后疫情時代“門對門”無接觸式物資配送與消殺一體機設(shè)計及研究

摘" 要：后疫情時代的物資配送需求對我國B2C的物流配送及社區(qū)管理模式提出重大考驗，對“平”“疫”結(jié)合的無接觸配送機器人的需求迫在眉睫。該項目團隊設(shè)計研發(fā)一種能實現(xiàn)“門到門”物資配送與消殺一體化的自動化機械。重點研究實現(xiàn)物資存取的機械結(jié)構(gòu)，可適用于平坦道路和樓梯的行走機構(gòu)以及視覺智能識別方案，以實現(xiàn)社區(qū)內(nèi)道路行走、自動上下樓及智能身份識別、物資自動取出與自體消殺等，做到各機構(gòu)運行合理且無干涉，為無人化配送向自動化、智能化發(fā)展提供思路。

關(guān)鍵詞：門對門；無接觸式物資配送；自動消殺；樓梯爬升車架；多層旋轉(zhuǎn)梳齒式存取貨架

中圖分類號：TN249" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0035-04

Abstract： The demand of material distribution in the post-epidemic era has posed a major test to the logistics distribution and community management model of B2C in China， and the demand for contactless distribution robot with the combination of \"flat\" and \"epidemic\" is extremely urgent. The project team designs and develops a kind of automatic machinery which can realize the integration of door-to-door material distribution and automatic disinfection and sterilization. This paper focuses on the mechanical structure to realize the access of materials， which can be applied to the walking mechanism of flat roads and stairs and the scheme of visual intelligent identification. In order to achieve road walking in the community， automatic going up and down stairs， intelligent identification， automatic material extraction and automatic disinfection and sterilization， etc.， so that various institutions operate reasonably and without interference， and provide ideas for the development of unmanned distribution to automation and intelligence.

Keywords： door-to-door; contactless material distribution; automatic disinfection and sterilization; stair climbing frame; multi-layer rotary comb access shelf

2020年新型冠狀病毒感染疫情爆發(fā)，對我國傳統(tǒng)的B2C物流配送模式造成巨大沖擊，面對隔離社區(qū)基本生活必需品和醫(yī)療物資的需求壓力，城市“最后一公里”配送暴露了其諸多的痛點——配送效率低下、安全隱患較高、服務(wù)水平不一、人員配備不足和存在交叉感染風(fēng)險等。但也為新興的“無接觸配送”帶來了商機。然而，后疫情時代“無接觸配送”服務(wù)也面臨發(fā)展的問題，比如由于消費者“懶人經(jīng)濟”的影響。用戶通常希望能送貨上門，而“無接觸配送”服務(wù)模式下，送到社區(qū)門口、公司前臺還是自取柜都一定程度上降低了用戶體驗。再如，高風(fēng)險等級的隔離社區(qū)?？爝f柜取貨的方式在某些高層住宅小區(qū)，會引起高頻的上下樓活動，電梯的定期消毒也不能完全阻隔病毒的傳播，因此不能完全適用。

1" 無接觸式物資配送與消殺一體機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1" 整體架構(gòu)

無接觸式配送與消殺一體機機械結(jié)構(gòu)包括樓梯爬升底盤與車架、多層旋轉(zhuǎn)梳齒式全自動存取廂柜、出入貨門禁、自動消殺機構(gòu)。將行駛、上下樓、取貨及消殺等多功能合而為一，其整體機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2" 樓梯爬升底盤與車架

本設(shè)計需要完成平地行駛、樓梯爬升與窄小樓梯間轉(zhuǎn)彎等精細動作。為滿足這些功能，將底盤與車架用鋁型材設(shè)計為框架式結(jié)構(gòu)，包括全方向行走底盤和雙提升車架2個部分，如圖2所示。

全方向行走底盤下方安裝4個麥克納姆輪，除了能實現(xiàn)機器人在平坦路面的前進后退與轉(zhuǎn)彎，也可實現(xiàn)機器人在窄小樓梯間原地掉頭，行動較普通橡膠輪底盤更為靈活。

車架由雙提升架體、提升電機、鏈條、上下固定架、驅(qū)動輪與從動輪系組成。工作時，1號提升電機轉(zhuǎn)動、鏈輪帶動鏈條將前方提升架體提升起到達臺階高度，提升架體前方安裝的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，將車體向前移動，底盤向前；2號提升電機轉(zhuǎn)動帶動鏈條將箱體提升至臺階高度后，驅(qū)動輪再次前進到臺階頂壁，收回提升架，向前行進。如此往復(fù)循環(huán)，即可完成樓梯的攀升，由于爬升過程中，貨箱體保持水平，因而不會出現(xiàn)貨物的傾倒情況。

1.3" 多層旋轉(zhuǎn)梳齒式全自動存取廂柜

物資配送與消殺一體機的快件箱柜是機器人運輸過程中裝載貨物的載體，其結(jié)構(gòu)設(shè)計在很大程度上對機器人配送量和安全性能有很大的影響。本文所設(shè)計的物資配送與消殺一體機考慮到需要在樓梯間行走，因此快遞箱柜容納量有限，取貨口唯一且安全。

快遞箱柜能夠?qū)崿F(xiàn)快遞件合理存放、快件選取/傳送裝置結(jié)構(gòu)緊湊和取件口便于控制等目標，以滿足存儲空間利用率高、貨物破損率低、易于實現(xiàn)自動控制和保證快遞件安全等要求。為了保證機器人整體的穩(wěn)定性，快遞箱柜包括3部分，分別是箱體、多層旋轉(zhuǎn)梳齒式貨架、貨物選取/傳送裝置。

多層旋轉(zhuǎn)梳齒式貨架共有三層梳齒結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。中部立柱起支撐作用，每一層機械結(jié)構(gòu)相同，由1個直角減速電機帶動齒輪旋轉(zhuǎn)齒輪環(huán)，齒輪環(huán)外安裝有3個梳齒型貨架，本設(shè)計主要以配送小型快件為主，主要針對塑料袋包裝、紙袋包裝和小型紙箱包裝。每個快件以梳齒式托盤為承載體，具有一個單獨的存儲空間，有效避免了貨物因擠壓碰撞而發(fā)生損壞的情況。

貨物選取/傳送裝置由立柱，絲桿，電機、滑塊和梳齒取貨架等組成，如圖4所示。用戶掃碼驗證身份取貨時，梳齒貨架旋轉(zhuǎn)，將貨物由存貨位旋轉(zhuǎn)至取貨位后，梳齒取貨架自底部向上運動，通過取貨位時，梳齒交錯而過，將貨物轉(zhuǎn)移到取貨架上，取貨架提升到絲桿頂部，取貨倉門打開，用戶取出貨物后，取貨架復(fù)位。

1.4" 出入貨門禁設(shè)計

出入貨物門禁包括管理員入貨門禁和用戶取貨門禁。管理員入貨門禁由導(dǎo)輪、滑軌、皮帶、門板、門板固定件、電機和指紋驗證模塊組成，如圖5所示。需要將物資放進貨箱時，管理員在指紋驗證模塊處錄入指紋進行驗證無誤后，門板將自動打開，管理員將貨物擺入貨架后，再次驗證指紋，安全門自動閉合。

用戶取貨門禁的設(shè)計理念取自相機光圈，采用六葉片收縮式開合結(jié)構(gòu)，如圖6所示。由出貨板、內(nèi)聯(lián)板、六葉片、外齒環(huán)、驅(qū)動齒輪與電機等部分組成。當(dāng)用戶取貨時，電機驅(qū)動齒輪帶動外齒環(huán)轉(zhuǎn)動，六葉片可以沿著內(nèi)聯(lián)板上的滑槽滑動，完成出貨口的打開與關(guān)閉動作。

1.5" 自動消殺機構(gòu)

物資配送與消殺一體機可工作在小區(qū)、學(xué)校等較為封閉的室外或室內(nèi)環(huán)境，公共設(shè)施的衛(wèi)生問題至關(guān)重要。在配送貨物時，物資箱的出貨口是各類人員高頻率接觸的公共區(qū)域，交叉感染的概率較高，如果僅依靠送貨完畢后工作人員擦拭消毒，無法達到降低傳染風(fēng)險的效果，因此需要開發(fā)物資配送車的自動噴灑酒精消毒功能。降低作業(yè)強度，提升消毒的效果和效率。

本設(shè)計在快遞箱體上帶有消毒機構(gòu)，規(guī)劃配備藥箱、自動酒精霧化噴嘴并對藥箱容量的實時監(jiān)測功能，如圖7所示，通過液壓裝置將酒精抽出并噴灑而出，每出貨一次即完成對出貨口的一次消毒，當(dāng)消毒酒精消耗殆盡時通過信息交互控制機器人回樁加液。

2" 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2.1" 整體架構(gòu)

本設(shè)計方案基于Torobot藍牙模塊、中央控制器Raspberry Pi Ⅲ和舵機驅(qū)動板，分為運動驅(qū)動控制模塊、攝像功能模塊、動力源模塊、二維碼與指紋識別模塊。其中行走與爬樓功能模塊主要由控制板與驅(qū)動組成，用以控制配送機器人的運動及爬升；攝像功能模塊由一個攝像云臺和視頻傳輸裝置組成，實現(xiàn)攝像與圖像分析；二維碼與指紋識別模塊負責(zé)驗證工作人員和客戶；能源動力模塊則負責(zé)給運動模塊和攝像模塊提供能源。

2.2" 路徑規(guī)劃模塊設(shè)計

路線規(guī)劃是由感知模塊和控制模塊2部分構(gòu)成。感知模塊利用紅外避障傳感器和攝像頭來監(jiān)測小車周邊環(huán)境及樓梯、路牌與樓棟文字等信息的采集。紅外線避障傳感器用于檢測障礙物并避讓，紅外傳感器的電路路徑規(guī)則如圖8所示。攝像頭用于采集周邊環(huán)境，同時進行路牌的文字識別，二者結(jié)合一起將對應(yīng)的路況信息傳送到遠程后端，作為行車路線規(guī)劃的依據(jù)。再利用GPR確定小車自身所處的位置。

2.3" 工作人員指紋識別授權(quán)模塊設(shè)計

本設(shè)計中貨物裝箱門禁需要工作人員授權(quán)方可開啟，系統(tǒng)中利用采集工作人員生物樣本——指紋的方式完成授權(quán)。主控單元的操作系統(tǒng)選擇上，采用較新的CentOS7 for ARM（Linux的一個分支系統(tǒng)）。該系統(tǒng)和中央控制器Raspberry Pi Ⅲ的硬件十分契合，可以最大限度發(fā)揮中央控制器的功用。本系統(tǒng)使用了Raspberry Pi Ⅲ上的以太網(wǎng)口用于保障和服務(wù)器端的通信，指紋模塊通過一根TTL轉(zhuǎn)USB 線接在Raspberry Pi Ⅲ的USB口上。Raspberry Pi Ⅲ通過GPIO口輸出控制信號，本系統(tǒng)只使用了21/22/23/24/25號針腳，發(fā)出的是3.3V的控制信號。

2.4" 用戶二維碼識別模塊

本設(shè)計中所用的二維碼為Python制作的，可以將文本或網(wǎng)址生成簡單的二維碼或者帶有l(wèi)ogo的二維碼。本設(shè)計通過程序調(diào)用攝像頭模塊，需要在RaspberryPi Ⅲ終端輸入sudoraspi-config，完成對攝像頭的使能，系統(tǒng)主程序即可識別并調(diào)用攝像頭，在搭建的OpenCV視覺庫中完成對二維碼的準確識別以及解碼操作，識別模塊程序設(shè)計流程如圖9所示。

2.5" 語音提示模塊

為降低交叉感染的概率，同時提升智能物資配送機器人智能化程度，需要具備語音播報功能，以語音形式報告機器人工作狀態(tài)和外部信息，減少操作人員和用戶與機器人的接觸機會。

所選擇語音識別模塊最多可以設(shè)計50條語音內(nèi)容，可將每一條語音內(nèi)容轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)，MCU在接收到數(shù)據(jù)后，借助IO口、通信接口等來驅(qū)動電路。

為降低外界噪音對語音識別模塊的干擾，將語音識別模塊工作模式設(shè)計為每發(fā)一次指令需喚醒一次，避免產(chǎn)生語音誤判，提升機器人穩(wěn)定性。

為提升數(shù)據(jù)傳輸安全，使機器人穩(wěn)定高效工作，將串口傳輸數(shù)據(jù)格式設(shè)計為幀頭、有效數(shù)據(jù)及幀尾，每一幀數(shù)據(jù)都代表一條指令，完成指定功能，將操作人員指令轉(zhuǎn)換為機器人執(zhí)行特定功能。數(shù)據(jù)格式內(nèi)容見表1，共設(shè)計了11條語音條目。主要包括喚醒語音條目、工作模式切換語音條目和指令語音條目。

3" 結(jié)束語

本文應(yīng)對后疫情時代社區(qū)用戶對物資配送的要求，結(jié)合現(xiàn)有無人配送設(shè)備存在的缺陷，設(shè)計和研發(fā)了一種可實現(xiàn)門對門配送的無人物資配送機器人，此系統(tǒng)所具有2個對稱且獨立的提升、下降支撐輪腿，如同2條手臂，配合底盤上的麥克納姆輪動作，可以實現(xiàn)小區(qū)平地行駛、上下樓梯時車體的平穩(wěn)抬起、樓梯間窄小空間的原地轉(zhuǎn)彎等，既能保證配送機器人的地形適應(yīng)能力，同時也能確保行進速度和載物能力。車體中設(shè)計了一款多層旋轉(zhuǎn)梳齒式全自動存取貨物架，配合指紋識別系統(tǒng)實現(xiàn)管理員將貨物自動存入；配合二維碼識別系統(tǒng)可實現(xiàn)用戶貨物自動取出。并結(jié)合防疫需求，設(shè)計自動消殺系統(tǒng)，在每次取貨完畢后對準去活口噴頭自動噴出酒精，干凈衛(wèi)生，具有較高的理論研究意義和實際應(yīng)用價值。

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