黃明杰，金桂根，崔普遠(yuǎn)，黎金寶

（云南財(cái)經(jīng)大學(xué) 物流學(xué)院，云南 昆明 650221）

1 引言

隨著“中國(guó)制造2025”規(guī)劃的實(shí)施，制造業(yè)物流倉(cāng)儲(chǔ)迅速發(fā)展，各企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)規(guī)模不斷擴(kuò)張，因此，開(kāi)發(fā)具有高空間利用率及作業(yè)效率的密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)已然是核心目標(biāo)。而作為前者的重要載體，倉(cāng)儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人在提高貨物運(yùn)轉(zhuǎn)效率、降低人力成本方面效果顯著。因此，穿梭車(chē)系統(tǒng)及移動(dòng)機(jī)器人作業(yè)高效性受到廣泛關(guān)注。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近十年來(lái)多層穿梭車(chē)系統(tǒng)在密集倉(cāng)儲(chǔ)中得到快速發(fā)展和應(yīng)用。2015年，DEMATIC研發(fā)出DEMATIC II代小車(chē)，行駛速度達(dá)3m/s，采用雙深位抱夾貨叉，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端料箱的存取，與控制系統(tǒng)、提升機(jī)組合建立起的RapidPcik?系統(tǒng)，揀選速度達(dá)到1 400次/h[1]。TGW公司的STINGRAY貨架系統(tǒng)長(zhǎng)25m，巷道長(zhǎng)100m，可直接處理各種尺寸的存儲(chǔ)物料，無(wú)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(shí)間，該系統(tǒng)也可以在-30°C的冷藏倉(cāng)庫(kù)中使用[2]。SWISSLOG公司的Cyclone Carrier箱式穿梭車(chē)系統(tǒng)，單條巷道每小時(shí)的出入庫(kù)能力高達(dá)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(chǔ)等行業(yè)[3]。VANDERLANDE公司的四向雙深位的小車(chē)ADAPTO，從理論層面看僅需要單臺(tái)車(chē)就能夠?qū)崿F(xiàn)貨架區(qū)域內(nèi)全空間存儲(chǔ)。

國(guó)內(nèi)企業(yè)在近年來(lái)更多以托盤(pán)式穿梭板車(chē)為發(fā)展重心。2015年，在CEMAT展會(huì)上，有展示多種不同的穿梭車(chē)技術(shù)及產(chǎn)品，多為OEM產(chǎn)品，呈現(xiàn)群雄逐鹿的場(chǎng)景。穿梭車(chē)方面，多數(shù)實(shí)現(xiàn)了雙向小車(chē)，并有部分規(guī)模應(yīng)用。但受限于多車(chē)的調(diào)度算法，四向穿梭車(chē)領(lǐng)域依然是外企占據(jù)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究也缺乏理論支持，更多以標(biāo)準(zhǔn)PLC產(chǎn)品作為小車(chē)的控制部件。企業(yè)在車(chē)體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，但未進(jìn)行全面的驗(yàn)算，譬如：維修平臺(tái)的設(shè)置、系統(tǒng)安防措施等，大部分產(chǎn)品因?qū)ω浳粌?chǔ)存量的過(guò)多追求，而使得防護(hù)措施及維修部件等減少，導(dǎo)致后續(xù)需要承擔(dān)較高的運(yùn)維成本。

3 穿梭車(chē)式密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)布局及作業(yè)流程

3.1 密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)概述

穿梭車(chē)式密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)是瑞典EAB率先研發(fā)出的，其原理是由升降機(jī)與穿梭車(chē)進(jìn)行配合作業(yè)，并與倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)貨物的出入庫(kù)。此系統(tǒng)無(wú)需設(shè)置叉車(chē)通道，因而空間利用率可達(dá)85%，成為應(yīng)用廣泛的新型物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)[4]。在具有同等存儲(chǔ)貨位數(shù)的條件下，相比一般的存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)，密集存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)有著眾多優(yōu)點(diǎn)，譬如:占地面積小、造價(jià)低、空間利用率高等。在穿梭車(chē)式系統(tǒng)中，穿梭小車(chē)是核心，用來(lái)進(jìn)行貨物的存取。小車(chē)的應(yīng)用，使得堆垛機(jī)的載貨臺(tái)被取代，且能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，那么同層平面的物品存取就可快速實(shí)現(xiàn)。在貨架系統(tǒng)的端部，安裝有提升機(jī)，使得小車(chē)在垂直方向面臨的移動(dòng)障礙得以解決，也就是對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)行流程進(jìn)行了分解。

3.2 子母穿梭車(chē)

3.2.1 系統(tǒng)布局。作為智能型搬運(yùn)設(shè)備，子母穿梭車(chē)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，譬如:運(yùn)行速率高、質(zhì)量小、定位精度高等。子母穿梭車(chē)更多是與立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的各類(lèi)設(shè)備配合，譬如:緩沖站、穿梭車(chē)提升機(jī)等，在水平層面上實(shí)現(xiàn)高密度倉(cāng)儲(chǔ)貨物的運(yùn)輸。在主軌道上，穿梭車(chē)子車(chē)由母車(chē)載著移動(dòng)；在貨車(chē)存儲(chǔ)通道上，穿梭車(chē)子車(chē)能夠運(yùn)行并存取貨物；在以上兩通道或軌道上的交叉口，母車(chē)與子車(chē)實(shí)現(xiàn)接駁。以密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)為存儲(chǔ)單元，I/O站點(diǎn)為原點(diǎn)，分別以母車(chē)運(yùn)行、子車(chē)運(yùn)行、升降機(jī)垂直運(yùn)行方向（貨架排、貨架列、貨架層）為X軸、Y軸、Z軸，建立坐標(biāo)系。子母穿梭車(chē)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 子母穿梭車(chē)系統(tǒng)示意圖

3.2.2 系統(tǒng)作業(yè)流程。子母穿梭車(chē)式密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)有多種不同的作業(yè)模式，譬如:跨層作業(yè)、出入庫(kù)復(fù)合作業(yè)、單一出庫(kù)或入庫(kù)作業(yè)等。其中，單一作業(yè)模式是在出入庫(kù)指令的指示下，系統(tǒng)依訂單信息對(duì)貨物出入庫(kù)貨位予以確認(rèn)，然后向設(shè)備發(fā)布操作指令，升降機(jī)將字母穿梭車(chē)提升到對(duì)應(yīng)層I/O點(diǎn)，由子車(chē)運(yùn)送或存取相應(yīng)貨位的貨物后搭載母車(chē)將貨物運(yùn)送到指定位置。出入庫(kù)復(fù)合作業(yè)是在出入庫(kù)指令的指示下，系統(tǒng)對(duì)出入庫(kù)作業(yè)任務(wù)實(shí)施優(yōu)化配對(duì)，進(jìn)而向設(shè)備發(fā)布操作指令，在單次作業(yè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)出庫(kù)與一個(gè)入庫(kù)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(chē)與否及貨物的存取操作在同一層與否，對(duì)穿梭車(chē)是否需要進(jìn)行換層作業(yè)進(jìn)行判定，根據(jù)待入庫(kù)和出庫(kù)貨物是否位于同一層，以及該層是否有穿梭車(chē)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(chē)密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)復(fù)合作業(yè)流程圖

3.3 四向穿梭車(chē)

3.3.1 系統(tǒng)布局。四向穿梭車(chē)是一種自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備，適用于高密度倉(cāng)儲(chǔ)貨架。在貨架上，僅需要鋪設(shè)橫向與縱向軌道，只使用一臺(tái)穿梭車(chē)，并與執(zhí)行換層操作的提升機(jī)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(dòng)化水平。經(jīng)倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（WCS）的調(diào)控，并與提升機(jī)配合，能夠行進(jìn)至任一巷道，提取任何貨位的貨物。配有升降機(jī)的四向穿梭車(chē)密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)以托盤(pán)為存儲(chǔ)單元，以I/O站點(diǎn)為原點(diǎn)，分別以穿梭車(chē)存儲(chǔ)巷道運(yùn)行、穿梭車(chē)主通道運(yùn)行、升降機(jī)垂直運(yùn)行方向（貨架排、貨架列、貨架層）為X軸、Y軸、Z軸，建立坐標(biāo)系。如圖3所示。

3.3.2 系統(tǒng)作業(yè)流程。四向穿梭車(chē)密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的作業(yè)形式總的來(lái)說(shuō)與子母穿梭車(chē)類(lèi)似，但四向穿梭車(chē)存取貨都是獨(dú)立的，比子母穿梭車(chē)減少了釋放子車(chē)的環(huán)節(jié)，使得整體作業(yè)效率更高。在跨層穿梭車(chē)系統(tǒng)運(yùn)作模式下，與貨架層數(shù)相比較，穿梭車(chē)數(shù)量更少。在提升機(jī)的配合下，穿梭車(chē)能夠進(jìn)行跨層運(yùn)動(dòng)，可運(yùn)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(chē)與出入庫(kù)緩存站臺(tái)進(jìn)行庫(kù)存箱的交接。因出入庫(kù)站臺(tái)與環(huán)形輸送線(xiàn)相連接，執(zhí)行入庫(kù)任務(wù)時(shí)，四向穿梭車(chē)經(jīng)環(huán)形輸送線(xiàn)可直接行進(jìn)至目標(biāo)貨位相應(yīng)巷道，無(wú)需在載貨后變換巷道；執(zhí)行出庫(kù)任務(wù)時(shí)，四向穿梭車(chē)經(jīng)環(huán)形輸送線(xiàn)可直接行進(jìn)至任一揀選站臺(tái)，然后運(yùn)輸貨物至一層，同樣無(wú)需再進(jìn)行巷道變換。具體如圖4所示。

圖3 四向穿梭車(chē)系統(tǒng)示意圖

3.4 子母穿梭車(chē)與四向穿梭車(chē)系統(tǒng)對(duì)比

子母穿梭車(chē)式密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)（SC-CS/RS）與四向穿梭車(chē)式密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)（FS-CS/RS）是兩種新型的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，近年被廣泛應(yīng)用到物流倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域，兩者之間存在相似點(diǎn)，也存在不同點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)者結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需求作出科學(xué)選擇。兩者的對(duì)比見(jiàn)表1。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)—分離式三維存取搬運(yùn)一體化機(jī)器人

目前密集型倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的存取貨設(shè)備都需要與提升機(jī)配合。在多層穿梭車(chē)系統(tǒng)中，有使用到兩種不同的提升機(jī)：載車(chē)提升機(jī)、箱式提升機(jī)，兩者存在的瓶頸是提升速度不足。傳統(tǒng)的穿梭車(chē)用于存取貨時(shí)需要配合提升機(jī)，輸送線(xiàn)和地面AGV共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)輸作業(yè)流程，且無(wú)法在地面進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。新型存取運(yùn)輸一體化機(jī)器人在存取貨時(shí)不需要借助提升機(jī)即可進(jìn)行三維行走，且在地面可通過(guò)導(dǎo)引和調(diào)度策略搬運(yùn)貨物。

表1 子母穿梭車(chē)系統(tǒng)與四向穿梭車(chē)系統(tǒng)對(duì)比

4.1 攀爬貨架—BionicHive機(jī)器人

4.1.1 外觀。較為常見(jiàn)的倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人或者類(lèi)Kiva機(jī)器人大多是圓形餅狀或方形平臺(tái)。而B(niǎo)ionichive機(jī)器人是由2個(gè)大輪、2個(gè)小輪和1個(gè)載貨平臺(tái)組成。側(cè)面看像推車(chē)，一個(gè)車(chē)頭拖著一個(gè)平臺(tái)。前車(chē)輪大，后車(chē)輪小，該設(shè)計(jì)主要是為了在執(zhí)行攀爬作業(yè)時(shí)減輕自身重力的影響。

4.1.2 移動(dòng)方式—“行走＋攀爬”。其他單一功能的攀爬式AGV和多層穿梭車(chē)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(dòng)，而B(niǎo)ionichive機(jī)器人在貨架最外沿憑借單個(gè)軌道就可以實(shí)現(xiàn)既能在地面像普通AGV一樣萬(wàn)向移動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)直接從地面“爬”上貨架取貨的“行走+攀爬”移動(dòng)方式。

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

圖4 四向穿梭車(chē)作業(yè)流程

4.2 無(wú)軌存取—Skypod機(jī)器人

4.2.1 組成模塊。整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)主要模塊組成：倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人Skypod、貨架、站點(diǎn)，如圖5所示。貨架中的貨物存放在高度20-30cm的標(biāo)準(zhǔn)盒子中，貨架高度可達(dá)10m。貨架外側(cè)裝有特制的滑軌可供機(jī)器人在貨架的垂直方向移動(dòng)，機(jī)器人直接在貨架上進(jìn)行三維移動(dòng)搬運(yùn)儲(chǔ)物盒子，并將物料搬運(yùn)到人工站臺(tái)由人工進(jìn)行其余揀選作業(yè)。借助AI和數(shù)據(jù)運(yùn)算使Skypod非常靈活，Skypod通過(guò)WiFi通信，支持1 000臺(tái)組網(wǎng)，可以根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)規(guī)模和搬運(yùn)頻次，靈活擴(kuò)充機(jī)器人和貨架數(shù)量。

圖5 倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人Skypod組成模塊

4.2.2 移動(dòng)方式。常規(guī)穿梭小車(chē)作業(yè)時(shí)是在固定軌道上運(yùn)行，將貨物運(yùn)送到指定地點(diǎn)，屬于接駁設(shè)備。但Skypod機(jī)器人既能在貨架上運(yùn)行，并從其中的某一層中取出貨物搬運(yùn)，又可直接在地面移動(dòng)，輸送包裹到指定站臺(tái)，實(shí)現(xiàn)貨到人的作業(yè)模式。Skypod將取到的貨物運(yùn)送到固定站點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)4-5倍。在以?xún)?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(dòng)并實(shí)現(xiàn)立體存儲(chǔ)。通過(guò)內(nèi)置的激光掃描儀導(dǎo)航功能可在倉(cāng)庫(kù)精準(zhǔn)定位，每小時(shí)可分揀400個(gè)產(chǎn)品，且無(wú)需配備傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)需使用到的輸送線(xiàn)與提升機(jī)，使得設(shè)備投入大幅度縮減，并實(shí)現(xiàn)更為自由、靈活的運(yùn)動(dòng)。

4.2.3 揀貨方式。在此系統(tǒng)中，借助一定數(shù)量機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)了揀貨的自動(dòng)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(jī)器人依訂單進(jìn)行揀選，在貨架區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人以訂單需求為參照，遵循固定的S形路線(xiàn)行進(jìn)并進(jìn)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(duì)多個(gè)訂單進(jìn)行批量處理，遵循一定規(guī)則對(duì)揀選任務(wù)進(jìn)行分類(lèi)，然后分配給不同的機(jī)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(jiǎn)短，實(shí)現(xiàn)揀選效率的提升。具體如圖6所示。

圖6 揀貨模式簡(jiǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

多層穿梭車(chē)系統(tǒng)的發(fā)展，能夠由軌道小車(chē)的演進(jìn)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(dòng)下，脫離有形軌道的限制，進(jìn)入自由運(yùn)動(dòng)空間。軌道小車(chē)的發(fā)展從水平直道，到垂直直道、彎道、無(wú)軌，已經(jīng)都有所涉足。集存取搬運(yùn)為一體的新型機(jī)器人密集型倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)不僅可以獨(dú)立在貨架中三維行走，且可以在地面進(jìn)行搬運(yùn)，配合機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)揀貨，更好地適應(yīng)不斷增加的分揀與配送的需求。同時(shí)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，未來(lái)的機(jī)器人系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更高效率的存取作業(yè)方式。