校园快递智能收发机设计研究

张建华 张清萍 何银川

（济南大学 机械工程学院，济南 250022）

随着互联网经济的蓬勃发展，国内物流迅速崛起。物流配送的各个环节纷纷采用智能化设备，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”发展相对滞后，高校内物流配送问题尤为严重[1]。据中国物流信息中心物流统计数据，“最后一公里”物流配送成本占整个配送成本的30%左右[2]。对此，各大物流公司纷纷改进校园配送终端，对物流模式、装备、技术做出新的尝试，使用类似于超市存物箱的快递柜。但是，根据相关市场调查与分析，智能物流快递柜普及率较低，并且受人体高度的制约，箱体可使用高度和箱格数目有限[3]。

在“互联网+”行动计划的指引下，快递等传统产业积极向数据化和信息化迈进，因此加强校园快递收发机的自动化与智能化研究具有重要意义[4]。笔者设计出校园快递智能收发机原理样机，为校园快递配送提供了创新性方案，以实现“智慧快递”[5]。

1 快递柜发展现状与分析

随着物流行业的迅速发展，各国纷纷布局快递终端设备领域。德国DHL使用KEBA公司开发的Packstation自主取货系统，为用户提供24h自主取货服务。亚马逊在英美等国发展智能快递柜业务，为消费者存储网购商品，提供类似于实体店购物的体验[6]。其他国家的快递柜形式有芬兰Posti集团运营的SmartPOST、加拿大的buffer box、日本的电子收货柜等[7]。国内快递柜行业参与者众多，来自各行各业，如速递易、丰巢、江苏云柜、富友，格格和日日顺等。它们的快递柜技术前身大多是超市存包柜、自主售卖机、银行存单柜等，并未做出创新性改变。

国内外使用的快递柜基本相似，邮递人员需要将包裹依次在交互终端处扫描后再按照顺序一一放入每个箱格，动作过程较为烦琐[8]。同时，箱体高度受人体高度所限，箱格总数较少，不能充分解决高校物流配送问题。总之，为了提高校园快递配送“最后一公里”的服务质量，必须要打破传统配送方式，使用校园快递智能收发机作为校园末端配送模式，以引领方便、快捷、高效的校园消费生活方式。

2 校园快递智能收发机系统功能设计

2.1 收发机自动收件功能

校园快递智能收发机系统的取件方案流程如图1所示。该收发机使用NFC电子标签代替传统的快递单，实现快递信息的全程查询，为年轻用户提供快捷、方便的服务。但同时保留短信码服务，用户也可凭短信码收取快递。取件用户可以凭借NFC手机或短信码，到自己设定的收发机自助收取快递，在操作台一次完成所有取件动作。

图1 收发机系统取件方案流程

2.2 收发机自动寄件功能

校园快递智能收发机的寄件功能用户分为两类：邮递员和个人用户。当邮递员送件时，直接将快递送达收件人设定的快递收发机终端，大大减少了送件过程中的等待时间，提高了送件效率，邮递员寄件方案流程如图2所示。当个人用户寄件时，收发机24h提供服务，无需排队，就近寄件，方便快捷，个人用户寄件方案流程如图3所示。

2.3 收发机货架的智能存储功能

快递单元化货架是被单元化的快递货架，在服务器中，快递货架被划分成一系列单元格，每一个单元格都有其唯一的坐标（a，b）。服务器会指派搬运机构到指定坐标点抓取快递。快递单元格根据尺寸大小分为三种：大号、中号、小号单元格。在尺寸允许和空格的条件下，服务器会按照小号、中号、大号单元格的顺序存放快递，提高了空间利用率。因采用搬运机构运送快递，货架高度突破人体高度限制，增加了可使用单元格数量。智能存储模块方案流程如图4所示。

图2 邮递员寄件方案流程

图3 个人用户寄件方案流程

图4 存储模块方案流程

2.4 收发机智能搬运功能

快递进出机器，服务器会发送指令给搬运机构，搬运机构中的行走机构、升降机构、伸缩载货台机构同时配合工作，以最短的时间到达指定坐标，这将大大提高搬运效率。

3 校园快递智能收发机结构设计

快递自动收发机采用模块化设计，包括快递收发操作台、快递储存箱和控制系统。操作台是整个机器的控制中心，也是快递进出的门户，外观设计方案示意如图5所示。快递储存箱设计方案示意如图6所示，它包括快递单元化货架、行走机构、升降机构和货叉机构等，以实现快递的存放和快递搬运。

3.1 快递收发操作台的设计

快递收发操作台结构如图7（a）所示，包括操作台箱体、下位机服务器、触摸屏、NCF识别器、窗口控制板、货物进出输送带、输送带轮、快递扫码器、监控摄像头、轮廓扫描仪、蜂鸣器、称重传感器等。其中，箱体内有快递短暂等候台，触摸屏下面有快递进出窗口。当用户寄件时，服务器会发出指令，打开窗口控制板，当用户将物品放到输送带上并确认寄件时，输送带会将物品传送到快递短暂等候台，称重感应器将会完成称重，轮廓扫描仪完成尺寸扫描，服务器也会生成合适的坐标。与此同时，服务器已经对搬运装置发出指令，抓取快递，送到货架的指定坐标点上。

图5 操作台外观设计方案示意图

图6 快递储存箱设计 方案示意图

图7 快递单元化货架及快递存放层设计方案

3.2 快递单元化货架的设计

快递单元化货架及快递存放层设计方案如图7（b）所示，该货架打破传统的箱柜式设计，采用搬运机构运送快递，不再受人体高度的限制，货架高度可达数米，提高了土地利用率。货架长度为3m，根据需要，可并用多组设备。每层快递架采用一定间距的钢条密集排列而成，中间没有隔断，但在系统中已划分为具体单元格坐标，不存在交叉使用。钢条间距是为与货叉相配合，货叉能够在该间距中上下运动，完成快递抬起、放下。当伸缩载货台送入快递时，货叉嵌于钢条之间并略高于货架钢条，当快递送到钢条上方后，货叉从钢条间向下移动，再向后退出。当伸缩载货台取快递时，动作正好相反。

3.3 行走机构和升降机构设计

行走机构设计方案如图8所示，行走机构支撑着快递、伸缩载货台和升降机构，以完成水平方向的移动。行走机构可采用质量优良电机减速机组成传动机构，电机驱动车轮，依靠车轮与轨道间的摩擦力驱动小车在轨道上行走。行走轨道是连接操作台与快递货架的路线，它安装在货架一侧。行走机构前后需均安装限位开关，从而保证行驶安全。升降机构设计方案如图9所示，主要包括可制动电机、铝合金立柱、链条、链轮、起降滑筒、滑筒行走轨道、限位开关和辅助滑行轮组。本升降机构可采用电机减速机提供动力，驱动链轮链条运转，以完成货物升降。该机构使用电动机单独控制，同时为防止起升平台掉落，造成损害或安全事故，这里应该选用带刹车功能的制动电机。

图8 行走机构设计方案

图9 升降机构设计方案图

图10 伸缩载物台机构 设计方案

3.4 伸缩载物台机构设计

伸缩载物台机构设计方案如图10所示，主要完成快递的承载功能，利用载物台本身的伸缩板完成快递取放动作，实现单元化货架与操作台间的快递搬运。载货台机构搬运过程中，可能所承受的力较大，因此进行多级减速，使其运动平稳。首先由电机开始通过减速器进行减速，接着通过带轮进行二级减速，传递力矩到齿轮齿条上。由于货架平板需要进行伸缩，因此采用双齿条齿轮机构完成伸缩动作。

4 软件设计

校园快递智能收发机采用分布式系统，该系统包括若干个分布式布局的下位机，校园内所有的下位机能够在总服务器的统一管理下运行，又能够在无网络环境下独立运行。该收发机所有应用可以在Linux操作系统平台下开发，该操作系统技术已经成熟，可靠性较高。PLC软件程序的优劣关系到快递收发机指挥系统的可靠运行，程序运行的可靠性很大程度上决定了系统运行的稳定性。PLC可采用模块化安装，用于搬运机构精准停车控制。应用程序采用CXProgrammer梯形图语言编写，程序可读性强、易于查找问题并能在线调试，有助于缩短设备的调试周期。

5 结语

为了解决高校物流配送问题，本文提出的校园快递智能收发机原理样机，能为校园用户提供全天候存取件服务，能更好地满足校园用户需要。该快递单元化货架打破传统的箱格式设计，拥有智能收件、智能寄件、智能存储和智能搬运等四个创新性功能。在同样占地面积下，其能够提供更多的快递容纳空间，并且用户在操作台一次完成所有取件动作。该校园快递智能收发机能进一步完善校园物流配送系统，为校园快递的健康、合理、有序发展增添创新型方案。