高秋陽(yáng)，孫亮波，陽(yáng) 宇，何 偉，劉心田

(武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048)

0 引 言

據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，近年來(lái)快遞行業(yè)迅速發(fā)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(zhuǎn)站收取快遞的方式。如圖1所示，這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，派送效率低[1-2]。此外就是目前市場(chǎng)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(wèn)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(wèn)題[3-5]。對(duì)現(xiàn)有快遞派送方式存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)并制作了一款智能電商存取中轉(zhuǎn)站，為快遞市場(chǎng)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(shè)計(jì)理念

基于以上市場(chǎng)調(diào)查分析，文中設(shè)計(jì)了一種新型的、存取進(jìn)出口為同一倉(cāng)口的快遞存取裝置。該裝置的設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 智能電商存取站的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程圖

智能電商存取中轉(zhuǎn)站的三維造型圖如圖4所示。其與市場(chǎng)上使用的快遞柜的不同之處在于物件的進(jìn)出口為同一倉(cāng)口，避免了快遞柜高低位置存取不便的情況。

圖4 智能電商存取中轉(zhuǎn)站的三維造型圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析及功能實(shí)現(xiàn)

該中轉(zhuǎn)站的機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)、多層內(nèi)外圈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手抓取結(jié)構(gòu)等。

2.1 機(jī)械手抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5為機(jī)械手整體設(shè)計(jì)圖。圖中，該機(jī)械手主要由剪叉伸縮機(jī)構(gòu)、絲桿步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、機(jī)械手爪和雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。絲桿步進(jìn)電機(jī)通過(guò)直線電機(jī)螺母?jìng)鲃?dòng)帶動(dòng)剪叉伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸縮功能。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)[6]，再通過(guò)雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開(kāi)和閉合，用于抓取物體。圖6為機(jī)械手夾取機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，舵機(jī)簡(jiǎn)化為固定鉸支座，以2為原動(dòng)件且為曲柄，機(jī)械手爪簡(jiǎn)化為滑塊4和5，該圖為雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，自由度為：

圖5 機(jī)械手三維造型圖

圖6 機(jī)械手夾取機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

F=3n-(2Pl+Ph)=3×5-2×7=1

(1)

如圖6所示，取桿2的長(zhǎng)度L1=80 mm,桿3的長(zhǎng)度L2=120 mm，取舵機(jī)到機(jī)械手的垂直距離為L(zhǎng)3=80 mm,則機(jī)械手張開(kāi)的最大尺寸為：

(2)

因此該裝置的機(jī)械手可以?shī)A取長(zhǎng)度為250 mm左右的包裝箱。

2.2 多層內(nèi)外圈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7為多層內(nèi)外圈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)撞哭D(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，載物臺(tái)跟著轉(zhuǎn)盤一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)載物臺(tái)底部擋塊與內(nèi)圈底部擋塊接觸時(shí)帶動(dòng)內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)圈放置于與外圈底部固定的4個(gè)內(nèi)圈墊片上，每個(gè)內(nèi)圈墊片上安裝有萬(wàn)向球以便于內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)。內(nèi)圈的儲(chǔ)物格有一個(gè)為進(jìn)出口，機(jī)械手存取物件時(shí)通過(guò)該進(jìn)出口將物件傳送到外圈儲(chǔ)物格[7]。這樣內(nèi)外圈的儲(chǔ)物格都可以存儲(chǔ)物件，以提高空間利用率。

圖7 內(nèi)外圈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

如圖7(b)所示，整個(gè)環(huán)形可分為六個(gè)儲(chǔ)物格，則每個(gè)儲(chǔ)物格所對(duì)應(yīng)的角度α=60°，外圈儲(chǔ)物格的體積大于內(nèi)圈儲(chǔ)物格的體積，因此外圈儲(chǔ)物格可用來(lái)存儲(chǔ)體積較大的包裝箱，內(nèi)圈的儲(chǔ)物格用來(lái)存儲(chǔ)較小的包裝箱。

根據(jù)對(duì)中小型包裝箱的尺寸調(diào)查分析，這里取每個(gè)儲(chǔ)物格的高度L=300 mm,內(nèi)圈半徑r=350 mm,外圈半徑為R=500 mm，每個(gè)儲(chǔ)物格擋板的寬度b=300 mm,則儲(chǔ)物格內(nèi)圈最大存放的包裝箱的長(zhǎng)度為L(zhǎng)max1=350 mm，外圈最大存放的包裝箱的長(zhǎng)度為L(zhǎng)max2=350 mm，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有快遞包裝箱的尺寸調(diào)查以及對(duì)機(jī)械手夾取和儲(chǔ)物格的尺寸大小進(jìn)行綜合考慮，該裝置可夾取的包裝箱的尺寸規(guī)格如表1所列。

表1 夾取包裝箱的尺寸規(guī)格

2.3 旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8為旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。底部步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)底部轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。底部轉(zhuǎn)盤上的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)升降絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出為載物臺(tái)的升降。底部轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠使載物臺(tái)上的機(jī)械手到不同方向抓取物體。載物臺(tái)的升降能夠使機(jī)械手到達(dá)上下多層儲(chǔ)物格去抓取物件。旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠很好的使機(jī)械手到達(dá)儲(chǔ)物格中的任意位置。

圖8 旋轉(zhuǎn)與升降結(jié)構(gòu)

3 存取系統(tǒng)的控制原理及流程

此系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為控制核心[8]，機(jī)械手將包裹放到預(yù)定位置后，單片機(jī)記錄包裹的入庫(kù)情況。單片機(jī)能夠給觸摸屏接口芯片ADS7843通訊信號(hào)，這種信號(hào)能夠完成單片機(jī)和觸摸屏之間的通訊任務(wù)，從而能夠?qū)C(jī)械手抓取功能進(jìn)行控制[9-10]。機(jī)械手上安裝的光電傳感器能夠檢測(cè)機(jī)械手與貨物之間的距離，從而確定貨物的規(guī)格大小，并且適當(dāng)調(diào)整機(jī)械手張開(kāi)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(shí)，在觸摸屏上輸入驗(yàn)證碼信息，觸摸屏上發(fā)出的指令能夠傳達(dá)到單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)[11]。當(dāng)載物臺(tái)上的機(jī)械手上升到合適位置時(shí)，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手上的傳感器檢測(cè)貨物的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)最短路徑提供相應(yīng)的儲(chǔ)物格，最后機(jī)械手把物體放到預(yù)定位置并且發(fā)送取貨碼給取件人。

3.2 取件工作原理及流程

取件人到達(dá)中轉(zhuǎn)站時(shí)，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(dāng)取件人輸入取貨碼信息后，操作界面上的取件指令會(huì)傳達(dá)到單片機(jī)并且會(huì)將該快遞的儲(chǔ)物位置告訴單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使其轉(zhuǎn)動(dòng)，最后機(jī)械手會(huì)到指定的儲(chǔ)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(jī)客戶端輸入郵寄地址后，將物件放入存取口即可，智能中轉(zhuǎn)站存取口的壓力傳感器會(huì)自動(dòng)稱量物件重量，然后機(jī)械手和升降平臺(tái)存放快件。

4 結(jié) 論

為了解決人工派件效率低，存取不方便的情況，設(shè)計(jì)制作了一款智能存取中轉(zhuǎn)站，如圖9所示。

圖9 智能電商存取中轉(zhuǎn)站模型圖

該中轉(zhuǎn)站具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1) 智能電商存取站是一款多功能、智能化的設(shè)備，集自動(dòng)存件、取件、寄件于一體，所有操作全面聯(lián)網(wǎng)，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(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。

(2) 采用圓柱形立體存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，空間利用率高，采用內(nèi)外圈兩層存儲(chǔ)倉(cāng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)合中間垂直升降臺(tái)和夾取機(jī)械手，可高效完成貨物的存取，快件進(jìn)出口為同一倉(cāng)口，高度適當(dāng)，方便存取。

(3) 結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+思想，配合手機(jī)APP軟件，實(shí)現(xiàn)全部信息及時(shí)共享、實(shí)時(shí)查詢，并對(duì)快件存放位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約動(dòng)力能源。

(4) 該中轉(zhuǎn)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(yīng)用價(jià)值。