物流用自動引導(dǎo)小車（AGV）的專利技術(shù)分析

劉文梅

【摘要】 AGV （Automatic Guided Vehicle） 是指自動引導(dǎo)小車，它是以電池為動力，裝有導(dǎo)航系統(tǒng)的無人駕駛自動化搬運車輛。本文主要以物流用自動引導(dǎo)小車（AGV）的相關(guān)專利申請為研究對象，對其全球?qū)＠暾堖M(jìn)行了統(tǒng)計和分析，包括申請量趨勢、國別分布、申請人分布、專利技術(shù)分支及各分支的發(fā)展，并根據(jù)涉及到AGV的導(dǎo)引和行駛路線的控制方法對專利技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行了梳理。

【關(guān)鍵字】 AGV 導(dǎo)引 定位

一、引言

AGV主要由導(dǎo)向模塊、行走模塊、控制模塊、通訊裝置、移載裝置和蓄電池等構(gòu)成，其中，導(dǎo)向模塊和控制模塊是AGV的關(guān)鍵模塊。AGV的導(dǎo)引和控制方法的專利涉及較多的分類號為G05D1/02，即二維的位置或航道控制。目前，已經(jīng)被研究開發(fā)和應(yīng)用的導(dǎo)引方法中，主要有：電磁感應(yīng)式、光學(xué)導(dǎo)引式、化學(xué)導(dǎo)引式、磁感應(yīng)式、位置推斷法、參考標(biāo)志法、慣性導(dǎo)航法和圖像識別法等。一類是基于尋跡的導(dǎo)引模式，另一種是無軌跡式全局自主定位導(dǎo)航。本文主要對G05D1/00下、涵蓋上述導(dǎo)引方式以及涉及到AGV的行走方法的主題進(jìn)行分析。

二、專利技術(shù)統(tǒng)計分析

2.1專利申請量分析

1986年之前關(guān)于AGV的僅有極少量專利申請，實際上AGV技術(shù)最先出現(xiàn)于美國，1913年美國福特汽車公司首先使用有軌引導(dǎo)的AGV代替輸送機用于汽車底盤裝配線上，開啟了AGV應(yīng)用之路；1953年年美國Barrett Electric公司應(yīng)用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行路徑導(dǎo)航，設(shè)計制造了第一臺自動導(dǎo)引車，這一期間相應(yīng)的專利申請有US3147817A、US3245493A等。20世紀(jì)70年代左右，由于歐洲的公司對托盤的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)了AGV的發(fā)展。

20世紀(jì)80年代以來，特別是1995年到1999年出現(xiàn)了第一個小高峰，主要是因為無線導(dǎo)引技術(shù)開始引入到AGV系統(tǒng)中，如激光和慣性導(dǎo)引，使得AGV的定位更精準(zhǔn)、行走更靈活。

2000年-2009年期間，AGV的申請量呈下滑趨勢，可能是由于AGV在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要精準(zhǔn)的定位技術(shù)和大型的調(diào)度系統(tǒng)，而關(guān)于這兩方面的技術(shù)缺陷還處于瓶頸階段。

從2010年以后，由于大型服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理器的開發(fā)和新型導(dǎo)引方式的應(yīng)用，如視覺導(dǎo)引、多傳感器融合技術(shù)，使得AGV趨于智能化、模塊化的方向發(fā)展，且一些關(guān)于機器人控制領(lǐng)域的多智能體理論和智能控制方法開始逐步應(yīng)用到AGV領(lǐng)域中，使得AGV迎來了另一個發(fā)展高峰期[1]。

與發(fā)達(dá)國家相比，我國對AGV的研究與應(yīng)用起步較晚，在工業(yè)生產(chǎn)中以引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)為主，由于國家對知識產(chǎn)品戰(zhàn)略的重視，從1998年至今國內(nèi)申請量變化整體呈現(xiàn)上升趨勢，從2010年以后為快速發(fā)展期，其中發(fā)明專利為64%、實用新型為36%，由于發(fā)明專利從申請到公開可能需要18個月，而國內(nèi)涉及AGV的專利申請主要集中在2010年以后，因此年專利申請數(shù)量與實際可能存在偏差。

2.2專利申請人分析

AGV的專利申請主要集中在日本、美國、歐洲、韓國、中國等國家，其中日本的擁有專利申請數(shù)量最多，達(dá)到全球總量的42%，其次為中國的申請量占有21%，美國、歐洲、韓國分別的申請比例為14%、9%、7%。雖然美國、歐洲作為AGV領(lǐng)域的先驅(qū)，但是在專利申請方面，日本的企業(yè)占有重要比重，AGV作為行走機器人的一種分支，日本關(guān)于AGV的行走控制方法的研究也進(jìn)一步促進(jìn)了AGV的發(fā)展。日本在1963年引進(jìn)第一臺AGV，通過對先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)開始涉獵AGV生產(chǎn)行業(yè)，發(fā)展至今已有村田機械株式會社、三菱重工株式會社、神鋼電機等多個重要的AGV生產(chǎn)供應(yīng)廠家，研發(fā)出幾十種適用于生產(chǎn)制造、物流服務(wù)等行業(yè)的各類型AGV，成為亞洲第一大AGV生產(chǎn)國。

而對于中國的泰怡凱電器（蘇州）有限公司，其專利申請雖然占有一定比例，但是發(fā)明內(nèi)容涉及到較多的為清潔領(lǐng)域的自動引導(dǎo)裝置。

國內(nèi)的專利申請人主要集中在高校和中小企業(yè)，其中高校申請人如蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、南京航空航天大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等，中小企業(yè)申請人為無錫普智聯(lián)科高新技術(shù)有限公司、成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司、蘇州工業(yè)園區(qū)艾吉威自動化有限公司等。

通過進(jìn)一步閱讀國內(nèi)專利申請可以發(fā)現(xiàn)，大部分專利申請涉及到AGV導(dǎo)引方式的選擇和控制器的設(shè)計，雖然我國近幾年AGV的專利申請量急劇增長，但是我國的AGV專利申請中很少涉及到AGV的核心技術(shù)改進(jìn)，還需要加大科研力度。

三、專利技術(shù)

3.1專利技術(shù)分支分布

通過對涉及到AGV的專利申請進(jìn)行人工標(biāo)引，以其應(yīng)用到物流領(lǐng)域作為搬運或運輸設(shè)備作為關(guān)鍵詞進(jìn)一步限定，從發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行分析，一方面發(fā)現(xiàn)AGV類型有多種方式，根據(jù)小車運行時有無固定軌道，AGV可分為兩種形式：有軌AGV小車，如專利CN103163883 A、US2014100723 A1、JP2009051597A、US4993507 A等，小車沿固定軌道行駛，但軌道鋪設(shè)工作量大，屬于早期的導(dǎo)引技術(shù)；無軌式AGV，如CN103823468、JP2008176380A、US6345217 B1等，可以根據(jù)實際需要，調(diào)整設(shè)定的運行路徑，需要克服精準(zhǔn)定位、循跡、避障等多個技術(shù)困難。

另一方面，涉及到AGV的專利申請主要集中在導(dǎo)引方式和行走方式兩種，也有一部分涉及到AGV自身的結(jié)構(gòu)特征和包括充電控制系統(tǒng)在內(nèi)的能源系統(tǒng)。本文的側(cè)重點為導(dǎo)引和行走方式，其具體分支框架如圖3-1所示[2]。

3.2專利技術(shù)分支涉及的改進(jìn)點

通過對AGV相關(guān)專利文獻(xiàn)的標(biāo)引，發(fā)現(xiàn)專利申請側(cè)重領(lǐng)域很多，其核心包括提高AGV自身定位精度、控制系統(tǒng)和路徑規(guī)劃方法，如通過改進(jìn)導(dǎo)引設(shè)備自身以提高定位精度、集成控制系統(tǒng)的設(shè)計、路徑規(guī)劃方法的選擇。下面將根據(jù)文獻(xiàn)標(biāo)引情況具體闡述。

而在導(dǎo)引方式方面所做出的改進(jìn)中，電磁導(dǎo)引方式占有27%的比例，作為最早應(yīng)用于無軌AGV的導(dǎo)引方式，其技術(shù)已經(jīng)成熟，它是利用在AGV行走的路線下設(shè)置專門的電纜線，利用低頻導(dǎo)引線形成的交變電磁場及安裝在AGV上的感應(yīng)線圈等裝置實現(xiàn)導(dǎo)引，如專利US6799099 B2、US5023790 A、KR20020038751A等。該方法可靠性高、成本低、對環(huán)境要求不嚴(yán)格，但是路徑改變困難，適合短距離的物料運輸。

激光導(dǎo)引方式也占有19%的比例，通過在運行區(qū)域的路徑上設(shè)置反射板，在AGV上設(shè)置發(fā)射和接收激光的掃描器，根據(jù)系統(tǒng)中存儲的反射板位置信息進(jìn)行比較來調(diào)整AGV的行走方向，如專利JP2010197865A、JP23657298A、CN104149875 A等。

為實現(xiàn)AGV的精確定位，實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選取特定的導(dǎo)引方式，或者采用多種導(dǎo)引方式結(jié)合的方式取長補短以達(dá)到較好的綜合效果，如CN103941733A提出利用室外采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為主并輔以地面標(biāo)識和信號增強系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)整體定位和導(dǎo)航，室內(nèi)采用雙目視覺系統(tǒng)導(dǎo)航為主并輔以射頻識別技術(shù)，同時滿足室內(nèi)和室外的定位要求。

對于行走方式的控制方面，由于AGV在通過各導(dǎo)引方式獲得自身位置信息的同時，經(jīng)過信息處理，獲得控制命令，驅(qū)動AGV按預(yù)定軌跡行走，在行走過程中需要考慮障礙物和多AGV之間的協(xié)調(diào)問題，主要體現(xiàn)在智能算法的使用和基于成本、最短時間等因素進(jìn)行調(diào)度方案的改進(jìn)。

四、結(jié)束語

綜上所述，AGV隨著計算機技術(shù)和智能控制策略的發(fā)展，開始走向集成化和智能化，主要關(guān)注點為AGV自身定位的精準(zhǔn)性和行走方式的控制，且涉及核心技術(shù)的申請量主要集中在歐美日韓等國家，我國在AGV方面起步較晚，且在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域主要以引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備為主，中小企業(yè)和高校的專利申請大部分是依據(jù)不同環(huán)境下選擇不同的導(dǎo)引方式，很少涉及到AGV自身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)或者側(cè)重于集中控制系統(tǒng)的開發(fā)，因此，通過專利分析，為AGV后續(xù)研究提供更有價值的研究方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周馳東.磁導(dǎo)航自動導(dǎo)向小車（AGV）關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012年1月。

[2]孫奇.AGV系統(tǒng)路徑規(guī)劃技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2012年3月。