人機(jī)交互式無人售貨機(jī)補(bǔ)貨出貨裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

馮萬城，潘優(yōu)勇，王天宇，蘇嘉成，趙星寒，李 琛，王希貴

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

自動(dòng)售貨機(jī)（Vending Machine，VEM）是能根據(jù)投入的錢幣自動(dòng)付貨的機(jī)器[1]。其產(chǎn)品特點(diǎn)是：科技含量高、24 h服務(wù)售貨便利、無需專人盯守省人工省成本、售貨范圍廣泛，此外其還是一種新穎獨(dú)特的廣告媒體[2]。它是一種全新的商業(yè)零售形式，又被稱為24 h營業(yè)的微型超市。作為一種全新的售貨方式，20世紀(jì)80年代以來，自動(dòng)售貨機(jī)在美日等發(fā)達(dá)國家得到了迅速的普及與發(fā)展。

我國自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展剛剛進(jìn)入初期階段，能夠給人們帶來的生活便利有限。近年來，我國自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，自動(dòng)售貨機(jī)的普及程度不斷增加，創(chuàng)造了很大的市場(chǎng)價(jià)值，有著很大的發(fā)展空間[3]。

現(xiàn)有售貨機(jī)大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜且空間利用率低，所能容納的產(chǎn)品較少，常常需要人工補(bǔ)貨。在人工補(bǔ)貨時(shí)，補(bǔ)貨員又無法準(zhǔn)確獲知需要補(bǔ)貨的商品數(shù)量和補(bǔ)貨時(shí)間，從而大大增加了運(yùn)營成本，影響顧客的消費(fèi)體驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)裝置機(jī)構(gòu)的目的是為了解決以上問題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的自動(dòng)出貨補(bǔ)貨，減少補(bǔ)貨及運(yùn)營成本。

1 整體結(jié)構(gòu)概述

人機(jī)交互式無人售貨機(jī)補(bǔ)貨出貨裝置總體結(jié)構(gòu)見圖1。本裝置主要由5個(gè)部分組成，分別是出貨倉、補(bǔ)貨倉、推出組件、抬升機(jī)構(gòu)以及絲桿機(jī)構(gòu)。通過5個(gè)部分的協(xié)同運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的自動(dòng)補(bǔ)貨。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

2 無人售貨機(jī)補(bǔ)貨出貨裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 出貨倉

出貨倉的具體結(jié)構(gòu)見第58頁圖2。在出貨倉的內(nèi)部開設(shè)有出貨腔，出貨腔內(nèi)壁上設(shè)置有紅外感應(yīng)器，出貨倉的前側(cè)設(shè)置有控制器。紅外感應(yīng)器包括紅外發(fā)射件與紅外接收件，紅外發(fā)射件固設(shè)于出貨腔左側(cè)內(nèi)壁上，紅外接收件固設(shè)于出貨腔右側(cè)內(nèi)壁上，紅外發(fā)射件與紅外接收件之間具有電性連接，紅外接收件與控制器具有電性連接，當(dāng)沒有貨物阻隔在紅外發(fā)射件與紅外接收件之間時(shí)，紅外接收件可以接收到紅外發(fā)射件發(fā)出的紅外線光束，紅外接收件反饋電信號(hào)給控制器，控制器則控制各電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)貨。

圖2 出貨倉結(jié)構(gòu)

在出貨倉的左側(cè)開設(shè)有滑槽，滑槽下端固設(shè)有第一霍爾接近開關(guān)。值得一提的是，霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，利用霍爾元件制作的接近傳感器，由于測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[4]。而接近開關(guān)是一種電子開關(guān)量傳感器，可以完成對(duì)位置量的檢測(cè)，并將位置量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的控制或信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳遞[5]。本裝置便使用了利用霍爾傳感器制作的霍爾開關(guān)。

出貨倉右側(cè)靠近下端開設(shè)有出貨口，出貨口與出貨腔連通，出貨口上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有貨門，貨門可有效防止貨物流下時(shí)不慎直接跌出出貨腔而導(dǎo)致的貨物損壞。

出貨倉下端開設(shè)有翻轉(zhuǎn)口，出貨倉下側(cè)設(shè)有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（見圖3），包括基座和翻轉(zhuǎn)葉，翻轉(zhuǎn)葉與基座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，翻轉(zhuǎn)葉寬度小于翻轉(zhuǎn)口寬度，翻轉(zhuǎn)口上端高于出貨腔底端，當(dāng)貨物流下至出貨腔底部時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)葉轉(zhuǎn)動(dòng)使貨物排出出貨腔。

圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

出貨倉上端固設(shè)有下壓電機(jī)，下壓電機(jī)輸出端固定連接有輔助下壓部，下壓電機(jī)與控制器具有電性連接，當(dāng)出貨腔在意外情況下使備用貨物堵塞無法流下時(shí)，輔助下壓部可向下擠壓備用貨物，可使備用貨物順利流下。輔助下壓部為凸輪結(jié)構(gòu)，凸輪圓心與下壓電機(jī)輸出端同軸，凸輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制造，成本低廉。

2.2 補(bǔ)貨倉

補(bǔ)貨倉的具體結(jié)構(gòu)見圖4。補(bǔ)貨倉內(nèi)部開設(shè)有補(bǔ)貨腔，補(bǔ)貨腔左側(cè)開設(shè)有托板口，補(bǔ)貨腔右側(cè)開設(shè)有補(bǔ)貨口，補(bǔ)貨口與滑槽連通，使備用貨物可由補(bǔ)貨腔進(jìn)入圖2中所示的出貨腔，補(bǔ)貨口與推槽位于同一高度。

圖4 補(bǔ)貨倉結(jié)構(gòu)

補(bǔ)貨倉左側(cè)固定連接有安裝板，安裝板上端固定連接有推出電機(jī)，推出電機(jī)與控制器具有電性連接，推出電機(jī)輸出端固定連接有推出凸輪，推出凸輪與推出組件之間線性接觸。補(bǔ)貨倉左側(cè)還開設(shè)有推槽，并且固定連接有滑桿，推槽與滑桿均位于安裝板上側(cè)。而推槽與滑桿主要與推出組件進(jìn)行作用，實(shí)現(xiàn)推塊的推出與自動(dòng)回位，從而實(shí)現(xiàn)貨物的補(bǔ)充。

2.3 推出組件

推出組件的具體結(jié)構(gòu)見圖5。推出組件由推塊和限位板組成。限位板左側(cè)開設(shè)有與補(bǔ)貨倉結(jié)構(gòu)中滑桿對(duì)應(yīng)的滑孔，限位板位于補(bǔ)貨倉左側(cè)，限位塊左端與推出凸輪線性接觸，限位板可避免推塊落入補(bǔ)貨腔內(nèi)。推塊位于推槽內(nèi)，滑桿外套設(shè)有彈簧，彈簧固定連接在限位板與出貨倉之間，滑桿套設(shè)于滑孔內(nèi)，滑桿與滑孔之間具有滑動(dòng)連接，推塊受推出凸輪的擠壓推出后，彈簧壓縮積累勢(shì)能，推出凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)不再擠壓限位板后，彈簧釋放勢(shì)能，從而實(shí)現(xiàn)推塊的自動(dòng)回位。

圖5 推出組件

2.4 抬升機(jī)構(gòu)

抬升機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)見第59頁圖6。抬升機(jī)構(gòu)包括托板和連接套。托板位于托板口內(nèi)并與托板口之間具有滑動(dòng)連接，托板左端與連接套右端固定連接，托板下端固設(shè)有第二霍爾接近開關(guān)和信號(hào)發(fā)射器，第二霍爾接近開關(guān)和信號(hào)發(fā)射器之間具有電性連接。出貨倉結(jié)構(gòu)中第一霍爾接近開關(guān)與第二霍爾接近開關(guān)接近時(shí)，第一霍爾接近開關(guān)與第二霍爾接近開關(guān)組成的霍爾開關(guān)開啟，信號(hào)發(fā)射器和控制器之間具有電性連接。連接套上端開設(shè)有絲桿孔和兩個(gè)弧形限位孔，絲桿孔與絲桿螺紋連接，弧形限位孔套設(shè)于弧形限位塊外側(cè)并與弧形限位塊之間具有滑動(dòng)連接。托板內(nèi)還置有重量感應(yīng)器，重量感應(yīng)器與控制器具有電性連接，備用貨物的總重可通過重量感應(yīng)器傳遞電信號(hào)給控制器，補(bǔ)貨員通過備用貨物的總重可得知補(bǔ)貨的預(yù)計(jì)時(shí)間和具體備貨數(shù)量。抬升機(jī)構(gòu)位于托板口內(nèi)并與托板口之間具有滑動(dòng)連接，抬升機(jī)構(gòu)與絲桿機(jī)構(gòu)之間具有滑動(dòng)連接，抬升機(jī)構(gòu)上可放置補(bǔ)貨倉內(nèi)的備用貨物。

圖6 抬升機(jī)構(gòu)

2.5 絲桿機(jī)構(gòu)

絲桿機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)見圖7。絲桿機(jī)構(gòu)包括底座、絲桿電機(jī)和絲桿，底座右端固設(shè)有至少一個(gè)弧形限位塊、上限位塊和下限位塊，絲桿電機(jī)固定連接在底座右端靠近下側(cè)，絲桿位于上限位塊和下限位塊之間，絲桿與上限位塊和下限位塊均具有轉(zhuǎn)動(dòng)連接，絲桿下端與絲桿電機(jī)輸出端固定連接，絲桿電機(jī)與控制器具有電性連接。絲桿機(jī)構(gòu)的作用就是作為動(dòng)力源使抬升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)備用貨物抬升。

圖7 絲桿機(jī)構(gòu)

3 無人售貨機(jī)補(bǔ)貨出貨裝置的工作原理

當(dāng)出貨腔內(nèi)充滿貨物時(shí)，紅外接收件無法接收紅外發(fā)射件發(fā)出的紅外線光束，控制器未接收到紅外感應(yīng)器的電信號(hào)，各電機(jī)不運(yùn)行。

當(dāng)出貨腔底端的貨物排出后，上層的貨物逐序落下，紅外接收件與紅外發(fā)射件之間無貨物阻擋，此時(shí)紅外接收件接收到來自紅外發(fā)射件的紅外線光束，紅外感應(yīng)器發(fā)出電信號(hào)給控制器，控制器發(fā)出電信號(hào)給各電機(jī)，使各電機(jī)逐序開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

絲桿電機(jī)使絲桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，抬升機(jī)構(gòu)上升，備用貨物隨抬升機(jī)構(gòu)一起抬升至補(bǔ)貨口。推出電機(jī)開始運(yùn)行，推出凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推出凸輪推動(dòng)限位板，使推出組件沿滑桿方向滑動(dòng)，推塊將備用貨物頂出補(bǔ)貨口，備用貨物由補(bǔ)貨口至滑槽，經(jīng)由滑槽滑入出貨腔內(nèi)。下壓電機(jī)開始運(yùn)行，輔助下壓部轉(zhuǎn)動(dòng)，輔助下壓部將備用貨物壓入出貨腔內(nèi)，使堵塞的備用貨物落下。備用貨物落下后，重新將紅外接收件和紅外發(fā)射件隔開，控制器未接收到電信號(hào)，各電機(jī)停止運(yùn)行。隨著抬升機(jī)構(gòu)的不斷抬升，出貨倉左端的第一霍爾接近開關(guān)和抬升機(jī)構(gòu)的第二霍爾接近開關(guān)不斷接近，當(dāng)?shù)谝换魻柦咏_關(guān)和第二霍爾接近開關(guān)處于同一水平高度時(shí)，觸發(fā)霍爾開關(guān)，信號(hào)發(fā)射器接收電信號(hào)，將電信號(hào)傳遞至控制器，控制器控制各電機(jī)不再運(yùn)行，有效防止各電機(jī)空轉(zhuǎn)，使部件受損。

控制器與后臺(tái)服務(wù)器相連，補(bǔ)貨員可由后臺(tái)服務(wù)器獲得控制器反饋的各項(xiàng)數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)補(bǔ)貨時(shí)間和具體補(bǔ)貨數(shù)量，這將大大減輕補(bǔ)貨員的工作壓力。補(bǔ)貨員重新補(bǔ)貨后，抬升機(jī)構(gòu)回位至補(bǔ)貨腔最底層，重新開始自動(dòng)補(bǔ)貨。圖8為裝置工作的流程示意圖。

圖8 流程示意圖

4 無人售貨機(jī)補(bǔ)貨出貨裝置的優(yōu)點(diǎn)

一是裝置出貨腔內(nèi)壁上設(shè)置有紅外感應(yīng)器，當(dāng)沒有貨物阻隔在紅外發(fā)射件與紅外接收件之間時(shí)，紅外接收件可以接收到紅外發(fā)射件發(fā)出的紅外線光束，紅外接收件反饋電信號(hào)給控制器，控制器控制各電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)貨。

二是裝置出貨倉上端設(shè)有輔助下壓部，當(dāng)出貨腔在意外情況下使備用貨物堵塞無法流下時(shí)，輔助下壓部可以向下擠壓備用貨物，使備用貨物順利流下。

三是裝置滑桿外側(cè)套設(shè)有彈簧，使推塊推出后可自動(dòng)回位，實(shí)現(xiàn)推出組件的二次推出。

四是裝置出貨倉左端及托板下端設(shè)有霍爾接近開關(guān)，當(dāng)?shù)谝换魻柦咏_關(guān)和第二霍爾接近開關(guān)接近時(shí)，反饋給信號(hào)發(fā)射器，信號(hào)發(fā)射器傳遞信號(hào)給控制器，控制器停止各電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，防止各電機(jī)的空轉(zhuǎn)影響其壽命。

五是裝置托板內(nèi)置有重量感應(yīng)器，重量感應(yīng)器與控制器具有電性連接，備用貨物的總重可通過重量感應(yīng)器傳遞電信號(hào)給控制器，補(bǔ)貨員通過備用貨物的總重可得知補(bǔ)貨的預(yù)計(jì)時(shí)間和具體備貨數(shù)量。

5 結(jié)束語

無人售貨機(jī)補(bǔ)貨出貨裝置利用紅外感應(yīng)器、重量感應(yīng)器、霍爾開關(guān)及一種輔助下壓部等各種結(jié)構(gòu)，使本裝置能夠自動(dòng)判別具體補(bǔ)貨數(shù)量和補(bǔ)貨時(shí)間等，也能夠自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)貨，還能夠避免在進(jìn)行補(bǔ)貨時(shí)貨物卡住等問題，大大減少了運(yùn)營成本，為自動(dòng)售貨機(jī)的改進(jìn)提供了一種措施，使自動(dòng)售貨機(jī)能更好地發(fā)展和普及。