人机交互式无人售货机补货出货装置机构设计*

冯万城，潘优勇，王天宇，苏嘉成，赵星寒，李 琛，王希贵

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

自动售货机（Vending Machine，VEM）是能根据投入的钱币自动付货的机器[1]。其产品特点是：科技含量高、24 h服务售货便利、无需专人盯守省人工省成本、售货范围广泛，此外其还是一种新颖独特的广告媒体[2]。它是一种全新的商业零售形式，又被称为24 h营业的微型超市。作为一种全新的售货方式，20世纪80年代以来，自动售货机在美日等发达国家得到了迅速的普及与发展。

我国自动售货机市场的发展刚刚进入初期阶段，能够给人们带来的生活便利有限。近年来，我国自动售货机行业发展迅速，自动售货机的普及程度不断增加，创造了很大的市场价值，有着很大的发展空间[3]。

现有售货机大多结构复杂且空间利用率低，所能容纳的产品较少，常常需要人工补货。在人工补货时，补货员又无法准确获知需要补货的商品数量和补货时间，从而大大增加了运营成本，影响顾客的消费体验。本文设计装置机构的目的是为了解决以上问题，实现自动售货机的自动出货补货，减少补货及运营成本。

1 整体结构概述

人机交互式无人售货机补货出货装置总体结构见图1。本装置主要由5个部分组成，分别是出货仓、补货仓、推出组件、抬升机构以及丝杆机构。通过5个部分的协同运行可以实现自动售货机的自动补货。

图1 总体结构

2 无人售货机补货出货装置的机构设计

2.1 出货仓

出货仓的具体结构见第58页图2。在出货仓的内部开设有出货腔，出货腔内壁上设置有红外感应器，出货仓的前侧设置有控制器。红外感应器包括红外发射件与红外接收件，红外发射件固设于出货腔左侧内壁上，红外接收件固设于出货腔右侧内壁上，红外发射件与红外接收件之间具有电性连接，红外接收件与控制器具有电性连接，当没有货物阻隔在红外发射件与红外接收件之间时，红外接收件可以接收到红外发射件发出的红外线光束，红外接收件反馈电信号给控制器，控制器则控制各电机运行，实现自动补货。

图2 出货仓结构

在出货仓的左侧开设有滑槽，滑槽下端固设有第一霍尔接近开关。值得一提的是，霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，利用霍尔元件制作的接近传感器，由于测量精度高、结构简单、使用寿命长等优点，得到了广泛应用[4]。而接近开关是一种电子开关量传感器，可以完成对位置量的检测，并将位置量转换成开关量电信号输出，从而实现对负载的控制或信号的转换与传递[5]。本装置便使用了利用霍尔传感器制作的霍尔开关。

出货仓右侧靠近下端开设有出货口，出货口与出货腔连通，出货口上端转动连接有货门，货门可有效防止货物流下时不慎直接跌出出货腔而导致的货物损坏。

出货仓下端开设有翻转口，出货仓下侧设有翻转机构（见图3），包括基座和翻转叶，翻转叶与基座转动连接，翻转叶宽度小于翻转口宽度，翻转口上端高于出货腔底端，当货物流下至出货腔底部时，翻转机构运转，翻转叶转动使货物排出出货腔。

图3 翻转机构

出货仓上端固设有下压电机，下压电机输出端固定连接有辅助下压部，下压电机与控制器具有电性连接，当出货腔在意外情况下使备用货物堵塞无法流下时，辅助下压部可向下挤压备用货物，可使备用货物顺利流下。辅助下压部为凸轮结构，凸轮圆心与下压电机输出端同轴，凸轮结构简单，方便制造，成本低廉。

2.2 补货仓

补货仓的具体结构见图4。补货仓内部开设有补货腔，补货腔左侧开设有托板口，补货腔右侧开设有补货口，补货口与滑槽连通，使备用货物可由补货腔进入图2中所示的出货腔，补货口与推槽位于同一高度。

图4 补货仓结构

补货仓左侧固定连接有安装板，安装板上端固定连接有推出电机，推出电机与控制器具有电性连接，推出电机输出端固定连接有推出凸轮，推出凸轮与推出组件之间线性接触。补货仓左侧还开设有推槽，并且固定连接有滑杆，推槽与滑杆均位于安装板上侧。而推槽与滑杆主要与推出组件进行作用，实现推块的推出与自动回位，从而实现货物的补充。

2.3 推出组件

推出组件的具体结构见图5。推出组件由推块和限位板组成。限位板左侧开设有与补货仓结构中滑杆对应的滑孔，限位板位于补货仓左侧，限位块左端与推出凸轮线性接触，限位板可避免推块落入补货腔内。推块位于推槽内，滑杆外套设有弹簧，弹簧固定连接在限位板与出货仓之间，滑杆套设于滑孔内，滑杆与滑孔之间具有滑动连接，推块受推出凸轮的挤压推出后，弹簧压缩积累势能，推出凸轮转动不再挤压限位板后，弹簧释放势能，从而实现推块的自动回位。

图5 推出组件

2.4 抬升机构

抬升机构具体结构见第59页图6。抬升机构包括托板和连接套。托板位于托板口内并与托板口之间具有滑动连接，托板左端与连接套右端固定连接，托板下端固设有第二霍尔接近开关和信号发射器，第二霍尔接近开关和信号发射器之间具有电性连接。出货仓结构中第一霍尔接近开关与第二霍尔接近开关接近时，第一霍尔接近开关与第二霍尔接近开关组成的霍尔开关开启，信号发射器和控制器之间具有电性连接。连接套上端开设有丝杆孔和两个弧形限位孔，丝杆孔与丝杆螺纹连接，弧形限位孔套设于弧形限位块外侧并与弧形限位块之间具有滑动连接。托板内还置有重量感应器，重量感应器与控制器具有电性连接，备用货物的总重可通过重量感应器传递电信号给控制器，补货员通过备用货物的总重可得知补货的预计时间和具体备货数量。抬升机构位于托板口内并与托板口之间具有滑动连接，抬升机构与丝杆机构之间具有滑动连接，抬升机构上可放置补货仓内的备用货物。

图6 抬升机构

2.5 丝杆机构

丝杆机构的具体结构见图7。丝杆机构包括底座、丝杆电机和丝杆，底座右端固设有至少一个弧形限位块、上限位块和下限位块，丝杆电机固定连接在底座右端靠近下侧，丝杆位于上限位块和下限位块之间，丝杆与上限位块和下限位块均具有转动连接，丝杆下端与丝杆电机输出端固定连接，丝杆电机与控制器具有电性连接。丝杆机构的作用就是作为动力源使抬升机构带动备用货物抬升。

图7 丝杆机构

3 无人售货机补货出货装置的工作原理

当出货腔内充满货物时，红外接收件无法接收红外发射件发出的红外线光束，控制器未接收到红外感应器的电信号，各电机不运行。

当出货腔底端的货物排出后，上层的货物逐序落下，红外接收件与红外发射件之间无货物阻挡，此时红外接收件接收到来自红外发射件的红外线光束，红外感应器发出电信号给控制器，控制器发出电信号给各电机，使各电机逐序开始运转。

丝杆电机使丝杆进行旋转，抬升机构上升，备用货物随抬升机构一起抬升至补货口。推出电机开始运行，推出凸轮转动，推出凸轮推动限位板，使推出组件沿滑杆方向滑动，推块将备用货物顶出补货口，备用货物由补货口至滑槽，经由滑槽滑入出货腔内。下压电机开始运行，辅助下压部转动，辅助下压部将备用货物压入出货腔内，使堵塞的备用货物落下。备用货物落下后，重新将红外接收件和红外发射件隔开，控制器未接收到电信号，各电机停止运行。随着抬升机构的不断抬升，出货仓左端的第一霍尔接近开关和抬升机构的第二霍尔接近开关不断接近，当第一霍尔接近开关和第二霍尔接近开关处于同一水平高度时，触发霍尔开关，信号发射器接收电信号，将电信号传递至控制器，控制器控制各电机不再运行，有效防止各电机空转，使部件受损。

控制器与后台服务器相连，补货员可由后台服务器获得控制器反馈的各项数据预计补货时间和具体补货数量，这将大大减轻补货员的工作压力。补货员重新补货后，抬升机构回位至补货腔最底层，重新开始自动补货。图8为装置工作的流程示意图。

图8 流程示意图

4 无人售货机补货出货装置的优点

一是装置出货腔内壁上设置有红外感应器，当没有货物阻隔在红外发射件与红外接收件之间时，红外接收件可以接收到红外发射件发出的红外线光束，红外接收件反馈电信号给控制器，控制器控制各电机运行实现自动补货。

二是装置出货仓上端设有辅助下压部，当出货腔在意外情况下使备用货物堵塞无法流下时，辅助下压部可以向下挤压备用货物，使备用货物顺利流下。

三是装置滑杆外侧套设有弹簧，使推块推出后可自动回位，实现推出组件的二次推出。

四是装置出货仓左端及托板下端设有霍尔接近开关，当第一霍尔接近开关和第二霍尔接近开关接近时，反馈给信号发射器，信号发射器传递信号给控制器，控制器停止各电机的运转，防止各电机的空转影响其寿命。

五是装置托板内置有重量感应器，重量感应器与控制器具有电性连接，备用货物的总重可通过重量感应器传递电信号给控制器，补货员通过备用货物的总重可得知补货的预计时间和具体备货数量。

5 结束语

无人售货机补货出货装置利用红外感应器、重量感应器、霍尔开关及一种辅助下压部等各种结构，使本装置能够自动判别具体补货数量和补货时间等，也能够自动进行补货，还能够避免在进行补货时货物卡住等问题，大大减少了运营成本，为自动售货机的改进提供了一种措施，使自动售货机能更好地发展和普及。