智能电商存取中转站的创新设计*

高秋阳，孙亮波，阳 宇，何 伟，刘心田

(武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048)

0 引 言

据市场调查，近年来快递行业迅速发展，快递物流公司一直采取人工送货上门或等待顾客到中转站收取快递的方式。如图1所示，这种方式费时费力，派送效率低[1-2]。此外就是目前市场上已投入使用的快递柜，如图2所示，这种方式虽然能够解决人工派件效率低的问题，但也存在占地面积大，高低位置存取不便且制造成本高等问题[3-5]。对现有快递派送方式存在的问题进行分析，笔者创新设计并制作了一款智能电商存取中转站，为快递市场提供了一种存取方便且效率高的快递存取方式。

图1 目前快递的人工派件

1 智能电商存取站的设计理念

基于以上市场调查分析，文中设计了一种新型的、存取进出口为同一仓口的快递存取装置。该装置的设计流程图如图3所示。

图3 智能电商存取站的创新设计流程图

智能电商存取中转站的三维造型图如图4所示。其与市场上使用的快递柜的不同之处在于物件的进出口为同一仓口，避免了快递柜高低位置存取不便的情况。

图4 智能电商存取中转站的三维造型图

2 机械结构分析及功能实现

该中转站的机械结构可分为旋转与升降结构、多层内外圈存储结构以及机械手抓取结构等。

2.1 机械手抓取结构设计

图5为机械手整体设计图。图中，该机械手主要由剪叉伸缩机构、丝杆步进电机、舵机、机械手爪和双曲柄滑块机构组成。丝杆步进电机通过直线电机螺母传动带动剪叉伸缩机构实现机械手的伸缩功能。舵机驱动连杆结构[6]，再通过双曲柄滑块机构实现机械手的张开和闭合，用于抓取物体。图6为机械手夹取机构简图，舵机简化为固定铰支座，以2为原动件且为曲柄，机械手爪简化为滑块4和5，该图为双曲柄滑块机构简图，自由度为：

图5 机械手三维造型图

图6 机械手夹取机构简图

F=3n-(2Pl+Ph)=3×5-2×7=1

(1)

如图6所示，取杆2的长度L1=80 mm,杆3的长度L2=120 mm，取舵机到机械手的垂直距离为L3=80 mm,则机械手张开的最大尺寸为：

(2)

因此该装置的机械手可以夹取长度为250 mm左右的包装箱。

2.2 多层内外圈存储结构设计

图7为多层内外圈存储结构。当底部转盘转动时，载物台跟着转盘一起旋转，当载物台底部挡块与内圈底部挡块接触时带动内圈的转动。内圈放置于与外圈底部固定的4个内圈垫片上，每个内圈垫片上安装有万向球以便于内圈的旋转。内圈的储物格有一个为进出口，机械手存取物件时通过该进出口将物件传送到外圈储物格[7]。这样内外圈的储物格都可以存储物件，以提高空间利用率。

图7 内外圈存储结构

如图7(b)所示，整个环形可分为六个储物格，则每个储物格所对应的角度α=60°，外圈储物格的体积大于内圈储物格的体积，因此外圈储物格可用来存储体积较大的包装箱，内圈的储物格用来存储较小的包装箱。

根据对中小型包装箱的尺寸调查分析，这里取每个储物格的高度L=300 mm,内圈半径r=350 mm,外圈半径为R=500 mm，每个储物格挡板的宽度b=300 mm,则储物格内圈最大存放的包装箱的长度为Lmax1=350 mm，外圈最大存放的包装箱的长度为Lmax2=350 mm，根据对现有快递包装箱的尺寸调查以及对机械手夹取和储物格的尺寸大小进行综合考虑，该装置可夹取的包装箱的尺寸规格如表1所列。

表1 夹取包装箱的尺寸规格

2.3 旋转与升降结构设计

图8为旋转与升降结构设计图。底部步进电机通过减速器带动锥齿轮转动，由锥齿轮传动带动底部转盘转动。底部转盘上的步进电机通过蜗轮蜗杆减速器带动升降丝杆转动，输出为载物台的升降。底部转盘的转动能够使载物台上的机械手到不同方向抓取物体。载物台的升降能够使机械手到达上下多层储物格去抓取物件。旋转与升降结构的设计能够很好的使机械手到达储物格中的任意位置。

图8 旋转与升降结构

3 存取系统的控制原理及流程

此系统以STM32F103单片机为控制核心[8]，机械手将包裹放到预定位置后，单片机记录包裹的入库情况。单片机能够给触摸屏接口芯片ADS7843通讯信号，这种信号能够完成单片机和触摸屏之间的通讯任务，从而能够对机械手抓取功能进行控制[9-10]。机械手上安装的光电传感器能够检测机械手与货物之间的距离，从而确定货物的规格大小，并且适当调整机械手张开的角度以便能够抓取物体。

3.1 存件工作原理及流程

快递员存件时，在触摸屏上输入验证码信息，触摸屏上发出的指令能够传达到单片机，单片机发出信号给伺服电机驱动器来控制电机的旋转[11]。当载物台上的机械手上升到合适位置时，伺服电机停止转动，机械手上的传感器检测货物的大小，系统会自动根据最短路径提供相应的储物格，最后机械手把物体放到预定位置并且发送取货码给取件人。

3.2 取件工作原理及流程

取件人到达中转站时，输入取货码，其具体流程跟存件类似。取件的不同之处在于当取件人输入取货码信息后，操作界面上的取件指令会传达到单片机并且会将该快递的储物位置告诉单片机，单片机发出信号给伺服电机驱动器使其转动，最后机械手会到指定的储物格去抓取取件人的快递。

3.3 寄件工作原理及流程

用户将物件包装完成并在手机客户端输入邮寄地址后，将物件放入存取口即可，智能中转站存取口的压力传感器会自动称量物件重量，然后机械手和升降平台存放快件。

4 结 论

为了解决人工派件效率低，存取不方便的情况，设计制作了一款智能存取中转站，如图9所示。

图9 智能电商存取中转站模型图

该中转站具有以下创新点：

(1) 智能电商存取站是一款多功能、智能化的设备，集自动存件、取件、寄件于一体，所有操作全面联网，快捷便利，人工成本低，制造成本低，有效解决了目前快递存取过程中出现的一些问题。

(2) 采用圆柱形立体存储结构，空间利用率高，采用内外圈两层存储仓结构创新设计，结合中间垂直升降台和夹取机械手，可高效完成货物的存取，快件进出口为同一仓口，高度适当，方便存取。

(3) 结合互联网+思想，配合手机APP软件，实现全部信息及时共享、实时查询，并对快件存放位置进行了优化设计，节约动力能源。

(4) 该中转站占地面积小，适用于中小型物件的存件、取件和寄件，存取效率高，具有很好的推广应用价值。