办公用自动存取储物柜的设计与开发

陈思佳　牵雅萌

摘要：随着人们生活水平的提高，自动储物柜在生活中广泛应用。它具有使用操作简单、安全可靠、应用范围广等特点，服务于不同市场的广大群众。项目借鉴了现在大型物流仓储中心所使用的自动化立体库的设计思路，综合自动存储、提取等功能，设计出可在办公场所自动存放的储物柜。

关键词：储物柜;单片机;机械臂;步进电机

中图分类号：TP211+.4

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.050

1 绪论

1.1 选题背景及意义

随着人口的增多，房价的增长，屋内空间的充分利用就显得格外重要。很多地方对于屋内上层空间利用不到位，有时取物要爬到高处，不仅不方便，而且极其危险。同时对于一些大柜子来说，容易造成暗箱易忘的问题。

目前办公用的储物柜常为各种材质的普通柜子，为了方便存取，物品高度一般在2.2 m以内，这样室内上层空间得不到利用。另外，对于存放质量较大的物体，人工存取也不是十分便利。

我们所设计的办公用自动存取储物柜借鉴了现在大型物流仓储中心所使用的“垂直升降库”设计思路，综合自动存储、提取等功能，设计了办公场所自动存取功能的储物柜。该储物柜缩短了存取物品的时间，提高了空间利用率和工作效率。

1.2 项目研究内容

1.2.1 产品功能

可实现储物柜中的储物格利用机械臂实现升降，不但能提高空间利用率，而且存取物品更加安全快捷。同时，利用电子扫描与触摸电子屏的记录和查找功能，能避免暗箱易忘的问题，实现快速查找，提高工作效率。

1.2.2 存储柜材料

储物柜广泛应用于办公室、政府机关、工厂等各类型的小型零件、样品、模具、工具、电子元器件、文件资料、设计图纸、账单、目录、表格等存储管理，是各种物品的私人管家。我们采用的原料需要具有方便运输、承载能力强、使用寿命长的特点，因此，办公用储物柜采用优质冷轧钢板板材制作。它不像传统的木柜，易损坏，不耐撞击，而且容易滋生细菌，产生异味。

1.2.3 传动方案

本产品利用皮带、电机、丝杠等部件的配合，利用步进电机控制机械臂的升降及平移，将储物盒从储物柜中取出或放回储物柜中。

1.2.4 产品优势

产品优势有：①空间利用率高;②操作便捷，适用范围广;③利用智能技术，查找方便，能提高效率;④成本低，能耗小，便于推广。

2 储物柜的整体设计方案

2.1 功能分析与实现

2.1.1 功能分析

办公用自动存取柜利用机械臂存取物品，有效利用了空间，避免了高处物品存取困难的问题。利用电子扫描与触摸电子屏的记录和查找功能，达到省时的目的，将所需物品快速找到，有利于办公用品的高效整理与安置。

2.1.2 功能实现

当需存放物品时，在触摸屏选择相对应的储物盒并点击确定，机械臂会将指定盒子移至适当高度，方便存放;当需取出物品时，在触摸屏中查询找到相对应的储物盒并点击确定，机械臂会将储物盒移至适当高度，方便取出。

2.2 储物柜框架结构的设计

从资料统计和实际的状况来看，目前自动化存取货物的方式主要有两种，一种是货位可移动式货架自动化立体仓库系统，一种是利用存取车辆或者升降机完成自动存取货物。我们考虑到该储物柜运用在办公室内，需要较强的灵活性，人的可操作性要强，因此，我们借鉴了“垂直升降库”的原理，借助存取货物手臂，实现高处货物的存取。

本储物柜的基本款式高度为3m，宽度为0.5 m，每一储物格宽为0.5 m，一列放置6个储物盒，每个储物柜利用支撑架放置储物盒，具体如图1所示。

2.3 储物柜传动装置的设计

本储物柜的传动装置主要是由机械臂和动力装置组成，利用皮带、带轮等，在步进电机的驱动下，实现机械臂的翻折以及横向和纵向的运动。

2.3.1 机械臂的设计

在设计该机械臂时，我们考虑到需要存取方便、节省空间。因此，设计好的机械臂可以左右移动，存取装置可以上下移动。因为该机械臂用于存取储物盒，且储物盒是固定不动的，所以我们需要将所需的储物盒抽出。因此，我们所设计的机械臂分为两部分，由滑轨连接，在存取时不会影响其他的储物盒。为了提高空间利用率，我们借鉴了高铁、飞机上的小桌板可收起的功能，在闲置时，可以将机械臂垂直收起，在使用时水平放置，如图2所示。

2.3.2 动力装置的设计

因为本储物柜有许多储物格，所以机械臂需要实现纵向与横向的移动以及机械臂从垂直到水平的翻折和在取物时水平方向的滑动，所以我们利用丝杠、导轨和滑块的机构，在步进电机的驱动下实现纵向移动;利用梯形齿带及带轮、导轨和滑块的机构，在步进电机的驱动下实现横向移动;利用步进电机和齿轮实现机械臂的翻折;利用皮带和带轮，在步进电机的驱动下实现水平方向的滑动。

2.4 储物柜控制系统的设计

我们将ardumo作为主控系統，将步进电机驱动器作为辅助系统，将触摸屏作为输入工具，从而有效避免了高处取物困难、暗箱易忘的问题，实现了方便存取、安全快捷的功能，提高了工作效率与生活水平。

3 样图设计

样图设计如图3所示。

4 结语

随着科技的不断发展与进步，自动储物柜的应用越来越广泛，几乎没有严格的行业和领域的差别，各种行业都可以运用。本设计主要立足于提高办公室的空间利用率和办公效率，利用ardluno单片机与机械臂的相互配合，通过软件与硬件的集合调试，实现自动存取物品的功能，有效避免高处物品不易存取且存在安全隐患、暗箱易忘等问题。

在设计与制作的过程中，涉及到了硬件与软件两个方面，我们学会了应该怎样去查找各种参考资料，应该如何去利用这些参考资料，并对自己所设计的产品有了进一步的了解。同时，在这个过程中也培养了个人的独立思考问题与解决问题的能力以及一个团队之间的合作能力。

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