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智能电商存取中转站创新设计研究

摘要：针对如今快递量急剧增多且现有快递柜占地面积大、高低位置存取不便等情况，设计并制作了一款智能电商存取中转站。该机械装置由抓取机械手、多层内外圈存储结构以及旋转与升降结构三大主要部分组成；分析和阐述了该机械装置的结构以及功能，介绍了智能电商存取中转站的存件、取件、寄件的工作原理以及工作流程等。通过应用验证了该装置是一款多功能、智能化的设备，集自动存件、取件、寄件等于一体，快捷便利，存取效率较高。

关键词：智能；存取；升降台；机械手；控制系统

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。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。

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。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：Ｆ＝３ｎ－（２Ｐｌ＋Ｐｈ）＝３×５－２×７＝１（１）图５机械手三维造型图１．丝杆步进电机２．直线电机螺母３．剪叉伸缩机构４．载物台５．载物台底部挡块６．机械手抓７．货物８．步进电机如图６所示，取杆２的长度Ｌ１＝８０ｍｍ，杆３的长度Ｌ２＝１２０ｍｍ，取舵机到机械手的垂直距离为Ｌ３＝８０ｍｍ，则机械手张开的最大尺寸为：Ｌｍａｘ＝Ｌ１＋２Ｌ２２－Ｌ２３＝２５９ｍｍ（２）因此该装置的机械手可以夹取长度为２５０ｍｍ左右的包装箱。图６机械手夹取机构简图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。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＝３００ｍｍ，内圈半径ｒ＝３５０ｍｍ，外圈半径为Ｒ＝５００ｍｍ，每个储物格挡板的宽度ｂ＝３００ｍｍ，则储物格内圈最大存放的包装箱的长度为Ｌｍａｘ１＝３５０ｍｍ，外圈最大存放的包装箱的长度为Ｌｍａｘ２＝３５０ｍｍ，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。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。

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