關(guān)于重型物資物流機器人的現(xiàn)狀分析與改進

徐一飛

（東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

一、重型物資物流機器人硬件現(xiàn)狀分析

物流機器人主要的種類是自動尋徑車，也就是AGV。AGV的主要進行一項作業(yè)，三個動作，即搬運作業(yè)，移動、舉升和放下三個動作。在實際拆裝兩個倉庫的機器人并閱讀了設(shè)計說明書后，初步得出AGV的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為：主板、動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)、識別系統(tǒng)，供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、報警系統(tǒng)。許多AGV還有許多更加先進和復(fù)雜的功能，但是這8個部分是必不可少的。這里主要分析兩個系統(tǒng)，一個是舉升系統(tǒng)，一個是識別系統(tǒng)。AGV的主要部件如下圖所示。

舉升系統(tǒng)常見的主要有三種，分別是齒條式、液壓式、電機式。本質(zhì)上來說，舉升系統(tǒng)就是自動的千斤頂，液壓式曾經(jīng)比較受歡迎，但是由于長期舉升重型物資，液壓式的舉升系統(tǒng)容易發(fā)生漏油的現(xiàn)象，由于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜維修不便，油污難以清理，現(xiàn)在主流的舉升系統(tǒng)是齒條式和電機式兩種。

AGV結(jié)構(gòu)圖

識別系統(tǒng)的種類會隨著路徑的不同而改變，目前主流的有三種：光學(xué)路徑識別、二維碼路徑識別、立體路徑識別。光學(xué)路徑識別本質(zhì)上就是尋徑車，通過識別地上顏色不同的線路來尋找路徑，因此識別方法是通過光學(xué)傳感器。這種識別方式的特點是路線相對固定，因此運行時阻礙較少，但是同樣因為路線固定，占用區(qū)域會變大，并且當物資較多時，多臺AGV占用同一通道時會產(chǎn)生AGV等待滯留。

二維碼識別則是可以將整個AGV運行區(qū)域通過二維碼劃分成點，例如橫向縱向每隔3m設(shè)置一個二維碼，那么一個15m×15m的區(qū)域就可以劃分為36個點，因為是通過掃描二維碼進行定置，所以識別的方法是通過攝像頭。這種識別方式的特點是定位精確，而且能夠靈活地改變路線，但是對識別能力要求較高，并且隨著路徑規(guī)劃和程序算法的不同，效率會產(chǎn)生差距。

立體路徑識別是依賴于RFID技術(shù)的一種識別方式，適用于層數(shù)不多的立體貨架（層數(shù)較多時一般使用堆垛機），貨架本身帶有軌道和升降機，AGV的軌道和升降機的軌道上貼有橫向和縱向以及垂直的連續(xù)條形碼，因此識別方法是RFID掃描器。該識別方法主要應(yīng)用在四向穿梭車這種AGV上，四向穿梭車可以通過兩組互相垂直的輪子實現(xiàn)在不同方向的軌道運行，因此沒有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但是方向改變必須在橫向軌道和縱向軌道的交匯點，所以該方法一定程度上結(jié)合了前兩種方法的特點，路線較為的固定，但是也會受到路徑規(guī)劃和程序算法的影響。此外軌道讓該種方法運行時更加迅速平穩(wěn)，立體貨架也使得空間利用率有了較大提升。[1]

在研究對象為重型物資的環(huán)境下，問題又會有所不同，首先在運行速度上要降速，軌道上的速度優(yōu)勢將不存在；其次因為運行速度降低，會導(dǎo)致等待時所浪費的時間更長；再其次在發(fā)生轉(zhuǎn)向時會對齒輪造成更大的負荷，減少齒輪的使用壽命；最后在轉(zhuǎn)向時，會和地上的識別線或者二維碼等識別標志發(fā)生摩擦，在負載較高的情況下很容易對標識造成磨損，影響識別的準確性，甚至因無法識別導(dǎo)致AGV停滯。

二、重型物資物流機器人運行現(xiàn)狀分析

重型物資物流機器人受工作環(huán)境影響，首先輪子相對較小，其一可以限制速度，其二承重能力更強；其次對運行面如地面和軌道等要求較高，因為一旦產(chǎn)生顛簸，不僅會損害AGV還會有很大的安全隱患，雖然有針對AGV在不平穩(wěn)環(huán)境下的研究[2]，但是重型物資倉庫在建設(shè)時就不允許這種情況出現(xiàn)；接著有些款式的AGV比如部分背馱式AGV是在貨架或者托盤底部進行作業(yè)，那么其面積是小于所搬運的物品的，其觀測預(yù)警區(qū)域只能存在于正前方，如下圖所示。

AGV預(yù)警區(qū)域識別圖

從上圖也可以看出，預(yù)警區(qū)域并不能完全覆蓋貨架的一邊，實際的測試中，當人將手或者腳放置在AGV的斜上方，那么AGV空車將無視近距離有障礙物繼續(xù)前進，背著貨架的AGV則并不知道貨架撞上了障礙物繼續(xù)前進。雖然自動化倉庫在AGV運行區(qū)域一般不允許人員進入，但是當出現(xiàn)有些貨架發(fā)生傾斜或者錯位時，就會有安全隱患。

接著就是運行時的路線規(guī)劃問題，這里對路線較為靈活，路徑規(guī)劃比較高的通過二維碼識別路徑的AGV進行分析。首先在倉儲或者配送任務(wù)下發(fā)時，AGV就會綁定相應(yīng)的任務(wù)，路線也會一并規(guī)劃完成。這里需要說明一下重型物資的特點，重型物資以電力物資為例，是以建設(shè)的工程項目為基礎(chǔ)的，那么將會大概率出現(xiàn)一個項目所對應(yīng)的物資批次是在一起的，因此這些物資存儲的位置也都集中在一起，比如有兩個項目A和B，A項目對應(yīng)的物資批次a全部存儲在區(qū)域1，B項目對應(yīng)的物資批次b全部存儲在區(qū)域2，a和b所對應(yīng)的物資完全相同，區(qū)域1在里面，區(qū)域2在外面。由于項目的規(guī)模和建設(shè)時間都不同，所以出現(xiàn)不同項目同時需求物資的現(xiàn)象十分正常。但是根據(jù)先入先出的原則，兩個任務(wù)下達過后，系統(tǒng)會自動分配路線，a批次靠前所以優(yōu)先規(guī)劃，但是因為a物資在里面，b物資必定在最短路徑上與a出現(xiàn)重合，此時系統(tǒng)就會讓運送b批次的AGV重新規(guī)劃路線，如果搬運b批次的AGV是兩臺，那么這兩臺的路徑會有相當大的部分重合，此時如果兩臺相遇，那么其中后面一臺會因為前方檢測到障礙物重新規(guī)劃路線，這就會產(chǎn)生一個現(xiàn)象，路徑距離明明沒有發(fā)生變化，AGV的轉(zhuǎn)向次數(shù)卻大大增加。對于優(yōu)先級靠后的AGV，首先其路線不能和靠前的AGV沖突，在順位靠前的AGV故障暫時無法運行時，系統(tǒng)也不會重新分配。其次，對于同一批次的AGV，因為路徑重復(fù)部分多，相遇是很正常的，當方向?qū)儆谕驎r，后面的AGV會重新規(guī)劃，而相向時甚至會出現(xiàn)兩臺AGV同時重新規(guī)劃。最后，當任務(wù)較多，路徑無法在不沖突的前提下規(guī)劃時，那么就會出現(xiàn)先完成一個批次，再執(zhí)行下一批次的情況。如下圖所示。

AGV路徑圖

如果走下面的路線只需要轉(zhuǎn)向一次，而走上面的路線雖然長度相同但是需要轉(zhuǎn)向七次，前文提到過，轉(zhuǎn)向會產(chǎn)生兩個問題，一是會減少齒輪使用壽命，二是會損害識別標志，尤其是在搬運重型物資時這兩點更加明顯。

三、重型物資物流機器人改進思路

首先是在硬件上的改動，這里主要針對兩點進行改進，其一是固定措施，其二是預(yù)警系統(tǒng)。大多AGV上沒有固定措施，重型物資AGV也是如此，這就進一步限制了AGV的運行速度。但是重型物資有一個特點就是帶有大量的金屬元件，而且因為質(zhì)量過大，一般不采用木制托盤而采用鋼制托盤和高強度塑料托盤，無論是鋼制托盤還是高強度塑料托盤都必定是有統(tǒng)一標準的，因此可以在AGV的舉升面板上安裝凹槽。對于鋼鐵原件較多的鋼制托盤，可以在舉升面板上安裝電磁開關(guān)，當處于舉升狀態(tài)時開關(guān)通電，面板和托盤將通過磁力進行固定。通過固定，一方面可以適當提升AGV運行速度，另一方面當發(fā)生前面敘述的前方有障礙物但是AGV依然繼續(xù)前進的情況時，可以在一定程度上減少損害。此外，還有無托盤夾抱式AGV的存在，但是對于重型物資來說，活動部件太多會影響使用壽命，因此不作為優(yōu)先選擇。

對于預(yù)警系統(tǒng)，已經(jīng)有一些AGV進行了改進，比如增加攝像頭的數(shù)量等，這里通過手繪列出其中一種，如下圖所示，除了攝像頭外，還會采用聲吶系統(tǒng)進行定位，使得對障礙物的檢測范圍更加廣泛。

AGV識別系統(tǒng)示意圖

但是對于AGV上面的視野，AGV始終無法獲得，尤其在上面有物品時更是無法對上面的情況進行觀測。對于單個的AGV想要舉升一個面積比自身舉升面板還要大的物品時獲得上方視野是十分困難的，所以對于預(yù)警系統(tǒng)，當AGV能夠一定程度上共享視野，那么將會減少AGV的視野盲區(qū)，并且盲區(qū)會隨著同時運行的AGV的數(shù)量的增多而減少。

最后是對AGV路徑算法上的改動。如上文所述，重型物資是和項目掛鉤的，項目自然會通過招標投標等過程，因此重型物資生產(chǎn)廠家往往不會提前生產(chǎn)或者預(yù)備大量庫存，因為一旦投標不成功將造成大量損失，所以重型物資的倉儲和配送不會像諸如服裝、零食、洗化用品等常見消費品那樣，同一天到達的物品都是同一優(yōu)先級別。除了上文所說的時間上的優(yōu)先級，有時還會出現(xiàn)區(qū)域級別導(dǎo)致的優(yōu)先級，所以重型物資物流AGV算法考慮的因素要比正常的AGV多許多，并且還有一個限制就是系統(tǒng)更新和改動的速度非常慢，此外會發(fā)生改動，如上面所說的這些框架和優(yōu)先級也一直沒有發(fā)生過改變，因此AGV的路徑規(guī)劃不能夠改變系統(tǒng)的優(yōu)先級。所以隨著各方面限制，諸如啟發(fā)式等算法所考慮的許多因素反而不需要考慮，所以這里提出兩種思路，一是改變優(yōu)先級對象，二是增加一條路徑。

系統(tǒng)的優(yōu)先級是無法改變的，但是系統(tǒng)的優(yōu)先級是針對物資的，而對于AGV有屬于自己獨立的RCS系統(tǒng)，雖然RCS系統(tǒng)服務(wù)于WCS系統(tǒng)，但是RCS系統(tǒng)可以將AGV的優(yōu)先級進行改變，例如有10臺AGV編號為0-9,0號機優(yōu)先級最高，9號機最低，當多個任務(wù)出現(xiàn)時，RCS系統(tǒng)優(yōu)先級低的AGV去執(zhí)行WCS系統(tǒng)中優(yōu)先級高的任務(wù)，這樣就會出現(xiàn)低優(yōu)先級的AGV的路徑先規(guī)劃完成，但是高優(yōu)先級的AGV可以使用與其相同的路徑，按照上面的A項目與B項目的例子，低優(yōu)先級的9號AGV從相對位置靠內(nèi)的區(qū)域1取出一個物資，高優(yōu)先級0號AGV走同樣的路線從相對位置靠外的區(qū)域2取出一個物資，兩車都需要原路返回，那么在靠外的區(qū)域2進行作業(yè)的0號AGV大概率先完成作業(yè)返回，9號AGV返回時也不會遇到障礙，即使遇到了障礙，也是9號AGV進行路徑重新規(guī)劃而不需要0號AGV放棄最近路線，如下圖所示。

改變RCS優(yōu)先級后的AGV路徑圖

圖中黑、紅、藍、綠四種顏色為優(yōu)先級依次遞減的AGV路徑圖，紫色為優(yōu)先級不改變時使用黑色路線的AGV所走的路線。這里可以發(fā)現(xiàn)隨著RCS系統(tǒng)中AGV的優(yōu)先級增高，AGV路線中的轉(zhuǎn)向次數(shù)將減少，這里顯示的是每一次低優(yōu)先級的AGV都會與高優(yōu)先級的AGV產(chǎn)生沖突的情況，也就是最壞的情況，最理想的情況則是所有的AGV都不產(chǎn)生沖突（所有低優(yōu)先級AGV返回時都不會遇到正在進行任務(wù)的高優(yōu)先級AGV），那么以上圖為例，所有的AGV都可以按照黑色的路線進行作業(yè)。但是如果按照現(xiàn)在的算法，所有AGV優(yōu)先級一樣，路徑規(guī)劃以WCS系統(tǒng)中的優(yōu)先級為準，那么首先黑色的路線將變成紫色的路線，此外圖中顏色覆蓋的部分將全部進行變動，轉(zhuǎn)向次數(shù)大大增加，當線路無法出現(xiàn)不重復(fù)的時候，一些項目的倉儲和配送將暫停。[3]

對于增加一條路徑的方法，實際上類似于高速公路上的緊急停車道，增加一條路徑作為緊急?？柯窂?。緊急停靠路徑不在系統(tǒng)的路徑規(guī)劃中，這樣系統(tǒng)在規(guī)劃路徑時就可以無視重復(fù)路徑，當兩個AGV發(fā)生路徑?jīng)_突時，任務(wù)批次優(yōu)先級較低的AGV直接向側(cè)面平移至緊急?？柯窂?，等到任務(wù)優(yōu)先級較高的AGV通過后回歸原來的路徑繼續(xù)作業(yè)即可。

四、結(jié)論

對于重型物資物流機器人的現(xiàn)狀，整體來說已經(jīng)可以實現(xiàn)低效率的自動化，以作為世界500強前三的國網(wǎng)為例，其自動化倉庫雖然有著一流的設(shè)備但是實際效率也是不高的，在物資較多時都是熟練地叉車工進行作業(yè)，因為一個叉車工從倉庫叉出一個物資到卡車上大約需要3~5分鐘，而一個AGV進行作業(yè)的話則需要10~15分鐘，因此就出現(xiàn)一個現(xiàn)象，出庫配送業(yè)務(wù)為了不讓項目工程的卡車等待，全部采用叉車。而AGV包括叉車型AGV只用于將預(yù)約的物資運送至周轉(zhuǎn)區(qū)和待運區(qū)，以及將待存取的物資運送到平置區(qū)或者貨架上，因此自動化運行的部分主要體現(xiàn)在可以24小時不間斷地將待存的物資運送至存儲區(qū)域。所以如果AGV的運行效率能夠提升一倍，那么實現(xiàn)重型物資物流的完全自動化和智能化是可靠的，而影響AGV運行效率的主要原因不在AGV硬件而在于系統(tǒng)對AGV的運行限制。