黃明杰，金桂根，崔普遠，黎金寶

（云南財經(jīng)大學 物流學院，云南 昆明 650221）

1 引言

隨著“中國制造2025”規(guī)劃的實施，制造業(yè)物流倉儲迅速發(fā)展，各企業(yè)倉儲規(guī)模不斷擴張，因此，開發(fā)具有高空間利用率及作業(yè)效率的密集倉儲系統(tǒng)已然是核心目標。而作為前者的重要載體，倉儲移動機器人在提高貨物運轉(zhuǎn)效率、降低人力成本方面效果顯著。因此，穿梭車系統(tǒng)及移動機器人作業(yè)高效性受到廣泛關(guān)注。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近十年來多層穿梭車系統(tǒng)在密集倉儲中得到快速發(fā)展和應(yīng)用。2015年，DEMATIC研發(fā)出DEMATIC II代小車，行駛速度達3m/s，采用雙深位抱夾貨叉，能夠?qū)崿F(xiàn)遠端料箱的存取，與控制系統(tǒng)、提升機組合建立起的RapidPcik?系統(tǒng)，揀選速度達到1 400次/h[1]。TGW公司的STINGRAY貨架系統(tǒng)長25m，巷道長100m，可直接處理各種尺寸的存儲物料，無需額外的裝載設(shè)備，最大程度減少了工藝流程成本和交貨時間，該系統(tǒng)也可以在-30°C的冷藏倉庫中使用[2]。SWISSLOG公司的Cyclone Carrier箱式穿梭車系統(tǒng)，單條巷道每小時的出入庫能力高達1 000箱，可用于電子商務(wù)、制藥和生鮮食品以及-45°C密集存儲等行業(yè)[3]。VANDERLANDE公司的四向雙深位的小車ADAPTO，從理論層面看僅需要單臺車就能夠?qū)崿F(xiàn)貨架區(qū)域內(nèi)全空間存儲。

國內(nèi)企業(yè)在近年來更多以托盤式穿梭板車為發(fā)展重心。2015年，在CEMAT展會上，有展示多種不同的穿梭車技術(shù)及產(chǎn)品，多為OEM產(chǎn)品，呈現(xiàn)群雄逐鹿的場景。穿梭車方面，多數(shù)實現(xiàn)了雙向小車，并有部分規(guī)模應(yīng)用。但受限于多車的調(diào)度算法，四向穿梭車領(lǐng)域依然是外企占據(jù)優(yōu)勢，系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究也缺乏理論支持，更多以標準PLC產(chǎn)品作為小車的控制部件。企業(yè)在車體結(jié)構(gòu)上進行了相關(guān)設(shè)計，但未進行全面的驗算，譬如：維修平臺的設(shè)置、系統(tǒng)安防措施等，大部分產(chǎn)品因?qū)ω浳粌Υ媪康倪^多追求，而使得防護措施及維修部件等減少，導(dǎo)致后續(xù)需要承擔較高的運維成本。

3 穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)布局及作業(yè)流程

3.1 密集倉儲系統(tǒng)概述

穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)是瑞典EAB率先研發(fā)出的，其原理是由升降機與穿梭車進行配合作業(yè)，并與倉庫管理系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)貨物的出入庫。此系統(tǒng)無需設(shè)置叉車通道，因而空間利用率可達85%，成為應(yīng)用廣泛的新型物流倉儲系統(tǒng)[4]。在具有同等存儲貨位數(shù)的條件下，相比一般的存儲倉庫，密集存儲倉庫有著眾多優(yōu)點，譬如:占地面積小、造價低、空間利用率高等。在穿梭車式系統(tǒng)中，穿梭小車是核心，用來進行貨物的存取。小車的應(yīng)用，使得堆垛機的載貨臺被取代，且能夠?qū)崿F(xiàn)獨立運行，那么同層平面的物品存取就可快速實現(xiàn)。在貨架系統(tǒng)的端部，安裝有提升機，使得小車在垂直方向面臨的移動障礙得以解決，也就是對堆垛機運行流程進行了分解。

3.2 子母穿梭車

3.2.1 系統(tǒng)布局。作為智能型搬運設(shè)備，子母穿梭車具有眾多優(yōu)點，譬如:運行速率高、質(zhì)量小、定位精度高等。子母穿梭車更多是與立體倉庫內(nèi)的各類設(shè)備配合，譬如:緩沖站、穿梭車提升機等，在水平層面上實現(xiàn)高密度倉儲貨物的運輸。在主軌道上，穿梭車子車由母車載著移動；在貨車存儲通道上，穿梭車子車能夠運行并存取貨物；在以上兩通道或軌道上的交叉口，母車與子車實現(xiàn)接駁。以密集倉儲系統(tǒng)為存儲單元，I/O站點為原點，分別以母車運行、子車運行、升降機垂直運行方向（貨架排、貨架列、貨架層）為X軸、Y軸、Z軸，建立坐標系。子母穿梭車系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 子母穿梭車系統(tǒng)示意圖

3.2.2 系統(tǒng)作業(yè)流程。子母穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)有多種不同的作業(yè)模式，譬如:跨層作業(yè)、出入庫復(fù)合作業(yè)、單一出庫或入庫作業(yè)等。其中，單一作業(yè)模式是在出入庫指令的指示下，系統(tǒng)依訂單信息對貨物出入庫貨位予以確認，然后向設(shè)備發(fā)布操作指令，升降機將字母穿梭車提升到對應(yīng)層I/O點，由子車運送或存取相應(yīng)貨位的貨物后搭載母車將貨物運送到指定位置。出入庫復(fù)合作業(yè)是在出入庫指令的指示下，系統(tǒng)對出入庫作業(yè)任務(wù)實施優(yōu)化配對，進而向設(shè)備發(fā)布操作指令，在單次作業(yè)周期內(nèi)實現(xiàn)一個出庫與一個入庫任務(wù)的作業(yè)，也就是雙倍命令周期（DCC）?？鐚幼鳂I(yè)模式是在DCC模式下結(jié)合存貨層存在穿梭車與否及貨物的存取操作在同一層與否，對穿梭車是否需要進行換層作業(yè)進行判定，根據(jù)待入庫和出庫貨物是否位于同一層，以及該層是否有穿梭車可分為不同的作業(yè)子模式。具體如圖2所示。

圖2 子母穿梭車密集倉儲系統(tǒng)復(fù)合作業(yè)流程圖

3.3 四向穿梭車

3.3.1 系統(tǒng)布局。四向穿梭車是一種自動化搬運設(shè)備，適用于高密度倉儲貨架。在貨架上，僅需要鋪設(shè)橫向與縱向軌道，只使用一臺穿梭車，并與執(zhí)行換層操作的提升機配合，就能夠?qū)崿F(xiàn)貨物在水平與垂直方向的存取操作，能夠大幅度提升系統(tǒng)的自動化水平。經(jīng)倉庫控制系統(tǒng)（WCS）的調(diào)控，并與提升機配合，能夠行進至任一巷道，提取任何貨位的貨物。配有升降機的四向穿梭車密集倉儲系統(tǒng)以托盤為存儲單元，以I/O站點為原點，分別以穿梭車存儲巷道運行、穿梭車主通道運行、升降機垂直運行方向（貨架排、貨架列、貨架層）為X軸、Y軸、Z軸，建立坐標系。如圖3所示。

3.3.2 系統(tǒng)作業(yè)流程。四向穿梭車密集倉儲系統(tǒng)的作業(yè)形式總的來說與子母穿梭車類似，但四向穿梭車存取貨都是獨立的，比子母穿梭車減少了釋放子車的環(huán)節(jié)，使得整體作業(yè)效率更高。在跨層穿梭車系統(tǒng)運作模式下，與貨架層數(shù)相比較，穿梭車數(shù)量更少。在提升機的配合下，穿梭車能夠進行跨層運動，可運行至貨架的不同層，執(zhí)行跨層任務(wù)。在跨巷道通道上，四向穿梭車與出入庫緩存站臺進行庫存箱的交接。因出入庫站臺與環(huán)形輸送線相連接，執(zhí)行入庫任務(wù)時，四向穿梭車經(jīng)環(huán)形輸送線可直接行進至目標貨位相應(yīng)巷道，無需在載貨后變換巷道；執(zhí)行出庫任務(wù)時，四向穿梭車經(jīng)環(huán)形輸送線可直接行進至任一揀選站臺，然后運輸貨物至一層，同樣無需再進行巷道變換。具體如圖4所示。

圖3 四向穿梭車系統(tǒng)示意圖

3.4 子母穿梭車與四向穿梭車系統(tǒng)對比

子母穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)（SC-CS/RS）與四向穿梭車式密集倉儲系統(tǒng)（FS-CS/RS）是兩種新型的自動化立體倉庫，近年被廣泛應(yīng)用到物流倉儲領(lǐng)域，兩者之間存在相似點，也存在不同點，需要設(shè)計者結(jié)合企業(yè)的實際需求作出科學選擇。兩者的對比見表1。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢—分離式三維存取搬運一體化機器人

目前密集型倉儲系統(tǒng)中的存取貨設(shè)備都需要與提升機配合。在多層穿梭車系統(tǒng)中，有使用到兩種不同的提升機：載車提升機、箱式提升機，兩者存在的瓶頸是提升速度不足。傳統(tǒng)的穿梭車用于存取貨時需要配合提升機，輸送線和地面AGV共同實現(xiàn)整個運輸作業(yè)流程，且無法在地面進行遠距離運輸。新型存取運輸一體化機器人在存取貨時不需要借助提升機即可進行三維行走，且在地面可通過導(dǎo)引和調(diào)度策略搬運貨物。

表1 子母穿梭車系統(tǒng)與四向穿梭車系統(tǒng)對比

4.1 攀爬貨架—BionicHive機器人

4.1.1 外觀。較為常見的倉儲機器人或者類Kiva機器人大多是圓形餅狀或方形平臺。而Bionichive機器人是由2個大輪、2個小輪和1個載貨平臺組成。側(cè)面看像推車，一個車頭拖著一個平臺。前車輪大，后車輪小，該設(shè)計主要是為了在執(zhí)行攀爬作業(yè)時減輕自身重力的影響。

4.1.2 移動方式—“行走＋攀爬”。其他單一功能的攀爬式AGV和多層穿梭車都只能穿行在貨架內(nèi)，需要依靠巷道內(nèi)的軌道或兩側(cè)貨架作為支撐移動，而Bionichive機器人在貨架最外沿憑借單個軌道就可以實現(xiàn)既能在地面像普通AGV一樣萬向移動，還能實現(xiàn)直接從地面“爬”上貨架取貨的“行走+攀爬”移動方式。

4.1.3 揀貨方式—機械手。由于具有攀爬和行走的雙重移動方式，BionicHive機器人可以在任何高度進行揀選，并且能將貨物帶到倉庫任何地方。它行走的軌道可安裝在貨架上，在現(xiàn)有倉庫基礎(chǔ)設(shè)施上安裝單軌供機器人攀爬即可。機器人同時具有三維運動能力，能將采摘面從地板延伸到天花板。機器人配備有小型機械臂，機械臂依靠吸盤吸取貨物。機器人接收訂單，攀爬至貨架，用機械臂上的吸盤直接將貨物平移到機器人的載貨平臺上，然后返回地面。

圖4 四向穿梭車作業(yè)流程

4.2 無軌存取—Skypod機器人

4.2.1 組成模塊。整個系統(tǒng)由三個主要模塊組成：倉儲機器人Skypod、貨架、站點，如圖5所示。貨架中的貨物存放在高度20-30cm的標準盒子中，貨架高度可達10m。貨架外側(cè)裝有特制的滑軌可供機器人在貨架的垂直方向移動，機器人直接在貨架上進行三維移動搬運儲物盒子，并將物料搬運到人工站臺由人工進行其余揀選作業(yè)。借助AI和數(shù)據(jù)運算使Skypod非常靈活，Skypod通過WiFi通信，支持1 000臺組網(wǎng)，可以根據(jù)倉儲規(guī)模和搬運頻次，靈活擴充機器人和貨架數(shù)量。

圖5 倉儲機器人Skypod組成模塊

4.2.2 移動方式。常規(guī)穿梭小車作業(yè)時是在固定軌道上運行，將貨物運送到指定地點，屬于接駁設(shè)備。但Skypod機器人既能在貨架上運行，并從其中的某一層中取出貨物搬運，又可直接在地面移動，輸送包裹到指定站臺，實現(xiàn)貨到人的作業(yè)模式。Skypod將取到的貨物運送到固定站點，工作人員取走貨物，持續(xù)循環(huán)，整體作業(yè)效率高于行業(yè)標準4-5倍。在以優(yōu)化算法為基礎(chǔ)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)的調(diào)控下，能夠以10km/h的速度在三維空間自由移動并實現(xiàn)立體存儲。通過內(nèi)置的激光掃描儀導(dǎo)航功能可在倉庫精準定位，每小時可分揀400個產(chǎn)品，且無需配備傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)需使用到的輸送線與提升機，使得設(shè)備投入大幅度縮減，并實現(xiàn)更為自由、靈活的運動。

4.2.3 揀貨方式。在此系統(tǒng)中，借助一定數(shù)量機器人的協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)了揀貨的自動化。揀貨方式有以下兩種:并行揀貨、串行揀貨。在串行揀貨方式中，是以系統(tǒng)訂單為單位，機器人依訂單進行揀選，在貨架區(qū)域內(nèi)，機器人以訂單需求為參照，遵循固定的S形路線行進并進行貨物的揀選，適用于大批量訂單。并行揀貨方式中系統(tǒng)對多個訂單進行批量處理，遵循一定規(guī)則對揀選任務(wù)進行分類，然后分配給不同的機器人具體操作，適用于品種多、批量小的訂單，可使得揀選路徑簡短，實現(xiàn)揀選效率的提升。具體如圖6所示。

圖6 揀貨模式簡圖

5 結(jié)語

多層穿梭車系統(tǒng)的發(fā)展，能夠由軌道小車的演進得到部分表征，由平面至空中，由直軌至彎道，最終在大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的驅(qū)動下，脫離有形軌道的限制，進入自由運動空間。軌道小車的發(fā)展從水平直道，到垂直直道、彎道、無軌，已經(jīng)都有所涉足。集存取搬運為一體的新型機器人密集型倉儲系統(tǒng)不僅可以獨立在貨架中三維行走，且可以在地面進行搬運，配合機械手可實現(xiàn)自動揀貨，更好地適應(yīng)不斷增加的分揀與配送的需求。同時，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，未來的機器人系統(tǒng)將實現(xiàn)更高效率的存取作業(yè)方式。