CN114408432A

CN114408432A - 一种无人电控智能快递站

Info

Publication number: CN114408432A
Application number: CN202210179035.0A
Authority: CN
Inventors: 吴清; 陶森; 徐子宜; 兰宇晴; 余醉仙
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2022-04-29

Abstract

本发明涉及一种无人电控智能快递站，设于快递取件集中场所，包括机架组架，设于机架组架上的传送带、xyz向移动组件、机械爪和扫码模块，与机架组架连接的货柜组架，设于货柜组架上的滑台，与滑台连接的第一步进电机，以及与传送带、xyz向移动组件、机械爪、扫码模块、滑台和第一步进电机分别连接的控制系统，滑台的另一端朝向机架组架方向设置，其设置方向与传送带的传送方向垂直，机械爪连接xyz向移动组件。与现有技术相比，本发明具有操作智能、减少人员聚集、具有数字孪生实时监控优势等优点。

Description

一种无人电控智能快递站

技术领域

本发明涉及智能快递站技术领域，尤其是涉及一种无人电控智能快递站。

背景技术

随着电子商务的迅猛发展，快递业务呈高速增长趋势，智能快递收发技术是随着快递业不断发展新生的事物。现有的快递收发主要采用中间转接站或自助式快递柜的方式。中间转接站存在以下三个问题：1、快递站的人流量较大，即送件、寄件以及取件的人流量较大，没有可避免传染性疾病的传播的相关措施，给疫情防控带来不便。2、快件站的运营时间受限，无法24小时全天工作，给用户取件带来不便。3、取件人数过多会导致快递站混乱、出现拿错快递的现象。4、依赖人工放货，人力成本大增。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无人电控智能快递站。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无人电控智能快递站，设于快递取件集中场所，包括机架组架，设于机架组架上的传送带、xyz向移动组件、机械爪和扫码模块，与机架组架连接的货柜组架，设于货柜组架上的滑台，与滑台的一端连接的第一步进电机，以及与传送带、xyz向移动组件、机械爪、扫码模块、滑台和第一步进电机分别连接的控制系统，所述滑台的另一端朝向机架组架方向设置，其设置方向与所述传送带的传送方向垂直，所述机械爪连接所述xyz向移动组件。

进一步地，还包括档杆，所述档杆设于所述机架组架上，所述档杆连接所述控制系统。

进一步地，所述货柜组架为多层货柜架，各层货柜架设有多个用以放置快递货箱的货柜格，各层货柜格下方安装所述滑台。

进一步地，所述滑台包括安装在不同层货柜架上的滑台支架和设于滑台支架上的齿形皮带、滑块、导杆和齿形轮，所述齿形皮带与齿形轮啮合，所述滑块设于齿形皮带上，所述滑块与所述导杆过盈配合，所述第一步进电机设于滑台支架上。

进一步地，所述滑块上设有用以放置快递货箱的托盘。

进一步地，以平行于滑台的移动方向为x轴，以平行于传送带的传送方向为y轴，以垂直于传送带所在平面的方向为z轴，所述xyz向移动组件包括z向移动件，与z向移动件连接的y向移动件，以及与y向移动件连接的x向移动件，所述z向移动件设于所述机架组架上，所述机械爪连接在所述z向移动件上。

进一步地，每一个移动件分别包括第二步进电机及通过联轴器与第二步进电机连接的滚珠丝杠，z向移动件的滚珠丝杠通过第一连接件连接y向移动件的滚珠丝杠，y向移动件的滚珠丝杠通过第二连接件连接y向移动件的滚珠丝杠，所述机械爪连接在z向移动件的滚珠丝杠上。

进一步地，所述控制系统包括电气控制系统、单片机、无人快递管理系统、数字孪生机和快速以太网交换机，所述无人快递管理系统连接所述扫码模块，所述电气控制系统通过快速以太网交换机连接所述无人快递管理系统，所述电气控制系统与单片机、数字机、传送带、第一步进电机、第二步进电机分别连接，所述单片机连接所述机械爪，完成对机械抓控制。

进一步地，所述无人快递管理系统为上位PC机，所述上位PC机通过USB接口连接所述扫码模块，所述电气控制系统采用设有PLC控制器的电气控制系统，所述数字机通过USB连接所述电气控制系统，所述数字孪生机上安装有用以实现无人智能快递站与数字模型的同步运行的数字孪生技术软件。

进一步地，所述传送带上还设有包括消毒设备的消毒门。

本发明提供的无人电控智能快递站，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)无人化：利用无人快递管理系统与电气控制系统的作用，使得快递站的运营不需要人工，可以满足24小时运营，能够实现无人化操作；

2)本发明管理系统可进行库位分配，通过信号映射的方式控制机械结构完成快件收发，使得快递站的操作更加智能化；

3)快递站内无人进出，能够减少人口聚集，进而避免传染性疾病的传播。

4)通过数字孪生能够实时收集机械设备的运行状态、设备的运动轨迹等数据，并动态更新数字孪生中机械设备的有关数据，实现机器设备预测性维护，具有良好的实时监控优势；

5)通过将快递收发过程中牵涉到的机械设备、操作环境、基本原理等因素映射到数字孪生空间展开模拟测试，并在线上进行加工工艺提升，产生生产工艺流程可行性方案，能够减少过程迭代更新的成本；

6)与现有气动控制相比，本发明无需气源，是一套完全电动的系统，通过控制系统控制机械爪，且设有力反馈，能够达到自适应抓取不同大小的快递功能，且成本更低。

附图说明

图1为实施例中无人电控智能快递站的外部立体结构示意图；

图2为实施例中无人电控智能快递站的外部后视结构示意图；

图3为实施例中无人电控智能快递站的外部侧视结构示意图；

图4为实施例中无人电控智能快递站的外部俯视结构示意图；

图5为实施例中无人电控智能快递站的滑台结构示意图；

图6为实施例中无人电控智能快递站的xyz向移动组件的立体结构示意图；

图7为实施例中无人电控智能快递站的xyz向移动组件的主视结构示意图；

图8为实施例中无人电控智能快递站的xyz向移动组件的侧视结构示意图；

图9为实施例中无人电控智能快递站的xyz向移动组件的俯视结构示意图；

图10为实施例中无人电控智能快递站的控制原理框图；

图中标号所示：

1、机架组架，2、传送带，3、第一步进电机，4、滑台，5、货柜组架，6、机械爪，7、托盘，8、快递货箱，9、第二步进电机，10、xyz向移动组件，11、档杆，12、滚珠丝杠，13、联轴器，14、第一连接件，15、第二连接件，16、消毒门，17、扫码模块，401、齿形皮带，402、滑块，403、导杆，404、滑台支架，405、齿形轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种无人电控智能快递站，设置在小区、学校等取件集中场所。其外部实体结构如图1～图4所示，包括机架组架1，货柜组架5、传送带2、机械爪6、xyz向移动组件10、滑台4、第一步进电机3、托盘7、夹具组件9、xyz向移动组件10、档杆11和控制系统(未在图中示出)。机架组架1与货柜组架5连接。机架组架1上安装传送带2、机械爪6、扫码模块17、xyz向移动组件10和档杆11。货柜组架5上设有滑台4、第一步进电机3和托盘7。

在本实施例中，货柜组架5为3x3货柜组架，即设有三层货柜架，每一层货柜架设有三个货柜格子，用于放置快递货箱8。每一层货柜架设有一个滑台4，滑台4设置在三个货柜格子下方，滑台4的一端连接有第一步进电机3，另一端朝向机架组架1方向设置，滑台4上设有用于放置快递货箱的托盘7。控制系统可通过控制滑台4的移动带动3x3货柜伸出和缩回。滑台4的具体结构如图5所示，包括齿形皮带401、滑块402、导杆403、滑台支架404、齿形轮405。滑台支架404安装在不同层的货柜架上，齿形皮带401、滑块402、导杆403、齿形轮405安装在滑台支架404上。两个齿形轮405分别安装在滑台支架404的两端，齿形皮带401与齿形轮405通过啮合的方式配合，利用摩擦力进行配合，这种带轮传动可以快速传动。滑块402通过两侧的卡槽固定于齿形皮带401上，滑块402上即为载物台，可通过放置托盘7进行货物的存储。滑台支架404上设置与齿形皮带401相同方向的导杆403，滑块402与导杆403过盈配合，实现直线方向的运动。滑台支架404的底部通过T型螺母安装在不同层的货柜架上，达到立体储存的目的。

进一步地，机架组架1的架体上方内侧安装xyz向移动组件10，xyz向移动组件10连接机械爪6。架体下方内侧安装传送带2，传送带2的设置方向及传送方向均与滑台4的设置方向垂直。xyz向移动组件10安装于传送带2的上方。在本实施例中，传送带2包括驱动调速电机、调速器、辊轴和皮带，辊轴连接驱动调速电机，驱动调速电机连接调速器，辊轴上缠绕皮带，通过摩擦力来实现货箱的运动。驱动调速电机及调速器用于驱动传送带。更进一步地，机架组架1的架体外侧还安装有档杆11。

如图6～图9所示，xyz向移动组件10包括三个第二步进电机9、三个滚珠丝杠12以及三个联轴器13。以平行于滑台4的移动方向为x轴，以平行于传送带2的传送方向为y轴，以垂直于传送带2所在平面的方向为z轴，每一个第二步进电机9分别连接一个滚珠丝杠12，分别构成x向移动件、y向移动件和z向移动件。在本实施例中，以其中一向为例，联轴器13的一端连接滚珠丝杠12，另一端连接第二步进电机9的轴，联轴器13用于传递第二步进电机9所带来的扭矩至滚珠丝杠12。每一个滚珠丝杠12均设有台座，台座的一端固定步进电机13。z向移动件的滚珠丝杠12沿z轴方向设置，且滚珠丝杠12上设有第一连接件14，该第一连接件14连接y向移动件的滚珠丝杠12。y向移动件的滚珠丝杠12的底部设有第二连接件15，该第二连接件15连接x向移动件的滚珠丝杠12。各滚珠丝杠12优先设有拖链，用于使用在往复运动的场合，保护滚珠丝杠12。

作为优选方案，为了进一步实现滚珠丝杠12的有效定位，可在每一个滚珠丝杠12的台座上安装感应开关，其中两个感应开关用于对滚珠丝杠12的活动范围进行限位，另一个感应开关作为原点，以z向移动件的滚珠丝杠12为例，可采用两个U型感应开关作为上、下限位点，另一个对滚珠丝杠12的活动范围作为原点。

在本实施例中，z向移动件的滚珠丝杠12的台座上还设有安装部，安装部连接在机架组架1的架体上，用于将整个xyz向移动组件10的活动范围限制在机架组架1内。机械爪6安装于z向移动件上，具体安装在z向移动件的滚珠丝杠12上，机械爪6的安装高度、位置以确保当3x3货柜伸出时覆盖每一个格子为准。

为实现快递货物的识别，在机架组架1上与传送带2的对应位置设有对射光电开关(NPN型)，作为传感器，通过发射出来的红外线，达到使货物在抓取位置停下的目的。

本发明还设有开关电源，用于为各步进电机、驱动器、传感器和单片机等提供24V电源。

本发明无人电控智能快递站的控制部分包括电气柜、电气控制系统、单片机、无人快递管理系统、数字孪生机、快速以太网交换机。如图10所示，电气控制系统通过快速以太网交换机连接无人快递管理系统，无人快递管理系统连接有扫码模块17。电气控制系统与单片机、数字机、传送带、第一步进电机、第二步进电机分别连接，单片机控制机械爪。

电气控制系统安装于电气柜中，电气控制系统用于控制快递站完成入库出库，可采用现有技术中常用的可控制快递站完成入库出库的标准电气控制系统，例如可采用包括人机交互界面、开关电源、空气开关、三菱Q系列PLC(或者其他厂家PLC)、急停开关的标准电气控制系统，电气控制系统可通过快速以太网交换机与无人快递管理系统进行双向传递数据，用于通过接收无人快递管理系统的指令控制单片机执行机械爪的动作控制，以及通过控制第一步进电机、第二步进电机的运作带动滑台和xyz向移动组件的移动，还可以在出现异常情况时，完成记录和紧急停止等操作。

作为优选的实施方案，滚珠丝杠12的安装要注意正向的方向，可利用滚珠丝杠12的固定螺距计算定位所需的脉冲数。结合滚珠丝杠12所在方向安装的三个U型感应开关，两个作为上下限位，另一个作为原点。当电气控制系统采用三菱Q系列PLC，利用三菱Q系列PLC中设置的QD75D2N智能模块，通过在QD75D2N智能模块中设置PULSE模式，回原点方式选择近点狗回原点方式。QD75D2N可通过PLC扩展基板与CPU电源等相连，作用就是更方便的控制步进电机来定位。

通过单片机控制机械爪的抓取可采用现有技术中通用的方案，在此不过多赘述。本实施例的单片机可优先选择STM32单片机，STM32单片机通过控制输出转角来控制机械爪。作为一种优选实施方案，机械爪6上可利用现有技术中螺母安装步进电机的方式，在机械爪上加一个压力传感器，通过压力信号反馈控制机械手抓取货物，从而可以自适应抓不同大小的快递。

进一步地，单片机还连接无人智能快递站外部的档杆11，电气控制系统可以接受无人快递管理系统的指令，通过控制单片机来控制挡杆的挡与放来控制人数，进而避免人员的聚集。通过单片机控制档杆的抬、放可采用现有技术中通用的方案，在此不过多赘述。

2011年，Michael Grieves教授在《几乎完美：通过PLM驱动创新和精益产品》给出了数字孪生的三个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。在2016西门子工业论坛上，西门子认为数字孪生的组成包括：产品数字化双胞胎、生产工艺流程数字化双胞胎、设备数字化双胞胎，数字孪生完整真实地再现了整个企业。数字孪生现在处于初级阶段，是工业4.0浪潮中的一大新兴技术，有望在未来应用到以制造业为首的各行各业。基于此，在本实施例中，数字机上面可安装软件Virtual Universe Pro 4，MX component，通过USB连接的方式实现实体快递站与数字模型的数据双向互通，实现数字孪生，也即实体快递站与数字模型时刻同步运行。数字样机展示机械结构的一个数字孪生体，包括滑动摩擦系数、抗扭截面系数等各种的物理属性，加上各种传感器的使用，数字孪生体可以与无人智能快递站同步运行。

无人快递管理系统安装于上位PC机上，上位PC机上还安装有组态软件，通过USB接口连接扫码模块17，扫码模块17置于传送带2的两侧。即上位PC机包含一个无人快递收发管理系统以及组态。无人快递收发管理系统还设有数据库，用于录入快递信息并进存储。扫码模块17可采用读取条形码数据，ttl转usb接头，与上位PC机相连传输数据的扫码模块17。

更进一步地，传送带2上还设有消毒门16，用于对快递货物进行消毒，满足防疫要求。消毒门16上可通过安装紫外线消毒灯实现快递货物消毒。消毒门16上也可安装扫码模块17。

本发明的工作原理如下：

本发明分为入库和出库两部分，当入库时，带有条形码的货物经过扫码模块17读取信息，与此同时将读取的信息与数据库中录入的信息进行匹配，无人快递收发管理系统也即上位PC机对货物进行库位的分配，变量从管理系统映射到组态软件，再映射到可编程逻辑控制器上，打开不同的继电器(利用单片机来发出脉冲来控制步进电机)，当货物到达对射光电开关处时，传送带停止，机械爪移动到相应的抓取位置，利用步进电机控制机械爪进行抓取，再移动到相应的库位，完成入库。此时管理系统上面订单显示未完成，用户来取件时调出相应的条形码，从而完成入库，当取件完成后，订单会显示完成。这些都会记录在数据库中。可编程控制器和数字样机采用usb连接，组态与可编程逻辑控制器的通讯使用以太网模块，利用快速以太网交换机作为一个媒介。

优选地，PLC采用三菱的，编写利用GX works2，使用梯形图进行编写，利用其自带的GX simulator进行编写程序的编译，利用改变当前值的方式来验证程序块的逻辑问题，通过批量监视变量来检测如常闭开关，计时器，线圈的状态。三维模型的创建以及装配由SolidWorks完成，通过另存为3d xml文件的方式导入到Virtual Universe Pro 4(VUP)，进而进入数字孪生的部分。Virtual Universe是一个虚拟的现实世界，可用于科学，技术和其他用途开源仿真模拟的事件，结构的命令，功能和设计。要做到这一点还存在一个广泛的编程接口，不断扩展和可用于实现模拟，功能和工作流程根据一些具体的要求。通过VirtualUniverse Pro 4，可以搭建虚拟的场景，利用运动副，传感器等完成一个工业项目的运行，通过设置材料摩擦系数，3D原件的质量，质心等，最大限度地接近于现实中的情形。通过这样的方式可以初步地对工业项目的可行性进行验证，就无需制造出来，节约大量的人力物力。

优选地，采用三菱的控制面板软件GT Designer3编辑位逻辑开关，相当于按钮(也可以通过VUP中的人机交互界面进行控制)，通过设置与GX simulator通讯，就可以改变如X1,M0等的当前值，通过控制面板就可以完成PLC程序的调试。

进一步地，利用设置local station nubmber的方式，通过MX component这一通讯软件，实现PLC与VUP的通讯，从而完成对整个物理环境的工业流程的控制。打开仿真中的调试就可以看到每个动作的当前值。

PLC选用三菱Q系列PLC，包括Q03UDVCPU及其他，Q系列PLC是三菱公司从原A系列PLC基础上发展过来的中、大型PLC系列产品，Q系列PLC采用了模块化的结构形式，系列产品的组成与规模灵活可变，最大输入输出点数达到4096点；最大程序存储器容量可达252K步，采用扩展存储器后可以达到32M；基本指令的处理速度可以达到34ns；其性能水平居世界领先地位，可以适合各种中等复杂机械、自动生产线的控制场合。所以这个系列的PLC可以满足商业化的需求。

按照上述设计，本发明的快递站的运营不需要人工，可以满足24小时运营，能够实现无人化操作；且管理系统可进行库位分配，通过信号映射的方式控制机械结构完成快件收发，操作更加智能化。快递站内无人进出，能够减少人口聚集，进而避免传染性疾病的传播。通过数字孪生能够实时收集机械设备的变形程度、设备运动轨迹等数据，并动态更新虚拟空间中机械设备的有关数据，完成机器设备预测性维护。另外，通过将快递收发过程中牵涉到的机械设备、操作环境、基本原理等因素映射到虚拟空间展开模拟测试，并在线上进行加工工艺提升，产生生产工艺流程可行性方案，能够减少过程迭代更新的成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种无人电控智能快递站，设于快递取件集中场所，其特征在于，包括机架组架(1)，设于机架组架(1)上的传送带(2)、xyz向移动组件(10)、机械爪(6)和扫码模块(17)，与机架组架(1)连接的货柜组架(5)，设于货柜组架(5)上的滑台(4)，与滑台(4)的一端连接的第一步进电机(3)，以及与传送带(2)、xyz向移动组件(10)、机械爪(6)、扫码模块(17)、滑台(4)和第一步进电机(3)分别连接的控制系统，所述滑台(4)的另一端朝向机架组架(1)方向设置，其设置方向与所述传送带(2)的传送方向垂直，所述机械爪(6)连接所述xyz向移动组件(10)。

2.根据权利要求1所述的无人电控智能快递站，其特征在于，还包括档杆(11)，所述档杆(11)设于所述机架组架(1)上，所述档杆(11)连接所述控制系统。

3.根据权利要求1所述的无人电控智能快递站，其特征在于，所述货柜组架为多层货柜架，各层货柜架设有多个用以放置快递货箱(8)的货柜格，各层货柜格下方安装所述滑台(4)。

4.根据权利要求3所述的无人电控智能快递站，其特征在于，所述滑台(4)包括安装在不同层货柜架上的滑台支架(404)和设于滑台支架(404)上的齿形皮带(401)、滑块(402)、导杆(403)和齿形轮(405)，所述齿形皮带(401)与齿形轮(405)啮合，所述滑块(402)设于齿形皮带(401)上，所述滑块(402)与所述导杆(403)过盈配合，所述第一步进电机(3)设于滑台支架(404)上。

5.根据权利要求4所述的无人电控智能快递站，其特征在于，所述滑块(402)上设有用以放置快递货箱(8)的托盘(7)。

6.根据权利要求1所述的无人电控智能快递站，其特征在于，以平行于滑台(4)的移动方向为x轴，以平行于传送带(2)的传送方向为y轴，以垂直于传送带(2)所在平面的方向为z轴，所述xyz向移动组件(10)包括z向移动件，与z向移动件连接的y向移动件，以及与y向移动件连接的x向移动件，所述z向移动件设于所述机架组架(1)上，所述机械爪(6)连接在所述z向移动件上。

7.根据权利要求6所述的无人电控智能快递站，其特征在于，每一个移动件分别包括第二步进电机(9)及通过联轴器(13)与第二步进电机(9)连接的滚珠丝杠(12)，z向移动件的滚珠丝杠(12)通过第一连接件(14)连接y向移动件的滚珠丝杠(12)，y向移动件的滚珠丝杠(12)通过第二连接件(15)连接y向移动件的滚珠丝杠(12)，所述机械爪(6)连接在z向移动件的滚珠丝杠(12)上。

8.根据权利要求7所述的无人电控智能快递站，其特征在于，所述控制系统包括电气控制系统、单片机、无人快递管理系统、数字孪生机和快速以太网交换机，所述无人快递管理系统连接所述扫码模块(17)，所述电气控制系统通过快速以太网交换机连接所述无人快递管理系统，所述电气控制系统与单片机、数字孪生机、传送带(2)、第一步进电机(3)、第二步进电机(9)分别连接，所述单片机连接所述机械爪(6)。

9.根据权利要求8所述的无人电控智能快递站，其特征在于，所述无人快递管理系统为上位PC机，所述上位PC机通过USB接口连接所述扫码模块(17)，所述电气控制系统采用设有PLC控制器的电气控制系统，所述数字孪生机通过USB连接所述电气控制系统，所述数字孪生机上安装有用以实现无人智能快递站与数字模型的同步运行的数字孪生技术软件。

10.根据权利要求1所述的无人电控智能快递站，其特征在于，所述传送带(2)上还设有包括消毒设备的消毒门(16)。