徐一飛

（東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

一、重型物資物流機(jī)器人硬件現(xiàn)狀分析

物流機(jī)器人主要的種類是自動(dòng)尋徑車，也就是AGV。AGV的主要進(jìn)行一項(xiàng)作業(yè)，三個(gè)動(dòng)作，即搬運(yùn)作業(yè)，移動(dòng)、舉升和放下三個(gè)動(dòng)作。在實(shí)際拆裝兩個(gè)倉(cāng)庫(kù)的機(jī)器人并閱讀了設(shè)計(jì)說明書后，初步得出AGV的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為：主板、動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)，供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)。許多AGV還有許多更加先進(jìn)和復(fù)雜的功能，但是這8個(gè)部分是必不可少的。這里主要分析兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是舉升系統(tǒng)，一個(gè)是識(shí)別系統(tǒng)。AGV的主要部件如下圖所示。

舉升系統(tǒng)常見的主要有三種，分別是齒條式、液壓式、電機(jī)式。本質(zhì)上來說，舉升系統(tǒng)就是自動(dòng)的千斤頂，液壓式曾經(jīng)比較受歡迎，但是由于長(zhǎng)期舉升重型物資，液壓式的舉升系統(tǒng)容易發(fā)生漏油的現(xiàn)象，由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜維修不便，油污難以清理，現(xiàn)在主流的舉升系統(tǒng)是齒條式和電機(jī)式兩種。

AGV結(jié)構(gòu)圖

識(shí)別系統(tǒng)的種類會(huì)隨著路徑的不同而改變，目前主流的有三種：光學(xué)路徑識(shí)別、二維碼路徑識(shí)別、立體路徑識(shí)別。光學(xué)路徑識(shí)別本質(zhì)上就是尋徑車，通過識(shí)別地上顏色不同的線路來尋找路徑，因此識(shí)別方法是通過光學(xué)傳感器。這種識(shí)別方式的特點(diǎn)是路線相對(duì)固定，因此運(yùn)行時(shí)阻礙較少，但是同樣因?yàn)槁肪€固定，占用區(qū)域會(huì)變大，并且當(dāng)物資較多時(shí)，多臺(tái)AGV占用同一通道時(shí)會(huì)產(chǎn)生AGV等待滯留。

二維碼識(shí)別則是可以將整個(gè)AGV運(yùn)行區(qū)域通過二維碼劃分成點(diǎn)，例如橫向縱向每隔3m設(shè)置一個(gè)二維碼，那么一個(gè)15m×15m的區(qū)域就可以劃分為36個(gè)點(diǎn)，因?yàn)槭峭ㄟ^掃描二維碼進(jìn)行定置，所以識(shí)別的方法是通過攝像頭。這種識(shí)別方式的特點(diǎn)是定位精確，而且能夠靈活地改變路線，但是對(duì)識(shí)別能力要求較高，并且隨著路徑規(guī)劃和程序算法的不同，效率會(huì)產(chǎn)生差距。

立體路徑識(shí)別是依賴于RFID技術(shù)的一種識(shí)別方式，適用于層數(shù)不多的立體貨架（層數(shù)較多時(shí)一般使用堆垛機(jī)），貨架本身帶有軌道和升降機(jī)，AGV的軌道和升降機(jī)的軌道上貼有橫向和縱向以及垂直的連續(xù)條形碼，因此識(shí)別方法是RFID掃描器。該識(shí)別方法主要應(yīng)用在四向穿梭車這種AGV上，四向穿梭車可以通過兩組互相垂直的輪子實(shí)現(xiàn)在不同方向的軌道運(yùn)行，因此沒有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但是方向改變必須在橫向軌道和縱向軌道的交匯點(diǎn)，所以該方法一定程度上結(jié)合了前兩種方法的特點(diǎn)，路線較為的固定，但是也會(huì)受到路徑規(guī)劃和程序算法的影響。此外軌道讓該種方法運(yùn)行時(shí)更加迅速平穩(wěn)，立體貨架也使得空間利用率有了較大提升。[1]

在研究對(duì)象為重型物資的環(huán)境下，問題又會(huì)有所不同，首先在運(yùn)行速度上要降速，軌道上的速度優(yōu)勢(shì)將不存在；其次因?yàn)檫\(yùn)行速度降低，會(huì)導(dǎo)致等待時(shí)所浪費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)；再其次在發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)對(duì)齒輪造成更大的負(fù)荷，減少齒輪的使用壽命；最后在轉(zhuǎn)向時(shí)，會(huì)和地上的識(shí)別線或者二維碼等識(shí)別標(biāo)志發(fā)生摩擦，在負(fù)載較高的情況下很容易對(duì)標(biāo)識(shí)造成磨損，影響識(shí)別的準(zhǔn)確性，甚至因無(wú)法識(shí)別導(dǎo)致AGV停滯。

二、重型物資物流機(jī)器人運(yùn)行現(xiàn)狀分析

重型物資物流機(jī)器人受工作環(huán)境影響，首先輪子相對(duì)較小，其一可以限制速度，其二承重能力更強(qiáng)；其次對(duì)運(yùn)行面如地面和軌道等要求較高，因?yàn)橐坏┊a(chǎn)生顛簸，不僅會(huì)損害AGV還會(huì)有很大的安全隱患，雖然有針對(duì)AGV在不平穩(wěn)環(huán)境下的研究[2]，但是重型物資倉(cāng)庫(kù)在建設(shè)時(shí)就不允許這種情況出現(xiàn)；接著有些款式的AGV比如部分背馱式AGV是在貨架或者托盤底部進(jìn)行作業(yè)，那么其面積是小于所搬運(yùn)的物品的，其觀測(cè)預(yù)警區(qū)域只能存在于正前方，如下圖所示。

AGV預(yù)警區(qū)域識(shí)別圖

從上圖也可以看出，預(yù)警區(qū)域并不能完全覆蓋貨架的一邊，實(shí)際的測(cè)試中，當(dāng)人將手或者腳放置在AGV的斜上方，那么AGV空車將無(wú)視近距離有障礙物繼續(xù)前進(jìn)，背著貨架的AGV則并不知道貨架撞上了障礙物繼續(xù)前進(jìn)。雖然自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)在AGV運(yùn)行區(qū)域一般不允許人員進(jìn)入，但是當(dāng)出現(xiàn)有些貨架發(fā)生傾斜或者錯(cuò)位時(shí)，就會(huì)有安全隱患。

接著就是運(yùn)行時(shí)的路線規(guī)劃問題，這里對(duì)路線較為靈活，路徑規(guī)劃比較高的通過二維碼識(shí)別路徑的AGV進(jìn)行分析。首先在倉(cāng)儲(chǔ)或者配送任務(wù)下發(fā)時(shí)，AGV就會(huì)綁定相應(yīng)的任務(wù)，路線也會(huì)一并規(guī)劃完成。這里需要說明一下重型物資的特點(diǎn)，重型物資以電力物資為例，是以建設(shè)的工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)的，那么將會(huì)大概率出現(xiàn)一個(gè)項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的物資批次是在一起的，因此這些物資存儲(chǔ)的位置也都集中在一起，比如有兩個(gè)項(xiàng)目A和B，A項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的物資批次a全部存儲(chǔ)在區(qū)域1，B項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的物資批次b全部存儲(chǔ)在區(qū)域2，a和b所對(duì)應(yīng)的物資完全相同，區(qū)域1在里面，區(qū)域2在外面。由于項(xiàng)目的規(guī)模和建設(shè)時(shí)間都不同，所以出現(xiàn)不同項(xiàng)目同時(shí)需求物資的現(xiàn)象十分正常。但是根據(jù)先入先出的原則，兩個(gè)任務(wù)下達(dá)過后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分配路線，a批次靠前所以優(yōu)先規(guī)劃，但是因?yàn)閍物資在里面，b物資必定在最短路徑上與a出現(xiàn)重合，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)讓運(yùn)送b批次的AGV重新規(guī)劃路線，如果搬運(yùn)b批次的AGV是兩臺(tái)，那么這兩臺(tái)的路徑會(huì)有相當(dāng)大的部分重合，此時(shí)如果兩臺(tái)相遇，那么其中后面一臺(tái)會(huì)因?yàn)榍胺綑z測(cè)到障礙物重新規(guī)劃路線，這就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)現(xiàn)象，路徑距離明明沒有發(fā)生變化，AGV的轉(zhuǎn)向次數(shù)卻大大增加。對(duì)于優(yōu)先級(jí)靠后的AGV，首先其路線不能和靠前的AGV沖突，在順位靠前的AGV故障暫時(shí)無(wú)法運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)也不會(huì)重新分配。其次，對(duì)于同一批次的AGV，因?yàn)槁窂街貜?fù)部分多，相遇是很正常的，當(dāng)方向?qū)儆谕驎r(shí)，后面的AGV會(huì)重新規(guī)劃，而相向時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)兩臺(tái)AGV同時(shí)重新規(guī)劃。最后，當(dāng)任務(wù)較多，路徑無(wú)法在不沖突的前提下規(guī)劃時(shí)，那么就會(huì)出現(xiàn)先完成一個(gè)批次，再執(zhí)行下一批次的情況。如下圖所示。

AGV路徑圖

如果走下面的路線只需要轉(zhuǎn)向一次，而走上面的路線雖然長(zhǎng)度相同但是需要轉(zhuǎn)向七次，前文提到過，轉(zhuǎn)向會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題，一是會(huì)減少齒輪使用壽命，二是會(huì)損害識(shí)別標(biāo)志，尤其是在搬運(yùn)重型物資時(shí)這兩點(diǎn)更加明顯。

三、重型物資物流機(jī)器人改進(jìn)思路

首先是在硬件上的改動(dòng)，這里主要針對(duì)兩點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，其一是固定措施，其二是預(yù)警系統(tǒng)。大多AGV上沒有固定措施，重型物資AGV也是如此，這就進(jìn)一步限制了AGV的運(yùn)行速度。但是重型物資有一個(gè)特點(diǎn)就是帶有大量的金屬元件，而且因?yàn)橘|(zhì)量過大，一般不采用木制托盤而采用鋼制托盤和高強(qiáng)度塑料托盤，無(wú)論是鋼制托盤還是高強(qiáng)度塑料托盤都必定是有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的，因此可以在AGV的舉升面板上安裝凹槽。對(duì)于鋼鐵原件較多的鋼制托盤，可以在舉升面板上安裝電磁開關(guān)，當(dāng)處于舉升狀態(tài)時(shí)開關(guān)通電，面板和托盤將通過磁力進(jìn)行固定。通過固定，一方面可以適當(dāng)提升AGV運(yùn)行速度，另一方面當(dāng)發(fā)生前面敘述的前方有障礙物但是AGV依然繼續(xù)前進(jìn)的情況時(shí)，可以在一定程度上減少損害。此外，還有無(wú)托盤夾抱式AGV的存在，但是對(duì)于重型物資來說，活動(dòng)部件太多會(huì)影響使用壽命，因此不作為優(yōu)先選擇。

對(duì)于預(yù)警系統(tǒng)，已經(jīng)有一些AGV進(jìn)行了改進(jìn)，比如增加攝像頭的數(shù)量等，這里通過手繪列出其中一種，如下圖所示，除了攝像頭外，還會(huì)采用聲吶系統(tǒng)進(jìn)行定位，使得對(duì)障礙物的檢測(cè)范圍更加廣泛。

AGV識(shí)別系統(tǒng)示意圖

但是對(duì)于AGV上面的視野，AGV始終無(wú)法獲得，尤其在上面有物品時(shí)更是無(wú)法對(duì)上面的情況進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)于單個(gè)的AGV想要舉升一個(gè)面積比自身舉升面板還要大的物品時(shí)獲得上方視野是十分困難的，所以對(duì)于預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)AGV能夠一定程度上共享視野，那么將會(huì)減少AGV的視野盲區(qū)，并且盲區(qū)會(huì)隨著同時(shí)運(yùn)行的AGV的數(shù)量的增多而減少。

最后是對(duì)AGV路徑算法上的改動(dòng)。如上文所述，重型物資是和項(xiàng)目掛鉤的，項(xiàng)目自然會(huì)通過招標(biāo)投標(biāo)等過程，因此重型物資生產(chǎn)廠家往往不會(huì)提前生產(chǎn)或者預(yù)備大量庫(kù)存，因?yàn)橐坏┩稑?biāo)不成功將造成大量損失，所以重型物資的倉(cāng)儲(chǔ)和配送不會(huì)像諸如服裝、零食、洗化用品等常見消費(fèi)品那樣，同一天到達(dá)的物品都是同一優(yōu)先級(jí)別。除了上文所說的時(shí)間上的優(yōu)先級(jí)，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)區(qū)域級(jí)別導(dǎo)致的優(yōu)先級(jí)，所以重型物資物流AGV算法考慮的因素要比正常的AGV多許多，并且還有一個(gè)限制就是系統(tǒng)更新和改動(dòng)的速度非常慢，此外會(huì)發(fā)生改動(dòng)，如上面所說的這些框架和優(yōu)先級(jí)也一直沒有發(fā)生過改變，因此AGV的路徑規(guī)劃不能夠改變系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)。所以隨著各方面限制，諸如啟發(fā)式等算法所考慮的許多因素反而不需要考慮，所以這里提出兩種思路，一是改變優(yōu)先級(jí)對(duì)象，二是增加一條路徑。

系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)是無(wú)法改變的，但是系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)是針對(duì)物資的，而對(duì)于AGV有屬于自己獨(dú)立的RCS系統(tǒng)，雖然RCS系統(tǒng)服務(wù)于WCS系統(tǒng)，但是RCS系統(tǒng)可以將AGV的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行改變，例如有10臺(tái)AGV編號(hào)為0-9,0號(hào)機(jī)優(yōu)先級(jí)最高，9號(hào)機(jī)最低，當(dāng)多個(gè)任務(wù)出現(xiàn)時(shí)，RCS系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)低的AGV去執(zhí)行WCS系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，這樣就會(huì)出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)的AGV的路徑先規(guī)劃完成，但是高優(yōu)先級(jí)的AGV可以使用與其相同的路徑，按照上面的A項(xiàng)目與B項(xiàng)目的例子，低優(yōu)先級(jí)的9號(hào)AGV從相對(duì)位置靠?jī)?nèi)的區(qū)域1取出一個(gè)物資，高優(yōu)先級(jí)0號(hào)AGV走同樣的路線從相對(duì)位置靠外的區(qū)域2取出一個(gè)物資，兩車都需要原路返回，那么在靠外的區(qū)域2進(jìn)行作業(yè)的0號(hào)AGV大概率先完成作業(yè)返回，9號(hào)AGV返回時(shí)也不會(huì)遇到障礙，即使遇到了障礙，也是9號(hào)AGV進(jìn)行路徑重新規(guī)劃而不需要0號(hào)AGV放棄最近路線，如下圖所示。

改變RCS優(yōu)先級(jí)后的AGV路徑圖

圖中黑、紅、藍(lán)、綠四種顏色為優(yōu)先級(jí)依次遞減的AGV路徑圖，紫色為優(yōu)先級(jí)不改變時(shí)使用黑色路線的AGV所走的路線。這里可以發(fā)現(xiàn)隨著RCS系統(tǒng)中AGV的優(yōu)先級(jí)增高，AGV路線中的轉(zhuǎn)向次數(shù)將減少，這里顯示的是每一次低優(yōu)先級(jí)的AGV都會(huì)與高優(yōu)先級(jí)的AGV產(chǎn)生沖突的情況，也就是最壞的情況，最理想的情況則是所有的AGV都不產(chǎn)生沖突（所有低優(yōu)先級(jí)AGV返回時(shí)都不會(huì)遇到正在進(jìn)行任務(wù)的高優(yōu)先級(jí)AGV），那么以上圖為例，所有的AGV都可以按照黑色的路線進(jìn)行作業(yè)。但是如果按照現(xiàn)在的算法，所有AGV優(yōu)先級(jí)一樣，路徑規(guī)劃以WCS系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)為準(zhǔn)，那么首先黑色的路線將變成紫色的路線，此外圖中顏色覆蓋的部分將全部進(jìn)行變動(dòng)，轉(zhuǎn)向次數(shù)大大增加，當(dāng)線路無(wú)法出現(xiàn)不重復(fù)的時(shí)候，一些項(xiàng)目的倉(cāng)儲(chǔ)和配送將暫停。[3]

對(duì)于增加一條路徑的方法，實(shí)際上類似于高速公路上的緊急停車道，增加一條路徑作為緊急?？柯窂?。緊急停靠路徑不在系統(tǒng)的路徑規(guī)劃中，這樣系統(tǒng)在規(guī)劃路徑時(shí)就可以無(wú)視重復(fù)路徑，當(dāng)兩個(gè)AGV發(fā)生路徑?jīng)_突時(shí)，任務(wù)批次優(yōu)先級(jí)較低的AGV直接向側(cè)面平移至緊急?？柯窂剑鹊饺蝿?wù)優(yōu)先級(jí)較高的AGV通過后回歸原來的路徑繼續(xù)作業(yè)即可。

四、結(jié)論

對(duì)于重型物資物流機(jī)器人的現(xiàn)狀，整體來說已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)低效率的自動(dòng)化，以作為世界500強(qiáng)前三的國(guó)網(wǎng)為例，其自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)雖然有著一流的設(shè)備但是實(shí)際效率也是不高的，在物資較多時(shí)都是熟練地叉車工進(jìn)行作業(yè)，因?yàn)橐粋€(gè)叉車工從倉(cāng)庫(kù)叉出一個(gè)物資到卡車上大約需要3~5分鐘，而一個(gè)AGV進(jìn)行作業(yè)的話則需要10~15分鐘，因此就出現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，出庫(kù)配送業(yè)務(wù)為了不讓項(xiàng)目工程的卡車等待，全部采用叉車。而AGV包括叉車型AGV只用于將預(yù)約的物資運(yùn)送至周轉(zhuǎn)區(qū)和待運(yùn)區(qū)，以及將待存取的物資運(yùn)送到平置區(qū)或者貨架上，因此自動(dòng)化運(yùn)行的部分主要體現(xiàn)在可以24小時(shí)不間斷地將待存的物資運(yùn)送至存儲(chǔ)區(qū)域。所以如果AGV的運(yùn)行效率能夠提升一倍，那么實(shí)現(xiàn)重型物資物流的完全自動(dòng)化和智能化是可靠的，而影響AGV運(yùn)行效率的主要原因不在AGV硬件而在于系統(tǒng)對(duì)AGV的運(yùn)行限制。