智能物流四向穿梭車機器人技術與應用 !

前  言

 

四向穿梭車機器人狹義的定義是指能在平面內四個方向（前、后、左、右）穿梭運行的存儲機器人，主要是區別于傳統的兩向穿梭車（前進和后退）而言的。與AGV相比，雖然穿梭車機器人需要在軌道上運行，但小車的速度將更快，定位將更加準確，是遠超于AGV系統的。

 

一、四向穿梭車機器人的分類

 

四向穿梭車機器人根據其處理的單元型式不同，主要分為料箱式穿梭車和托盤式穿梭車兩種型式。這兩種型式各自具有不同的特點。

 

對于托盤式四向穿梭車機器人，主要用于托盤的存取作業，它與AS/RS相比較，其優勢是存儲更加靈活，柔性更高，可以適應任何復雜的倉庫結構，可以根據入出庫的需求增加或減少小車的數量，可以實現高密集存儲等，但缺點是增加了貨架的成本，因而在實際應用中形成優勢互現的現象。即在大多數情形下，AS/RS表現出更大的成本優勢，但在有些極端的情況下，四向穿梭車更為合適。如倉庫不高，倉庫形狀不規則，出入庫頻率不大這樣的情形，或出入庫頻率要求太高的情形，四向穿梭車更能發揮其優勢。

 

料箱式四向穿梭車機器人是一種用于料箱存取的機器人。其對應的技術包括Miniload與多層穿梭車等。Miniload是一種專用于料箱存取的AS/RS系統，與托盤式AS/RS相比較，Miniload更加輕巧、快捷，但高度一般不會很高，載荷一般在50kg以內；多層穿梭車是一種運行于貨架內的往復式存取設備，與Miniload相比，它更加快捷靈活，因此，在需要更高存取速度的情形下，多層穿梭車具有Miniload不可比擬的優勢，被廣泛應用于貨到人揀選系統之中。料箱式四向穿梭車機器人則是一種更加柔性的產品，與托盤式四向車類似的是，它具有廣泛的適應性，既可以適用于各種倉庫型式，也可以靈活的通過增減小車數量以匹配實際的需求。尤其在貨到人揀選系統中，由于小車可以通過提升機換層，事實上它可以在3維空間中靈活運行，因此，國外更形象的稱其為3D Satellite shuttl car，這是Miniload和多層穿梭車所不能比擬的。

 

四向穿梭車機器人是物流倉儲系統中的革命性技術，雖然其應用歷史還不長，但已經引起了行業的廣泛重視，被認為是未來智能物流系統的重要組成部分。本文對四向穿梭車機器人的技術特點和應用范圍做詳細論述。

 

二、技術要點

 

2.1 工作原理

 

四向穿梭車一般具有兩套輪系，其一套負責X方向行走，另一套負責Y方向行走。小車在軌道上運行，遇到轉彎處，是通過更換輪系來完成的。因此，貨物單元的方向在整個作業時間內是不變的。

 

小車如果要變化層時，大多數是通過巷道外的提升機來完成的。小車自動駛入提升機后，提升機提升到所需要的樓層，完成換層。在實際應用中，提升機有兩種作業模式：帶車作業與不帶車作業。不帶車作業時，提升機僅僅提升貨物單元，帶車作業時，每次作業，小車與貨物同時進入提升機，這時其實不需要換層提升機。顯然，不帶車提升時，每層需要有貨物移載工作站，這是一筆不小的成本，而帶車作業時系統會簡單很多，每層的端部也簡單很多，但效率也會低很多，這是要注意的。

 

四向穿梭車的最大特點是每臺車都可以抵達倉庫每一個貨位，因此，從理論上講，如果沒有出入庫能力要求的話，一個倉庫布置1臺小車即可以完成整個倉庫的出入庫作業。這對于出入庫頻率較低的系統，具有很大優勢。

 

作為一個系統而言，四向穿梭車需要與貨架（軌道）、提升機、輸送系統、通訊系統、充電系統組成一個完整的系統才能工作，當然，有關管理、監控、調度和控制的軟件系統也是必不可少的。

 

2.2 共性技術特點

 

在四向穿梭車機器人形式上，無論是托盤式或料箱式，其技術都有一些共性的特點，如：貨架、軌道、定位、通訊、供電、維修等。

 

1）貨架與軌道 

穿梭車系統相對于傳統的立體存儲系統而言，貨架是其最大的變化。小車經過的所有路徑均需要鋪設軌道，轉折路口還要有特制的轉接板，以及每輛小車均需要有充電點，這是四向穿梭車的特點，也是使得成本增加的主要原因。相對來說，穿梭車系統對于貨架的加工精度及安裝精度都比傳統貨架要高，這樣又會增加加工和安裝的成本，目前國內能夠生產穿梭車貨架的企業不是很多。尤其對于料箱式穿梭車貨架，要求更加嚴格。

 

2）定位

穿梭車的定位一般采用條形碼和光電開關定位。定位精度要求達到3mm以內。比AGV簡單的是，穿梭車在固定軌道上運行，不需要導航系統。

 

3）通訊

如何在密集的貨架中實現通訊，是需要經驗和技巧的。選用什么樣的天線和通訊技術，對項目的穩定性非常重要。

 

4）供電

一般采用電容+鋰電池方式，電容要保證一次充電能夠完成一次最遠的作業，這對于車的配置而言，會有比較大的差異。路徑越長，需要的電容器越大。電池只能作為輔助供電，避免小車在中途停電或電壓過低而無法工作。

 

5）控制

歐洲的穿梭小車控制采用PLC居多，但這樣成本較高。在日本，采用專用的集成電路板進行控制，可以大大降低產品的成本。國內的設備也有兩種選擇。

 

6）調度系統

對四向穿梭車而言，一個作業區域往往會有多臺車同時作業，如何提升系統的總體效率，需要對小車進行作業調度。調度的內容包括：車況識別，車的選用，路線規劃等。車越多，調度越重要，難度也越大。

 

7）維修

相對而言，由于托盤式穿梭車尺寸較大，巷道較寬，層高也較高，因此，理論上人員可以進入貨架內部進行操作。而料箱式穿梭車則不然，因此，一方面，要盡量避免進入貨架中，另一方面，則在設計中要考慮進入貨架內部的可能，這是其重要差別。

 

2.3 非共性技術特點

 

1）托盤式四向穿梭車

 

①移載

對于托盤式穿梭車而言，運輸的貨物單元是托盤，重量一般會達到500～1000kg，因此，小車的移載裝置既不能采用貨叉，也不能采用鏈條等方式，而是直接通過駛入貨架，將托盤放置在貨架軌道上，這是托盤穿梭車的特點。這一做法可以很容易實現密集存儲，但會使作業效率下降，貨架成本增加。

 

②提升機

提升機負責貨物托盤的入出庫作業，是四向穿梭車系統的關鍵輔助設備。托盤式的提升機，既可以提升托盤，也可以提升穿梭車，且兩者可以共用。

 

③速度和加速度

空載穿梭車速度可以達到4m/s以上，有載一般為3m/s，加速度一般為0.5m/s2。但對于不同的要求，也可以有所變化。

 

2）料箱式四向穿梭車

 

①移載

相對而言，料箱式穿梭車就要靈活得多。這主要是單元變小變輕以后，可以有多種方式進行移載。最簡單的方式是采用貨叉。為了提升存儲密度，可以采用雙深度的貨叉，有時為了適應不同寬度的紙箱，貨叉還可以改變寬度。貨叉是穿梭車最重要的部件。歐洲的專業公司開發的貨叉，其售價有時高達10萬元以上。

 

②提升機

有兩種典型的結構，帶車提升機和不帶車提升機。帶車提升機主要用于穿梭車的換層，有時為了簡化系統，也可以采用每次都帶車作業，但作業效率會下降。不帶車提升機會有較大的提升能力，有時還可以采用雙工位的提升機，每小時的提升能力超過200次甚至更高。

 

③速度和加速度

為了提高作業效率，小車的速度會高達5m/s，因為采用夾抱裝置，小車的加速度則可達到2m/s2，這樣大大提升了小車的作業效率。對提升機來說，提升速度一般也會達到4m/s以上，以匹配整個系統的效率。

 

三、應用領域探索

 

3.1 托盤式

 

托盤式四向穿梭車的主要應用在密集存儲方面，尤其是冷鏈物流系統。在冷鏈系統，尤其是-18℃及以下的冷鏈系統，采用四向穿梭車進行儲存，可以大幅度提升空間利用率，并可以大大改善作業區的環境，是作業人員工作更加舒適。

 

密集存儲的技術有很多種，對AS/RS系統來說，采用雙深貨位是一種非常有效且實用的做法，對于穿梭板和子母車來說，密集存儲的效率也很高，其與四向穿梭車類似，但四向穿梭車更加靈活、柔性，適應性強，這是其主要特點。

 

在其它應用領域，四向穿梭車還有很多，如采用四向穿梭車系統作為發貨暫存就是一種很好的應用，可以大大節約空間，并可實現自動化作業。此外，采用四向穿梭車代替輸送系統完成長距離輸送應是一種選擇，但這方面的應用目前并不多。

 

總體而言，托盤式的四向穿梭車應用還受限制，其主要原因在于性價比。作為存儲來說，AS/RS更受人歡迎，自動化比較低的場合則采用穿梭板更為節省。但四向穿梭車畢竟是一種高柔性的技術，其應用在未來會有較大的發展空間。

 

3.2 料箱式

 

相對于托盤式四向穿梭車的應用受限，料箱式的四向穿梭車應用非常廣泛。一方面與其靈活性和柔性有關，更為重要的是電商的發展推動了拆零揀選的快速發展。而四向穿梭車的高效率是其備受歡迎的重要原因之一。其主要應用概述如下。

 

1）“貨到人”存儲系統

四向穿梭車的最早應用即是其在貨到人揀選系統的應用，相對于多層穿梭車而言，四向穿梭車不僅效率高，且具有很高的柔性，使得其應用場合更加廣闊。但隨著對出入庫能力要求的不斷提升，當小車的能力成為瓶頸時，多層穿梭車的價格優勢將比較明顯。

 

2）集貨與排隊

與托盤四向車一樣，料箱式四向穿梭在發貨過程中也常常用于集貨與排隊。它與托盤的不同之處在于，料箱可以直接對接伸縮皮帶機，從而更加直接的完成裝車工作。對于具有多個發貨目的地的情形，穿梭車還可以扮演排隊的角色，解決以前關于裝車順序的問題。

 

3）其它

料箱式的四向穿梭車，應用十分廣闊。目前了解到的應用包括各類大規模存儲系統（尤其是庫容量大、出入庫頻率不高的情形），如圖書館、檔案館等。此外，在物流的其它環節，如生產的線邊庫、分揀系統等均有應用的前景。

 

四、發展趨勢

 

四向穿梭車無疑是一項具有里程碑意義的技術。其應用還處于初級階段，未來的發展還有很大的空間。從技術上來講，主要有以下幾方面：

 

1）更加柔性化

柔性是物流技術發展的基本方向之一，AGV的應用即充分說明了這一點。四向穿梭車從目前的應用看，還有進一步柔性化的空間。如可自行升降的四向穿梭車和可在地面行走的四向穿梭車即是兩個有意義的研究課題。即將AGV、提升機、穿梭車融為一體的技術，這些技術已經有一些研究成果。

 

2）更加智能化

四向穿梭車在用于拆零揀選時，小車的調度對效率的影響非常大。越大的系統，智能化的效果越能體現。如各種路線優化與排隊，對系統的效率會產生很大影響。此外，小車運行狀態的實時監測，對于系統的正常運行也有大影響。所有這些工作都是未來需要不斷提升的。

 

3）更高性價比

四向穿梭車的穩定性是保證系統正常高效運行的關鍵。從目前的應用看，還有待進一步提升。與AGV（kiva）和多層穿梭車相比，料箱式四向穿梭車因為結構復雜，成本要高出不少，如何不斷優化，降低成本，提升性價比，對于市場的接受是有幫助的。

 

4）標準化與系列化

目前主要以標準尺寸的穿梭車為主，未來會有一些變化。

 

5）托盤式四向穿梭車

主要適應于1200×1000標準托盤，承載能力為1000kg，未來的系列化會從托盤尺寸和承載能力兩方面考慮。如載荷會有500/750/1000/1250幾個等級以滿足市場不同的需求。尺寸方面，系列組合的會更多一些。

 

6）料箱式四向穿梭車

主要適應于600×400標準箱，承載能力為50kg，未來的系統主要從尺寸、貨叉型式方面尋求系列化，以適應市場需求。

 

標準化和系列化是產品發展的必由之路，但由于每一臺穿梭車在出廠前均要經過嚴格的測試，而每個型號的新車都要經過嚴格的定型測試，這些工作會給系列化帶來挑戰。從經驗看，因為要給每一項新產品搭建試驗臺，新產品的試驗不僅耗時耗力，且影響產能。

 

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作者：北京伍強智能科技有限公司尹軍琪

來源：《起重運輸機械》2020年第20期

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