多類型機(jī)器人在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳琳 楊曉帆 賀峪原

摘要：隨著物流系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，多類型機(jī)器人在物流系統(tǒng)中的協(xié)作應(yīng)用必將成為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于以倉儲(chǔ)為主要作業(yè)的物流系統(tǒng)，庫前區(qū)承擔(dān)著貨物收發(fā)、拆碼、空托盤碼分等任務(wù)，該區(qū)域設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。本文以蘇州煙草配送中心立體倉庫庫前區(qū)設(shè)計(jì)為例，探討多類型機(jī)器人協(xié)同作業(yè)在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物流中心；多類型機(jī)器人；立體倉庫

引言

在現(xiàn)代全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，物流在中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演著非常重要的角色。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程中，約有90%左右的時(shí)間花費(fèi)在物流過程中，約10%的產(chǎn)品生產(chǎn)成本花費(fèi)在物流成本中。通過降低物流成本，企業(yè)可以提高利潤(rùn)。與歐美老牌企業(yè)相比，我國(guó)的物流主要依靠增加硬件設(shè)備和操作人員的數(shù)量來滿足企業(yè)物流需求的增長(zhǎng)。為了我國(guó)物流產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，政府發(fā)布了一系列政策，重點(diǎn)帶動(dòng)物流企業(yè)的發(fā)展。

發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)投入使用有50年之久，無論在物流理論還是物流產(chǎn)業(yè)規(guī)模均已成為中堅(jiān)力量。我國(guó)在物流業(yè)起步較晚，在20世紀(jì)90年代以后，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展推動(dòng)了物流業(yè)的快速發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外物流領(lǐng)域的學(xué)者和企業(yè)進(jìn)行了深入的研究。Luzenira通過遺傳算法嵌入統(tǒng)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)出可實(shí)時(shí)獲取物流信息的物流配送操作系統(tǒng)。Rui F U等通過數(shù)據(jù)模擬，建立以倉庫為中心的路徑優(yōu)化模型。Banu.Y.Ekren通過穿梭式儲(chǔ)存和檢索系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化立體庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，克服了由于電商增加而導(dǎo)致的問題，具有更高的處理訂單效率。李星圓和李永強(qiáng)在庫存管理方面提出了二次ABC分類法和EOQ模型相結(jié)合的方法對(duì)商品進(jìn)行了精細(xì)化的管理，解決的訂貨多少的問題，有效地控制了庫存。初怡利用Flexsim進(jìn)行仿真作業(yè)流程，改變?cè)O(shè)施數(shù)量以及人員，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化。彭弢等人通過系統(tǒng)思考方法分析訂單數(shù)據(jù)、倉儲(chǔ)作業(yè)任務(wù)等確定優(yōu)化方案，提升了物流配送中心的效率。余文泰和張得志通過構(gòu)建基于智能制造的帶時(shí)間窗約束的生產(chǎn)物料配送路徑優(yōu)化模型，解決了生產(chǎn)車間物料即時(shí)配送，提升物流配送效率，降低物流成本。王伯楠使用模糊c－均值聚類算法和自適應(yīng)遺傳－模糊均值聚類算法分別對(duì)基于任務(wù)均衡的分揀聚類模型進(jìn)行優(yōu)化，再利用自適應(yīng)遺傳－模糊均值聚類算法應(yīng)用于訂單分批分揀優(yōu)化模型，通過兩次聚類過程有效實(shí)現(xiàn)了卷煙配送中心分揀線任務(wù)均分，優(yōu)化了堆垛機(jī)出入庫過程，提升了配送效率。

物流配送中心具有配送響應(yīng)速度更快、全流程更智能化、調(diào)度系統(tǒng)更完善、存儲(chǔ)系統(tǒng)更細(xì)化、支持定制化要求等特點(diǎn)。隨著全球化和市場(chǎng)化的推進(jìn)，越來越多的大型企業(yè)為了提高效率，降低人工成本，選擇建設(shè)物流配送中心。本文以蘇州煙草配送中心立體倉庫庫前區(qū)設(shè)計(jì)為例，來探討多類型機(jī)器人協(xié)同作業(yè)在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用。

一、立體倉庫庫前區(qū)需求及流程分析

（一）庫前區(qū)流量需求分析

由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，消費(fèi)者需求、產(chǎn)品需求、經(jīng)濟(jì)模式、產(chǎn)品制造方式都在發(fā)生變化，這些變化對(duì)物流行業(yè)的要求越來越高。我國(guó)于1980年建成了第一個(gè)自動(dòng)化立體倉庫，比傳統(tǒng)貨架具有更好的空間利用率和運(yùn)行效率。物流系統(tǒng)越來越多地在食品、化纖、醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和客戶需求的增加，傳統(tǒng)的自動(dòng)化倉庫已經(jīng)不能滿足大型企業(yè)的需求。大型企業(yè)會(huì)選擇建設(shè)功能更完備、效率更高、性能更高的物流配送中心。以蘇州煙草配送中心為例，蘇州煙草配送中心設(shè)計(jì)年配送量約107萬大箱，為“一類卷煙物流配送中心”。入庫流量為最大月平均收貨40879件/日，其中散件到貨量占總到貨量的45.03%，即18408件/日；整托盤件煙到貨量占總到貨量的54.97%，即22471件/日。每日工作時(shí)長(zhǎng)8.5小時(shí)，則散件件煙入庫量需達(dá)到2166件/時(shí)，即73托/時(shí)；整托盤件煙入庫量需達(dá)到2644件/時(shí)，即88托/時(shí)。出庫流量為商業(yè)煙草是拉動(dòng)式補(bǔ)貨模式，平均出庫39015件/日，每日工作時(shí)長(zhǎng)8.5小時(shí)，平均每日每小時(shí)出庫4590件/時(shí)，即153托盤/時(shí)。

（二）庫前區(qū)流程分析

蘇州煙草配送中心每日收貨包括兩類，散件收貨和整托盤收貨。散件到貨后，伸縮鏈板輸送機(jī)直接伸入貨車車廂內(nèi)部，卸下散件貨物，經(jīng)入庫掃碼識(shí)別信息后送至多關(guān)節(jié)碼垛機(jī)器人處進(jìn)行碼盤，碼盤后由頂升式搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)至立體倉庫入口。整托盤到貨卸車后，直接由頂升式搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)至立體倉庫入口。出庫是由頂升式搬運(yùn)機(jī)器人將高架庫出庫口的整托盤卷煙搬運(yùn)至多關(guān)節(jié)拆垛機(jī)器人或人工工位處進(jìn)行拆垛作業(yè)，拆垛后的件煙經(jīng)出庫掃碼識(shí)別信息后送至儲(chǔ)分一體區(qū)暫存，庫前區(qū)工藝流程圖1。

二、多類型機(jī)器人協(xié)同作業(yè)設(shè)計(jì)

（一）多類型機(jī)器人協(xié)同作業(yè)效率

1、拆碼垛機(jī)器人作業(yè)效率

拆碼垛機(jī)器人可以處理不同品規(guī)、不同規(guī)格的件煙，以標(biāo)準(zhǔn)煙（2-3碼）、異型煙（1-1碼）拆碼方式為例計(jì)算拆碼垛機(jī)器人作業(yè)效率。標(biāo)準(zhǔn)煙、異型煙拆碼垛方式如圖2和3所示。

拆碼垛機(jī)器人效率值為11s/循環(huán)，再根據(jù)上圖標(biāo)準(zhǔn)煙和異型煙的拆碼垛方式，得出拆碼垛機(jī)器人的拆碼標(biāo)準(zhǔn)煙和異型煙的效率，如表1所示。

2、頂升式搬運(yùn)機(jī)器人作業(yè)效率

頂升式AGV執(zhí)行功能主要包括整托入庫、碼盤回庫、空托盤垛補(bǔ)給、空托盤補(bǔ)給、滿托盤出庫、空托盤碼垛、空托盤垛回庫。頂升式AGV效率表如表2所示。

3、多類型機(jī)器人協(xié)同作業(yè)效率

蘇州煙草配送中心入庫采取推動(dòng)式模式，出庫采取拉動(dòng)式模式，再根據(jù)上述拆碼垛機(jī)器人效率和頂升搬運(yùn)機(jī)器人效率，得出蘇州煙草配送中心多類型機(jī)器人庫前區(qū)整體協(xié)同作業(yè)效率，如圖4所示。從圖中看出，拆碼垛機(jī)器人和頂升式搬運(yùn)機(jī)器人在拆碼垛環(huán)節(jié)和搬運(yùn)環(huán)節(jié)效率相互匹配，保證蘇州煙草配送中心整個(gè)庫前區(qū)系統(tǒng)的流暢運(yùn)行。

（二）多類型機(jī)器人庫前區(qū)控制系統(tǒng)

1、拆碼垛機(jī)器人及控制系統(tǒng)

拆碼垛機(jī)器人采用六軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過各軸配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆碼垛作業(yè)。拆碼垛機(jī)器人配有煙草特殊定制設(shè)計(jì)的多功能夾具，夾具由機(jī)架、真空吸盤、真空開關(guān)、真空電磁閥及氣路系統(tǒng)等組成，可以牢固吸取不同尺寸和不同重量的煙箱，且每個(gè)拆碼垛機(jī)器人都有獨(dú)立的機(jī)器人控制系統(tǒng)，可以堆碼不同垛型的件煙。

機(jī)器人控制主要通過各軸配合將夾具運(yùn)行至件煙定位的正上方，當(dāng)件煙定位信號(hào)發(fā)出時(shí)，夾具通過伺服電機(jī)控制向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到夾具夾持件煙高度時(shí)，停止下降，末端夾具開啟，夾起件煙，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，將夾具升到安全高度后，通過預(yù)設(shè)程序?qū)⒓熕椭敛鸫a垛位上方，夾具打開，將件煙放入指定位置。

機(jī)器人控制硬件主要有伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器?？刂栖浖饕捎肂aseWare5.0機(jī)器人操作系統(tǒng)，RAPID高級(jí)編程語言，VxWorks和Net-FrameWork協(xié)議，設(shè)備通信接口支持各種總線標(biāo)準(zhǔn)?？刂拼谕ㄐ牛?×RS232/RS422。軟件通信接口支持Ethernet，RemoteI/O標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)器人安全性能主要有緊急停止，自動(dòng)模式停止，測(cè)試模式停止等。安全措施主要分為主動(dòng)安全措施和被動(dòng)安全措施。主動(dòng)安全措施有碰撞力檢測(cè)功能、電子穩(wěn)定路徑功能、主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)。被動(dòng)安全措施有負(fù)載識(shí)別、活動(dòng)機(jī)械擋塊限制、雙保險(xiǎn)限位開關(guān)。

2、頂升式搬運(yùn)機(jī)器人及控制系統(tǒng)

頂升式搬運(yùn)機(jī)器人是一種自動(dòng)引導(dǎo)車，又稱頂升式AGV，是一種智能化、柔性化的搬運(yùn)設(shè)備，其特點(diǎn)是無人駕駛。頂升式AGV上裝備有自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，可以保障機(jī)器人在不需要人工引航的情況下就能夠沿預(yù)定的路線自動(dòng)行駛，將貨物自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。頂升式AGV一般配備有裝卸機(jī)構(gòu)，可以與其他物流設(shè)備自動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)貨物和物料裝卸與搬運(yùn)全過程自動(dòng)化。

頂升式AGV小車控制系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等。導(dǎo)航技術(shù)利用視覺傳感器和慣性傳感器實(shí)現(xiàn)載體對(duì)周圍環(huán)境感知的無源導(dǎo)航自定位。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用電機(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雙轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)控制，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，支持前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)過程平滑柔順。傳感器技術(shù)采用紅外或激光避障檢測(cè)方式。AGV小車具備機(jī)械防撞裝置、激光檢測(cè)防護(hù)；具備急停、非接觸防護(hù)、機(jī)械防護(hù)等安全防護(hù)功能，且有負(fù)重過載保護(hù)功能。

（三）多類型機(jī)器人庫前區(qū)信息調(diào)度系統(tǒng)

庫前區(qū)入庫信息調(diào)度系統(tǒng)：當(dāng)上位機(jī)下發(fā)入庫指令后，件煙傳輸線將到貨的件煙傳輸?shù)酱a垛機(jī)器人或人工碼垛口進(jìn)行碼垛，碼垛后的煙根據(jù)品牌信息被上位機(jī)分配貨位，再通過托盤傳輸線傳輸?shù)紸GV取貨位置，AGV接收到上層系統(tǒng)下達(dá)搬運(yùn)任務(wù)的指令，RCS系統(tǒng)將搬運(yùn)任務(wù)的路線分解為起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)信息，利用A*算法計(jì)算求得到目標(biāo)地的最小路徑，再綜合考慮AGV距離、電量、任務(wù)執(zhí)行情況以及下發(fā)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行派發(fā)任務(wù)，小車確定任務(wù)后把件煙搬運(yùn)到對(duì)應(yīng)的堆垛機(jī)巷道托盤輸送線，托盤輸送線把盤煙輸送到堆垛機(jī)巷道入口進(jìn)行入庫。

庫前區(qū)出庫信息調(diào)度系統(tǒng)：根據(jù)件煙備貨系統(tǒng)的缺貨信息和其他要求信息，上位機(jī)發(fā)出出庫指令后，堆垛機(jī)把盤煙從對(duì)應(yīng)的貨位上取出，運(yùn)輸?shù)蕉讯鈾C(jī)巷道出口的托盤傳輸線上，托盤輸送線系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)指令，把盤煙傳輸?shù)紸GV取貨位置，通過調(diào)度AGV運(yùn)送到拆垛機(jī)器人和人工拆垛口處進(jìn)行拆垛，最后再進(jìn)入件煙備貨系統(tǒng)的入庫傳輸線。

三、結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，物流配送中心被運(yùn)用在各行各業(yè)中。物流配送中心結(jié)合了運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、裝卸、加工、整理、配送、信息等方面，將運(yùn)輸合理化、倉儲(chǔ)自動(dòng)化、包裝標(biāo)準(zhǔn)化、裝卸機(jī)械化、加工配送一體化、信息管理網(wǎng)絡(luò)化，形成了多功能、一體化供應(yīng)鏈。本文基于多類型機(jī)器人的特點(diǎn)，對(duì)多類型機(jī)器人在商業(yè)煙草物流領(lǐng)域的協(xié)同作業(yè)做了實(shí)踐研究，發(fā)現(xiàn)多類型機(jī)器人協(xié)同作業(yè)在商業(yè)煙草庫前區(qū)物流系統(tǒng)中具備一定的應(yīng)用可行性。但是其中很多設(shè)備，仍能對(duì)其系統(tǒng)效率進(jìn)行優(yōu)化，比如AGV系統(tǒng)，拆疊盤機(jī)系統(tǒng)等，從而使整個(gè)系統(tǒng)的效率得到更大地提升。

參考文獻(xiàn)

[1]Luzenira， Alves， Brasileiro. Simulation of the Optimal Location for a Distribution Center of E-Commerce Operations in S?o Paulo State[J]. IEEE Latin America Transactions，2018.

[2]Banu Y. Ekren. A simulation-based experimental design for SBS/RS warehouse design by considering energy related performance metrics[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2020，98.

[3]李星圓，張永強(qiáng).基于EOQ模型的配送中心物流優(yōu)化研究[J].物流工程與管理，2020，42（10）：84-86.

[4]初怡.基于Flexsim的企業(yè)配送中心作業(yè)流程優(yōu)化[J].中國(guó)物流與采購(gòu)，2020（18）：64-67.

[5]彭弢，姚正亞，李全梁，黃建平，王云飛.卷煙物流配送中心倉儲(chǔ)出庫作業(yè)效率優(yōu)化的研究與應(yīng)用[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2020，25（08）：129-131.

[6]余文泰，張得志.基于智能制造的生產(chǎn)車間物流配送優(yōu)化[J].物流工程與管理，2020，42（06）：6-11.

[7]朱巖，聞琦，陳傳軍，韓亮.機(jī)器人拆垛工作站效率分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2022，44（09）：129-133.

[8]婁世起，熊旭，葉潘，林子安，閆澤萍，王桂英.碼垛機(jī)器人在包裝行業(yè)的應(yīng)用前景探討[J].中國(guó)包裝，2022，42（07）：22-26.

[9]李永梅，劉金剛，馬鎰明.碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2021，34（11）：58-60.

[10]黃文鎮(zhèn).機(jī)器人在卷煙工業(yè)企業(yè)成品生產(chǎn)物流中的應(yīng)用[J].造紙裝備及材料，2021，50（06）：46-48.

[11]孫明偉，盧會(huì)超，湯穎佳，葛振中，儲(chǔ)汝濤，李季.某大型醫(yī)藥配送中心自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2020，25（10）：161-167.

[12]吳瑜.自動(dòng)化拆垛系統(tǒng)在物流倉儲(chǔ)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（06）：186+188.

[13]兌幸福.拆碼垛機(jī)器人負(fù)壓夾具密封方式改造與優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（06）：167-168.

Application of multi-type robot in logistics system

Chen Lin¹， Yang Xiaofan²， HE Yuyuan¹

（1. Potevio Logistics Technologgy Co.， Ltd.， Beijing 100080： 2. School of Economics & Management， Beijing Information Science and Technology University， Beijing， 100192）

Abstract：?With the increasing complexity of logistics system， the cooperative application of multi-type robots in logistics system will become the development trend of modern logistics system. For the logistics system with warehousing as its main operation， the warehouse front area undertakes the tasks of receiving and sending goods， uncoding and dividing empty pallet codes. The design of this area directly affects the operation efficiency of the whole system. Taking the design of the warehouse front area of Suzhou Tobacco Distribution Center as an example， this paper discusses the application of multi-type robot collaborative operation in the logistics system.

Keywords：?logistics center， multi-type robot， Three-dimensional?warehouse

作者簡(jiǎn)介：

陳琳（1984-），女，遼寧省本溪市，碩士，高級(jí)工程師。主要從事物流系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化等研究和應(yīng)用工作。

楊曉帆（1997-），女， 2021級(jí)工業(yè)工程與管理專業(yè)碩士研究生。

賀峪原（1995-），男，甘肅省慶陽市，碩士，助理工程師。主要從事物流系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等研究、應(yīng)用工作。