中國物流移動機器人核心配套件發(fā)展綜述

文/楊文華

云南昆船智能裝備有限公司

中國船舶集團高級專家

近幾年來，市場需求的不斷增加，不僅推動了中國物流移動機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也促進了國內(nèi)核心配套件供應(yīng)鏈細分市場的逐漸形成。本文站在行業(yè)高度，對組成物流移動機器人的核心配套件（硬件+軟件）作了分類介紹，對其市場情況和技術(shù)趨勢進行了分析，并對產(chǎn)業(yè)鏈的未來發(fā)展模式，以及如何實現(xiàn)健康、可持續(xù)發(fā)展提出了建議。

一、中國物流移動機器人（AGV/AMR）產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

物流移動機器人是AGV（Automated Guided Vehicle）及AMR(Autonomous Mobile Robot)的統(tǒng)稱，是實現(xiàn)柔性制造、裝配及自動化物流輸送的關(guān)鍵設(shè)備之一。近幾年來，隨著國家“制造強國”戰(zhàn)略及智能制造政策的不斷推進與實施，提升和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高裝備自動化和智能化水平，已成為企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求，從而促進了物流移動機器人市場需求的不斷上升，推動了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

我國的物流移動機器人產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展在2012年初現(xiàn)端倪，由于電商和快遞業(yè)的爆發(fā)式增長，催生了產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，物流移動機器人從傳統(tǒng)的搬運、裝配擴展到了倉儲、分揀、配送等各個環(huán)節(jié)；從輔助裝備變身為關(guān)鍵工藝裝備；從汽車、煙草、化工等制造行業(yè)延伸到電商、快遞、停車等服務(wù)行業(yè)。

物流移動機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，一方面是促進了技術(shù)進步，新方法、新模式層出不窮；與新一代信息技術(shù)的融合，使物流移動機器人系統(tǒng)的感知能力、自主決策能力得以提升，智能化水平顯著提高。另一方面是以政策與市場為導(dǎo)向的資本大量涌入，催生了大量新企業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴大。據(jù)移動機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（簡稱“聯(lián)盟”）的數(shù)據(jù)顯示，在2012～2020年的八年中，以融資方式進入產(chǎn)業(yè)的資本總額超過了80億元，國內(nèi)物流移動機器人企業(yè)由不足15家猛增到220余家，年均增速超過40%；至2019年，幾乎所有的叉車企業(yè)都加入到了此行列中，很多大型企業(yè)也新建或擴充專業(yè)裝備公司，來滿足企業(yè)自身對該類裝備的需求。中國物流移動機器人的產(chǎn)業(yè)規(guī)模由原來不足5億元/年，到2020年已增至76.8億元，年均增長率也超過了40%，且目前依然保持著強勁的增長勢頭，2020年生產(chǎn)規(guī)模超億元的企業(yè)有24家。

從企業(yè)布局來看，大致分成了兩大陣營：一類是立足行業(yè)，即從用戶的實際需求出發(fā)，分析不同行業(yè)的具體工藝及裝備，實現(xiàn)產(chǎn)品定制化服務(wù)，做到“吃啥有啥”，此類產(chǎn)品在制造業(yè)生產(chǎn)工藝中表現(xiàn)突出，但大規(guī)模發(fā)展的可能性小。另一類是立足產(chǎn)品，即在工藝模式上有自己的創(chuàng)新理念，更多是將新的工藝模式及產(chǎn)品理念推廣給用戶，實現(xiàn)產(chǎn)品標準化服務(wù)，做到“有啥吃啥”，產(chǎn)品在倉儲物流領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)尤為突出，易于實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展。

國產(chǎn)定制叉車車體

產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展令人欣喜，但引起的問題也不容忽視，這些問題涵蓋了市場營銷、產(chǎn)品標準、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等各個方面。為此聯(lián)盟在2019年提出建設(shè)標準體系，并于2020年底發(fā)布了由60余家企業(yè)參與起草的“工業(yè)應(yīng)用移動機器人”6項通用團體標準，其目的就是要加強企業(yè)自律行為，促進產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展，達成企業(yè)共識——加強產(chǎn)品規(guī)范，明確產(chǎn)品定位，幫助用戶清晰需求范圍，加強自身保護。同時也期望通過標準的貫徹實施，能夠加快推動產(chǎn)業(yè)“從有到優(yōu)”的發(fā)展步伐，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。另外，要讓更多企業(yè)逐漸形成共存、共生、共贏的意識，不僅在項目上謀求相互合作、相互兼容，也期望盡快建立完善服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，共同維護好產(chǎn)業(yè)市場。

分三步走的“制造強國”戰(zhàn)略一直到2045年，在未來十年，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求依然旺盛，依然是移動機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良好時期。筆者認為：企業(yè)整合、供應(yīng)鏈細分將是未來的發(fā)展趨勢；在國家“兩業(yè)融合”政策驅(qū)動下，產(chǎn)品制造與設(shè)備運營一體化的商業(yè)模式會越來越明顯；專注營銷和產(chǎn)品服務(wù)的公司會越來越多；在技術(shù)層面上，依托5G技術(shù)的“云化”調(diào)度方式將會被用戶逐漸接受，系統(tǒng)支持遠程運維、預(yù)防性維護等技術(shù)將會被關(guān)注。

二、物流移動機器人核心配套件分類

物流移動機器人系統(tǒng)由固定部分與移動部分組成。其中，固定部分即地面系統(tǒng)（Stationary system），包括上位調(diào)度系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、充電系統(tǒng)及通信系統(tǒng)；移動部分即為移動機器人單機，包括車體、驅(qū)動裝置、導(dǎo)航裝置、通信裝置、車載控制系統(tǒng)、安全防護裝置、執(zhí)行機構(gòu)等，如圖1所示。

圖1 物流移動機器人系統(tǒng)組成

物流移動機器人上位調(diào)度系統(tǒng)是根據(jù)業(yè)務(wù)流程對多臺移動機器人進行任務(wù)優(yōu)化排序，車輛動態(tài)分配、路徑動態(tài)規(guī)劃，在不同的應(yīng)用中，采用的調(diào)度策略各不相同；地面導(dǎo)航系統(tǒng)為移動機器人提供導(dǎo)航定位信號，即根據(jù)不同的導(dǎo)航方式，在運行區(qū)域地面或周圍布置相應(yīng)的導(dǎo)航標識，機器人通過識別標識實現(xiàn)主動導(dǎo)航定位。也有不常用的被動導(dǎo)航系統(tǒng)，即由地面導(dǎo)航系統(tǒng)直接確定單機位姿；供電系統(tǒng)是為物流移動機器人提供或補充動力的系統(tǒng)，根據(jù)單機不同的供電方式進行設(shè)備數(shù)量及能力配置；通信系統(tǒng)是用于上位調(diào)度系統(tǒng)與移動機器人之間，調(diào)度系統(tǒng)與其他相關(guān)外圍系統(tǒng)及設(shè)備之間的信息交互，可采用不同的傳輸方式（有線、無線、紅外、載波等）。

進口高舉升叉車整機改裝

物流移動機器人車體即機械本體，是移動機器人的基礎(chǔ)構(gòu)件，依據(jù)承載物料的重量、尺寸等條件設(shè)計制造；驅(qū)動裝置是實現(xiàn)物流移動機器人行駛及轉(zhuǎn)向的機械裝置的統(tǒng)稱，除電機、減速箱、驅(qū)動輪等主要傳動部件外，還包括伺服控制器及其附屬的傳感器件；導(dǎo)航裝置即移動機器人獲取導(dǎo)航定位信號的傳感器，不同的導(dǎo)航方式采用不同的傳感器；車載控制系統(tǒng)是控制移動機器人手動或自動行駛的硬件及軟件的總稱，主要負責(zé)實現(xiàn)導(dǎo)航計算、路徑跟蹤、運動控制等功能；電源裝置是移動機器人的動力源及附屬裝置的總稱，一般是指蓄電池（鉛酸、鎳氫、鎘鎳、鋰離子等）及車載充電連接裝置，也有特殊應(yīng)用的其他方式，如：超級電容、感應(yīng)式（無接觸）供電等；安全防護裝置是物流移動機器人實現(xiàn)主動防護的關(guān)鍵裝置，包括接觸式與非接觸式。

由系統(tǒng)組成來看，物流移動機器人核心配套件（硬件及軟件）主要包含了以下部件、器件及軟件：

機械類：機械本體（車體）、驅(qū)動總成、執(zhí)行機構(gòu)等；

電氣類：蓄電池、無接觸供電（CPS）套件、充電設(shè)備、無線通信設(shè)備、車載控制器、伺服驅(qū)動器、激光雷達、衛(wèi)星定位組件、慣性導(dǎo)航組件、RFID讀取器、二維碼讀取器、磁/電磁傳感器等；

軟件類：上位調(diào)度、系統(tǒng)監(jiān)控、車載控制、規(guī)劃工具、配置工具等。

三、國內(nèi)物流移動機器人核心配套件市場發(fā)展

產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展必須立足于自主創(chuàng)新，擺脫對國外技術(shù)和產(chǎn)品的依賴是中國物流移動機器人產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)步發(fā)展的必經(jīng)之路。近5年尤其是中美貿(mào)易戰(zhàn)升級以來，隨著國內(nèi)物流移動機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，包括核心配套件在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈已逐漸形成，細分的供應(yīng)鏈市場不斷完善壯大，自主技術(shù)的國產(chǎn)配套產(chǎn)品已基本涵蓋了整機生產(chǎn)各個方面。

1.發(fā)展階段及其特點

國產(chǎn)自主技術(shù)物流移動機器人從一開始就走上了類似歐美的技術(shù)路線，在1990年代，開啟了自主技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，最先被掌握的是控制軟件以及少量用于磁帶或電磁導(dǎo)航的專用傳感器，再者就是能夠直接被采用的國產(chǎn)蓄電池和充電機。限于當(dāng)時的年產(chǎn)量，很多硬件并沒有進行產(chǎn)品化，常以簡陋的PCB板直接面對用戶。而包括車載控制器、激光雷達、驅(qū)動總成、伺服控制器在內(nèi)的主要部件仍然依賴進口，使整機成本居高不下。

2003年左右，隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，基于日本技術(shù)理念的簡易型移動機器人開始在中國市場出現(xiàn)，其簡易的應(yīng)用模式更適合汽車總裝流程的原料配送，加之價格低廉、易于部署、易于操作等優(yōu)勢，很快被國內(nèi)汽車廠采用，物流移動機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模得到了一定的發(fā)展，與之相配套的核心部件，如：差速驅(qū)動轉(zhuǎn)向架（含伺服控制器）、磁帶導(dǎo)航傳感器、基于單片機的車載控制器得到發(fā)展，形成了小規(guī)模的市場。

2012年后，隨著高速發(fā)展的電商對物流時效性要求不斷提升，隨著工業(yè)4.0成為制造業(yè)發(fā)展趨勢，由于國家政策的導(dǎo)向，物流移動機器人從幾乎不為人知的小眾產(chǎn)品一躍成為“智能制造”新寵兒，同時在資本的驅(qū)動下，新興公司不斷涌現(xiàn)。據(jù)聯(lián)盟2020年數(shù)據(jù)顯示，在250余家核心配套件企業(yè)中，涉及激光雷達的有27家，涉及驅(qū)動部件、電機及伺服控制器的有35家，涉及通訊類產(chǎn)品的有7家，涉及蓄電池的有50余家，涉及充電設(shè)備的有20余家?……核心配套件供應(yīng)鏈細分市場逐漸形成。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用在室外AGV

2015年后，傳統(tǒng)的叉車企業(yè)逐漸感受到了市場的變化，采取集成技術(shù)或自主研發(fā)的方式進入物流移動機器人領(lǐng)域，此類企業(yè)不僅能夠提供整機產(chǎn)品，還可以為其他企業(yè)定制生產(chǎn)專業(yè)的叉車車體（機械本體），通過合理配置，將工業(yè)車輛的伺服驅(qū)動、輪系布置、液壓舉升等技術(shù)應(yīng)用到了產(chǎn)品中，一舉改變了叉車整機改裝的局面，減少了浪費，大幅度降低了物流移動機器人企業(yè)的設(shè)計制造成本。配合叉車企業(yè)的變化，部分叉車配套廠家同樣看到了機會，設(shè)計制造了各種專用驅(qū)動總成，打破了長期依賴國外（德國、意大利）進口的局面，加之低壓交流電機在叉車行業(yè)的推廣以及伺服控制技術(shù)的進步，使得同類產(chǎn)品的售價低于國外進口的二分之一。

總體來看，國內(nèi)核心配套件市場逐漸趨于完善成熟，核心技術(shù)自主可控，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，銷售價格穩(wěn)中有降，從根本上推動了中國物流移動機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

2.從主要配套件看技術(shù)進步

在移動機器人系統(tǒng)中，上位調(diào)度系統(tǒng)及車載控制系統(tǒng)軟件最能體現(xiàn)系統(tǒng)核心技術(shù)。隨著應(yīng)用模式的不斷增多，調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用策略也在不斷完善豐富，從流程型、節(jié)拍型、到離散型的行業(yè)，從串聯(lián)型、并聯(lián)型、到混聯(lián)型的系統(tǒng)，都有了切實的應(yīng)用案例。隨著各行業(yè)智能制造的深入推進，調(diào)度系統(tǒng)不再是傳統(tǒng)意義的任務(wù)管理、車輛分配與交通管理，而是賦予了更多的內(nèi)容，以促使“智能生產(chǎn)”與“智能物流”相互融合。為此，移動機器人企業(yè)通常會對目標行業(yè)進行深入研究，構(gòu)建一套適合行業(yè)工藝特征的調(diào)度系統(tǒng)，成為行業(yè)技術(shù)壁壘乃至核心競爭力。也正因如此，包括國外先進公司在內(nèi)，均無法提供包打天下的調(diào)度系統(tǒng)。近兩年來，車載控制系統(tǒng)在硬件技術(shù)不斷進步的情況下，控制水平也在節(jié)節(jié)攀升！從無反射板激光導(dǎo)航到視覺導(dǎo)航，從高位存取到多層疊放，從自動避障到自動裝卸……智能化水平不斷提升，部分技術(shù)超越了國外先進水平。國內(nèi)還出現(xiàn)了以提供核心技術(shù)為主、整機業(yè)務(wù)為輔的技術(shù)型企業(yè)，以調(diào)度系統(tǒng)軟件、車載控制硬件及軟件為主要產(chǎn)品。

國產(chǎn)大功率驅(qū)動總成應(yīng)用在重載AGV

在電氣類配套件中，筆者印象最深的是激光雷達和北斗衛(wèi)星定位技術(shù)。2002年前應(yīng)用的激光導(dǎo)航技術(shù)還只是基于測角，并沒有飛行時間（TOF-Time of Flight）測距技術(shù)，在當(dāng)時已經(jīng)掌握光學(xué)原理以及測角定位算法的基礎(chǔ)上，國內(nèi)依然找不到一家企業(yè)能夠生產(chǎn)激光雷達，無論是激光二極管、砷化鎵傳感器，還是高精密的碼盤都達不到要求。但國內(nèi)技術(shù)發(fā)展到今天，國產(chǎn)激光雷達產(chǎn)品系列豐富，單線型、多線型應(yīng)有盡有，產(chǎn)品不僅能夠滿足非接觸安全防護的需求，更能滿足反激光導(dǎo)航要求，其角度分辨率與測距精度都已達到了國外同類產(chǎn)品的水平，徹底打破了國外壟斷的局面。部分企業(yè)還根據(jù)自身產(chǎn)品的特性，開發(fā)集成了激光導(dǎo)航定位算法，降低了整機企業(yè)的開發(fā)難度。另外就是北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，2015年，僅依靠我國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)及地面差分站，筆者親眼目睹了12米長、2.5米寬的室外重載AGV，在承載120噸的情況下，單機重復(fù)定位精度小于5cm，運行覆蓋范圍可達10km。國內(nèi)目前至少有4家企業(yè)能夠提供類似的北斗衛(wèi)星地面導(dǎo)航系統(tǒng)及其硬件產(chǎn)品。二十年前，一個用于導(dǎo)航的進口單軸壓電晶體陀螺（Gyroscope）比控制器還貴，而在今天，慣性器件（IMU-Inertial Measurement Unit）完全能夠集成在控制器中，而整個控制器的價格僅為當(dāng)年進口陀螺的1/3左右。

在通信技術(shù)方面，從4800bps的射頻（RF-Radio Frequency）通信發(fā)展到了百兆計的WiFi通信，又發(fā)展到了目前的5G通信，無論是在數(shù)據(jù)量和實時性上都有了極大的提升，再也不用為AP切換、無線漫游、通信丟失等非本專業(yè)問題而苦惱了。在復(fù)雜項目實施時，還能夠得到專業(yè)通信公司提供的幫助，大大降低了系統(tǒng)部署難度。

除以上談及的主要配套件外，其他的配套器件在技術(shù)上也都取得了長足進步，如：UWB無線定位技術(shù)能夠解決人機混行交通安全問題；無接觸的充電技術(shù)能夠解決潔凈區(qū)域的充電問題；驅(qū)動裝置的承載能力和牽引能力也不斷攀升，蓄電池的能量比也越來越高……，硬件技術(shù)提升以及成本降低，更加拓寬了產(chǎn)品應(yīng)用范圍。

總體來看，國內(nèi)核心配套件市場逐漸趨于完善成熟，核心技術(shù)自主可控，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，銷售價格穩(wěn)中有降，從根本上推動了物流移動機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

四、從產(chǎn)業(yè)視角看核心配套件技術(shù)發(fā)展趨勢

產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天，其實很多核心配套件企業(yè)已經(jīng)不僅僅是傳統(tǒng)意義的供應(yīng)商了，他們的技術(shù)在向下游延伸，更像是整機企業(yè)的技術(shù)支持者：驅(qū)動總成企業(yè)可以根據(jù)移動機器人的承載指導(dǎo)設(shè)計選型，運行速度、轉(zhuǎn)向角度也可以由伺服控制器獨立完成，其精度及響應(yīng)時間都優(yōu)于來自車載控制器的閉環(huán)控制；導(dǎo)航產(chǎn)品企業(yè)更是能夠根據(jù)自身產(chǎn)品的特性，開發(fā)導(dǎo)航定位算法，將位姿信息直接提供給車載控制系統(tǒng)，控制器不再需要進行復(fù)雜計算，降低了車載控制系統(tǒng)的復(fù)雜度……種種跡象表明，未來移動機器人產(chǎn)業(yè)會像汽車、叉車產(chǎn)業(yè)一樣，不僅是簡單的產(chǎn)業(yè)細分，更是會向著“讓專業(yè)的企業(yè)做專業(yè)的事”這個方向發(fā)展，整機生產(chǎn)企業(yè)或許會更像總裝廠，不再需要掌握全部技術(shù)，這就會極大降低生產(chǎn)制造的技術(shù)門檻。同時，這也將給傳統(tǒng)移動機器人企業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)。

筆者認為，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的繼續(xù)擴大，物流移動機器人必然會以標準化、可配置化的產(chǎn)品來應(yīng)對定制化的市場。為此，核心配套件的硬件接口將更加標準，控制軟件將更加可配置，業(yè)務(wù)層的數(shù)據(jù)傳遞及表達將更加統(tǒng)一，核心技術(shù)也將更加細分。這些變化，一方面能夠聚集多方力量，減少研發(fā)風(fēng)險，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，增強應(yīng)對市場的能力；但另一方面，產(chǎn)品同質(zhì)化的風(fēng)險將會加劇，市場競爭更加激烈，利潤空間會被進一步壓縮。

總之，前景可期，但道路依然坎坷！筆者建議：中國物流移動機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要更多的專業(yè)人才，加大技術(shù)及技能人才培養(yǎng)應(yīng)該成為高校、企業(yè)的長期規(guī)劃；所有企業(yè)都應(yīng)重視標準的貫徹執(zhí)行，這是控制產(chǎn)品質(zhì)量與成本的重要手段，也將成為用戶手中的“尺子”；應(yīng)高度重視產(chǎn)品運行的安全性和可靠性，共同維護好產(chǎn)業(yè)信譽；應(yīng)盡快建立起完善的售后服務(wù)體系，實現(xiàn)類似汽車4S店模式的本地化服務(wù)；系統(tǒng)的智能化水平仍需繼續(xù)提升；應(yīng)對非常規(guī)環(huán)境（無法滿足人類活動的作業(yè)環(huán)境，如防爆、輻射、高低溫等）的產(chǎn)品技術(shù)有待提高。