，有效解決了目前快遞存取過程中出現的一些問題。（2）采用圓柱形立體存儲結構，空間利用率高，采用內外圈兩層存儲倉結構創新設計，結合中間垂直升降臺和夾取機械手，可高效完成貨物的存取，快件進出口為同一倉口，高度適當，方便存取。（3）結合互聯網＋思想，配合手機APP軟件，實現全部信息及時共享、實時查詢，并對快件存放位置進行了優化設計，節約動力能源。（4）該中轉站占地面積小，適用于中小型物件的存件、取件和寄件，存取效率高，具有很好的推廣應用價值。

作者:高秋陽 孫亮波 陽宇 何偉 劉心田 單位:武漢輕工大學機械工程學院