校園快遞智能收發(fā)機設(shè)計研究

張建華 張清萍 何銀川

（濟(jì)南大學(xué) 機械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)物流迅速崛起。物流配送的各個環(huán)節(jié)紛紛采用智能化設(shè)備，以提高工作效率和降低人工成本。然而，物流配送的“最后一公里”發(fā)展相對滯后，高校內(nèi)物流配送問題尤為嚴(yán)重[1]。據(jù)中國物流信息中心物流統(tǒng)計數(shù)據(jù)，“最后一公里”物流配送成本占整個配送成本的30%左右[2]。對此，各大物流公司紛紛改進(jìn)校園配送終端，對物流模式、裝備、技術(shù)做出新的嘗試，使用類似于超市存物箱的快遞柜。但是，根據(jù)相關(guān)市場調(diào)查與分析，智能物流快遞柜普及率較低，并且受人體高度的制約，箱體可使用高度和箱格數(shù)目有限[3]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃的指引下，快遞等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)積極向數(shù)據(jù)化和信息化邁進(jìn)，因此加強校園快遞收發(fā)機的自動化與智能化研究具有重要意義[4]。筆者設(shè)計出校園快遞智能收發(fā)機原理樣機，為校園快遞配送提供了創(chuàng)新性方案，以實現(xiàn)“智慧快遞”[5]。

1 快遞柜發(fā)展現(xiàn)狀與分析

隨著物流行業(yè)的迅速發(fā)展，各國紛紛布局快遞終端設(shè)備領(lǐng)域。德國DHL使用KEBA公司開發(fā)的Packstation自主取貨系統(tǒng)，為用戶提供24h自主取貨服務(wù)。亞馬遜在英美等國發(fā)展智能快遞柜業(yè)務(wù)，為消費者存儲網(wǎng)購商品，提供類似于實體店購物的體驗[6]。其他國家的快遞柜形式有芬蘭Posti集團(tuán)運營的SmartPOST、加拿大的buffer box、日本的電子收貨柜等[7]。國內(nèi)快遞柜行業(yè)參與者眾多，來自各行各業(yè)，如速遞易、豐巢、江蘇云柜、富友，格格和日日順等。它們的快遞柜技術(shù)前身大多是超市存包柜、自主售賣機、銀行存單柜等，并未做出創(chuàng)新性改變。

國內(nèi)外使用的快遞柜基本相似，郵遞人員需要將包裹依次在交互終端處掃描后再按照順序一一放入每個箱格，動作過程較為煩瑣[8]。同時，箱體高度受人體高度所限，箱格總數(shù)較少，不能充分解決高校物流配送問題。總之，為了提高校園快遞配送“最后一公里”的服務(wù)質(zhì)量，必須要打破傳統(tǒng)配送方式，使用校園快遞智能收發(fā)機作為校園末端配送模式，以引領(lǐng)方便、快捷、高效的校園消費生活方式。

2 校園快遞智能收發(fā)機系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 收發(fā)機自動收件功能

校園快遞智能收發(fā)機系統(tǒng)的取件方案流程如圖1所示。該收發(fā)機使用NFC電子標(biāo)簽代替?zhèn)鹘y(tǒng)的快遞單，實現(xiàn)快遞信息的全程查詢，為年輕用戶提供快捷、方便的服務(wù)。但同時保留短信碼服務(wù)，用戶也可憑短信碼收取快遞。取件用戶可以憑借NFC手機或短信碼，到自己設(shè)定的收發(fā)機自助收取快遞，在操作臺一次完成所有取件動作。

圖1 收發(fā)機系統(tǒng)取件方案流程

2.2 收發(fā)機自動寄件功能

校園快遞智能收發(fā)機的寄件功能用戶分為兩類：郵遞員和個人用戶。當(dāng)郵遞員送件時，直接將快遞送達(dá)收件人設(shè)定的快遞收發(fā)機終端，大大減少了送件過程中的等待時間，提高了送件效率，郵遞員寄件方案流程如圖2所示。當(dāng)個人用戶寄件時，收發(fā)機24h提供服務(wù)，無需排隊，就近寄件，方便快捷，個人用戶寄件方案流程如圖3所示。

2.3 收發(fā)機貨架的智能存儲功能

快遞單元化貨架是被單元化的快遞貨架，在服務(wù)器中，快遞貨架被劃分成一系列單元格，每一個單元格都有其唯一的坐標(biāo)（a，b）。服務(wù)器會指派搬運機構(gòu)到指定坐標(biāo)點抓取快遞。快遞單元格根據(jù)尺寸大小分為三種：大號、中號、小號單元格。在尺寸允許和空格的條件下，服務(wù)器會按照小號、中號、大號單元格的順序存放快遞，提高了空間利用率。因采用搬運機構(gòu)運送快遞，貨架高度突破人體高度限制，增加了可使用單元格數(shù)量。智能存儲模塊方案流程如圖4所示。

圖2 郵遞員寄件方案流程

圖3 個人用戶寄件方案流程

圖4 存儲模塊方案流程

2.4 收發(fā)機智能搬運功能

快遞進(jìn)出機器，服務(wù)器會發(fā)送指令給搬運機構(gòu)，搬運機構(gòu)中的行走機構(gòu)、升降機構(gòu)、伸縮載貨臺機構(gòu)同時配合工作，以最短的時間到達(dá)指定坐標(biāo)，這將大大提高搬運效率。

3 校園快遞智能收發(fā)機結(jié)構(gòu)設(shè)計

快遞自動收發(fā)機采用模塊化設(shè)計，包括快遞收發(fā)操作臺、快遞儲存箱和控制系統(tǒng)。操作臺是整個機器的控制中心，也是快遞進(jìn)出的門戶，外觀設(shè)計方案示意如圖5所示。快遞儲存箱設(shè)計方案示意如圖6所示，它包括快遞單元化貨架、行走機構(gòu)、升降機構(gòu)和貨叉機構(gòu)等，以實現(xiàn)快遞的存放和快遞搬運。

3.1 快遞收發(fā)操作臺的設(shè)計

快遞收發(fā)操作臺結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示，包括操作臺箱體、下位機服務(wù)器、觸摸屏、NCF識別器、窗口控制板、貨物進(jìn)出輸送帶、輸送帶輪、快遞掃碼器、監(jiān)控攝像頭、輪廓掃描儀、蜂鳴器、稱重傳感器等。其中，箱體內(nèi)有快遞短暫等候臺，觸摸屏下面有快遞進(jìn)出窗口。當(dāng)用戶寄件時，服務(wù)器會發(fā)出指令，打開窗口控制板，當(dāng)用戶將物品放到輸送帶上并確認(rèn)寄件時，輸送帶會將物品傳送到快遞短暫等候臺，稱重感應(yīng)器將會完成稱重，輪廓掃描儀完成尺寸掃描，服務(wù)器也會生成合適的坐標(biāo)。與此同時，服務(wù)器已經(jīng)對搬運裝置發(fā)出指令，抓取快遞，送到貨架的指定坐標(biāo)點上。

圖5 操作臺外觀設(shè)計方案示意圖

圖6 快遞儲存箱設(shè)計 方案示意圖

圖7 快遞單元化貨架及快遞存放層設(shè)計方案

3.2 快遞單元化貨架的設(shè)計

快遞單元化貨架及快遞存放層設(shè)計方案如圖7（b）所示，該貨架打破傳統(tǒng)的箱柜式設(shè)計，采用搬運機構(gòu)運送快遞，不再受人體高度的限制，貨架高度可達(dá)數(shù)米，提高了土地利用率。貨架長度為3m，根據(jù)需要，可并用多組設(shè)備。每層快遞架采用一定間距的鋼條密集排列而成，中間沒有隔斷，但在系統(tǒng)中已劃分為具體單元格坐標(biāo)，不存在交叉使用。鋼條間距是為與貨叉相配合，貨叉能夠在該間距中上下運動，完成快遞抬起、放下。當(dāng)伸縮載貨臺送入快遞時，貨叉嵌于鋼條之間并略高于貨架鋼條，當(dāng)快遞送到鋼條上方后，貨叉從鋼條間向下移動，再向后退出。當(dāng)伸縮載貨臺取快遞時，動作正好相反。

3.3 行走機構(gòu)和升降機構(gòu)設(shè)計

行走機構(gòu)設(shè)計方案如圖8所示，行走機構(gòu)支撐著快遞、伸縮載貨臺和升降機構(gòu)，以完成水平方向的移動。行走機構(gòu)可采用質(zhì)量優(yōu)良電機減速機組成傳動機構(gòu)，電機驅(qū)動車輪，依靠車輪與軌道間的摩擦力驅(qū)動小車在軌道上行走。行走軌道是連接操作臺與快遞貨架的路線，它安裝在貨架一側(cè)。行走機構(gòu)前后需均安裝限位開關(guān)，從而保證行駛安全。升降機構(gòu)設(shè)計方案如圖9所示，主要包括可制動電機、鋁合金立柱、鏈條、鏈輪、起降滑筒、滑筒行走軌道、限位開關(guān)和輔助滑行輪組。本升降機構(gòu)可采用電機減速機提供動力，驅(qū)動鏈輪鏈條運轉(zhuǎn)，以完成貨物升降。該機構(gòu)使用電動機單獨控制，同時為防止起升平臺掉落，造成損害或安全事故，這里應(yīng)該選用帶剎車功能的制動電機。

圖8 行走機構(gòu)設(shè)計方案

圖9 升降機構(gòu)設(shè)計方案圖

圖10 伸縮載物臺機構(gòu) 設(shè)計方案

3.4 伸縮載物臺機構(gòu)設(shè)計

伸縮載物臺機構(gòu)設(shè)計方案如圖10所示，主要完成快遞的承載功能，利用載物臺本身的伸縮板完成快遞取放動作，實現(xiàn)單元化貨架與操作臺間的快遞搬運。載貨臺機構(gòu)搬運過程中，可能所承受的力較大，因此進(jìn)行多級減速，使其運動平穩(wěn)。首先由電機開始通過減速器進(jìn)行減速，接著通過帶輪進(jìn)行二級減速，傳遞力矩到齒輪齒條上。由于貨架平板需要進(jìn)行伸縮，因此采用雙齒條齒輪機構(gòu)完成伸縮動作。

4 軟件設(shè)計

校園快遞智能收發(fā)機采用分布式系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括若干個分布式布局的下位機，校園內(nèi)所有的下位機能夠在總服務(wù)器的統(tǒng)一管理下運行，又能夠在無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下獨立運行。該收發(fā)機所有應(yīng)用可以在Linux操作系統(tǒng)平臺下開發(fā)，該操作系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性較高。PLC軟件程序的優(yōu)劣關(guān)系到快遞收發(fā)機指揮系統(tǒng)的可靠運行，程序運行的可靠性很大程度上決定了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。PLC可采用模塊化安裝，用于搬運機構(gòu)精準(zhǔn)停車控制。應(yīng)用程序采用CXProgrammer梯形圖語言編寫，程序可讀性強、易于查找問題并能在線調(diào)試，有助于縮短設(shè)備的調(diào)試周期。

5 結(jié)語

為了解決高校物流配送問題，本文提出的校園快遞智能收發(fā)機原理樣機，能為校園用戶提供全天候存取件服務(wù)，能更好地滿足校園用戶需要。該快遞單元化貨架打破傳統(tǒng)的箱格式設(shè)計，擁有智能收件、智能寄件、智能存儲和智能搬運等四個創(chuàng)新性功能。在同樣占地面積下，其能夠提供更多的快遞容納空間，并且用戶在操作臺一次完成所有取件動作。該校園快遞智能收發(fā)機能進(jìn)一步完善校園物流配送系統(tǒng)，為校園快遞的健康、合理、有序發(fā)展增添創(chuàng)新型方案。