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仓储领域机器人的技术发展与应用

文章出处:深圳市卡菲斯国际货运代理有限有限公司 人气:-发表时间:2017-10-16

在备受瞩目的“2017世界机器人大会”上,各种机器人集中亮相,其中包括搬运机器人、拆码垛机器人、包装机器人、复合机器人等不同类型的仓储机器人。根据中国电子学会日前发布的《2017中国机器人产业发展报告》,2017年我国机器人市场规模预计将达到62.8亿美元,三大类型机器人的销售额占比分别为:工业机器人67%、服务机器人21%和特种机器人12%;如果按照应用类型划分, 2016年搬运上下料机器人在工业机器人领域所占市场份额最高,达到61%,反映出仓储机器人市场高速发展的态势。

如果说亚马逊巨资收购Kiva公司引起了人们对仓储机器人的高度关注,那么近几年来中国电商和快递业的爆发式增长则直接促进了仓储机器人的大规模应用。当前,仓储机器人已经从完成码垛、拆垛、搬运等简单工作,深入到了分拣、拣选等更复杂的物流作业环节。除了阿里、京东、苏宁等电商巨头以及申通、圆通等快递企业加快布局智能机器人外,快仓、极智嘉等专门研发生产仓储机器人的公司也纷纷涌现,并受到资本市场的追捧。

无疑,仓储机器人的应用,在提高作业效率、降低工作人员劳动强度、优化资源、降低成本等方面发挥了重要作用。长远来看,随着我国人口红利在逐渐消失,用人成本高的问题日益凸显,用机器人取代人工、提高仓储自动化水平已是势在必然;另外,在“工业4.0”、“智能制造”理念的驱动下,智能物流将迎来巨大发展契机,仓储环节的机器人集成系统应用也会随之大幅增长。

总之,在我国的物流仓储领域,“机器换人”正在由理想转变为现实,但是值得进一步探究的是,市场情况并不如企业预期的火热。如何借助机器人推动仓储系统升级,如何在提高效率与降低成本间做好取舍,如何打破瓶颈提高仓储机器人技术水平,如何紧贴需求推出适用好用的仓储机器人,哪些应用模式会加速仓储机器人市场发展,这些都是业界接下来亟需思考的问题。

本期专题,我们对仓储物流机器人市场的一线企业做了深度访谈,以综述、专访、案例等不同报道形式对当前我国仓储机器人的技术发展和市场应用情况进行了剖析,阐明现状,解析瓶颈,探讨趋势,提出建议,以为行业发展提供一定的思考。



我国仓储物流机器人发展现状与未来趋势
文 / 杨文华

近年来,电商和快递业的爆发式增长更是催生了物流机器人的蓬勃发展,以此为契机,中国的物流机器人格局也正在从传统的工业领域向商业服务领域拓展。

随着市场对于物流自动化装备需求的不断增加,机器人在物流行业得到越来越广泛的应用,已经深入到仓储、配送各个环节,不仅提高了物流作业效率,减轻了工作人员的劳动强度,还有助于优化资源、降低成本,具有良好的经济效益和广阔的发展前景。本文主要探讨仓储领域机器人的技术发展和市场应用情况。

一、市场需求强烈

当前,经济发达国家纷纷推出工业4.0、智能制造等规划,掀起了新一轮的科技变革热潮。工业正在从自动化向信息化、数字化、智能化的方向发展,我们正在走向一个万物互联的世界,工业生产中的每一个环节都可实时沟通,让大规模定制化成为可能。

在中国,作为智能制造重要产业的机器人行业,得益于《中国制造2025》和《机器人产业发展规划》等国家政策的引导,呈现出快速发展的态势,中国已连续几年稳居全球最大工业机器人市场地位。数据显示,2016年全球工业机器人销售29万台,同比增长14%。其中,中国工业机器人销售近9万台,同比增长29%,而国产机器人累积销售2.9万台,同比增长31%。2017年,中国工业机器人销售有望突破10万台。

工业机器人自诞生开始,就成为自动化生产及物流系统中的关键设备,已成为现代物流系统迅速发展的重要组成部分。在工业制造及物流行业,企业为了提高自动化程度和保证产品质量,通常需要高速物流线贯穿整个生产过程。近年来,电商和快递业的爆发式增长更是催生了物流机器人的蓬勃发展,机器人已经从传统的码垛、拆垛、搬运等工作,深入到了仓储、分拣、配送等环节。作为电商标杆企业的亚马逊,在2013年发布了用于分拣的轮式移动机器人KIVA(也就是AGV),以并联方式实现了大规模“货到人”式分拣,为电商的仓储和分拣带来了革命性的变化。该模式与互联网、大数据技术相结合,使物流系统的感知能力、自主决策能力得以提升,智能化程度显著提高。以此为契机,中国的物流机器人格局也正在从传统的工业领域向商业服务领域拓展。

另外,长期实行的计划生育政策导致生育率偏低,我国的社会老龄化问题日渐突出,家庭和社会负担将会越来越重,劳动力成本的不断提高导致企业的负担大幅增加。面对多重压力,只有将重复、繁重、低回报的工作交给机器来完成。如今,这一问题在物流行业表现得越来越突出,物流机器人的重要性愈加凸显。

按应用领域来看,物流机器人被分为两类:一类用于工业制造,一类用于商业物流。物流机器人实现的功能主要是搬运、码垛、拆垛、分拣等。在工业制造领域,汽车、电子、金属加工等行业依然是物流机器人的主要应用行业;在商业物流领域,电商、快递行业对具有分拣功能的物流机器人(AGV)的需求最为迫切。

二、发展现状分析

近些年来,物流机器人得到了长足的发展,应用场合也在不断扩大。从作业环节和技术角度来分,仓储物流领域使用的机器人主要有两大类,一类是应用于物品码垛、拆垛、分拣包装等环节的工业机器人,如关节式机器人、直角坐标机器人、并联机器人、协作(复合)机器人等。另一类是用于搬运、分拣环节的轮式移动机器人,即自动导引车(AGV)。

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昆船智能 AGV

码垛机器人在物流系统中负责完成物料在托盘上的码垛作业。码垛机器人不仅能够长时间连续作业,其码垛速度、精度以及负重能力都要超过人工作业方式。随着国内劳动力成本的上升,物流行业对码垛机器人的需求得到了长足的提升。尤其是近年来,手爪夹具等关键部件的技术进步,大大提高了机器人的码垛效率和适应性,夹具可抓取不同规格尺寸的物料。在技术上,码垛机器人本体技术相对成熟,当前的技术发展更多是倾向于高效、可靠的夹具研发,从而满足更为高效的物流应用。近年来,通过可靠的整层抓取夹具,码垛机器人实现了整层码垛,单台作业效率超过了2500件/小时。

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库卡拆码垛机器人

拆垛机器人的作用是将托盘上的货物拆成单件。相比机器人码垛,拆垛的技术难度更大。由于挤压造成的货物外形变化、由于运输造成的货物位置变化等因素,都会影响拆垛的成功率。与码垛机器人一样,相对成熟的是机器人本体,更多的关注点在于夹具的设计。

分拣机器人辅以图像识别系统确定物料的位置和姿态,实现物料的可靠抓取,从而完成物料的自动装箱或分拣。目前在乳制品装箱、糕点装盘等食品加工行业中应用较为广泛,近些年来在烟草商业物流中心的卷烟分拣配送中也得到了推广应用。其技术关注点主要集中在图像识别的可靠性方面。

自动导引车(AGV)的传统功能是作为搬运载体。最近几年,在地方政策的引导下,国内出现了上百家以AGV为主业的专业公司,AGV的市场应用得到了长足的发展。作为柔性的自动化装备,AGV应用场景呈现出多样化:由单一的搬运载体变为智能的分拣设备、装配工具、服务工具等。AGV在导航、导引技术上不断创新,发展了基于北斗定位系统的卫星导航、基于UWB无线定位的无线导航、基于SLAM算法的自然(轮廓)导航、基于图像识别的二维码导航等。这些新技术的出现使得AGV的应用更加多样化,应用行业领域也越来越广,如,上海洋山港码头出现了重载集装箱搬运AGV,南京夫子庙出现了自动泊车机器人,部分电商、快递企业应用了分拣机器人,AGV产业在国内的发展出现了可喜的局面,据专业媒体报道,2016年中国AGV市场保持了25%以上的增长。

三、未来发展趋势

随着我国人口红利的消失以及劳动力成本的上升,企业的唯一方法是提高生产有效作业率,即生产的自动化程度。市场发展与用户需求多样化,势必对物流机器人提出更高的要求。

在码垛、拆垛机器人方面,全自动的混合堆码及拣选将会是技术发展的重点,其中涉及到图像识别、码放三维规划、适应性更强的夹具等技术。这些技术的应用,能够极大地提高机器人的适应范围,从而提升物流系统的效率和自动化程度。

十几年前,由于知道AGV的人非常少,笔者还在用“出租汽车”的例子向大家普及AGV知识。但今天,AGV产业在国内已取得了巨大的进步:国内企业自主创新能力不断提升,摆脱了对国外技术和产品的依赖。限于专业知识,笔者结合自身的工作经验,着重谈谈自己对自动导引车(AGV)技术发展的认识。

在传统的搬运市场中,AGV往往用于仓储与生产线之间的物料搬运。随着用户对智慧工厂、数字工厂认识的不断加深,出于对生产工艺、生产管理和产品质量的需求, AGV系统与整个生产工艺布局的相关性增大。因此,在AGV上位系统的研发中,应该更加注重对用户生产工艺、生产管理、物流管理以及质量管理等需求的研究,切实提高用户体验,上位系统须努力做到易于配置、易于管理、易于维护。结合用户工作流程,系统调度还应统筹考虑任务优化、路径优化等。例如,有些系统不一定需要任务最快响应,是否应该考虑任务堆积,有了统计意义后再进行任务优化,让系统有机会选择最合适的车辆执行最合适的任务,从而提高整个系统运行效率并降低能耗,这样的优化效果要比单纯的“最短路径时间”效果好。目前,国内的AGV单机技术发展已经趋于成熟,无论是“有线导引”还是“无线导航”,让AGV按指令运行起来已并非难事。笔者认为,未来AGV单机的技术发展应该是承载更重、运行更稳、速度更快、定位更准。应用将面向更复杂、更危险的特种环境(核环境、防爆环境、高低温环境、室外环境等),采用混合导引/导航方式,增加导引/导航冗余度,以提高单机作业的安全性和可靠性。

2015年,随着电商、快递行业的飞速发展,市场上出现了一位AGV“新宠”——智能分拣机器人。亚马逊KIVA机器人的出现,使国内电商、快递行业认识了AGV,体会到了AGV的应用价值。分拣AGV多采用地面标签(类似传统的直角坐标)及惯性导航,差速驱动,行驶方式(直行、自旋)简单可靠,单机控制难度并不大,但由于使用规模庞大,上位调度系统难度较大。限于行业特点,这类产品要求运行效率高,可靠性高,安全性高。笔者认为,电商行业“货到人”分拣模式,上位调度系统对大数据的统计分析是关键,由此可决定商品物理位置的优化及客户订单的优化,最后才是AGV任务和路径的优化。

目前,市场上又出现了用于分拣的复合机器人,即在AGV上加载机械手,可以直接到货架面前去拣选货品,改变单一的“货到人”模式。这又将是一种革命性的技术。它把智能装备“感知、决策、行动”的特点充分地体现了出来,由于被拣选的物品没有固定规则,材质、尺寸、重量大不相同,实现难度将非常大,但这仍然是值得研发的新技术。

与电商行业不同,快递行业对AGV的要求是把物料直接分拣到指定位置。在媒体上出现的视频中可以看到,该系统由人工扫码装载,使AGV与物料绑定获得目标卸货点;卸货口按快递区域分组,AGV可以把货物投到同一组中的任意卸货口;每组卸货口的物料归集,最终由传送皮带完成。这样,AGV的调度策略相对简单,运行的效率也会提高许多。随着技术进步,未来AGV能否直接自动完成装载,能否直接完成物料归集工作,还需更多努力,我们拭目以待。

另一个市场的“新宠”是用于停车场的智能泊车机器人系统。在“互联网+”与大数据政策的引导下,智能泊车机器人系统成为了智慧城市的重要组成部分。

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上海怡丰泊车 AGV

从本质上来说,此类AGV与其他全方位AGV在控制上并无多少区别,但在应用上有它的特殊性,投资方对车位数量的追求是此类应用的最大约束,在应用中须着重考虑减少AGV的运行空间,把空间让给停车位。因此,AGV单机在导航方式、驱动方式、装载方式的选择上须极为慎重。最终目的是,在尽可能增加停车位数量的前提下,为AGV单机赢得足够的运行空间,从而提高整个系统的运行效率。上位调度系统须与停车场WMS系统深度结合;而WMS系统更需要与大数据相结合,对车主行为进行分析,合理地安排车位。在上位调度技术上,须对“双深”或“三深”车位并行作业的调度模式进行研究;对“空载”和“满载”的不同路径分配进行研究;对停车峰谷与AGV数量的相关性进行统计等。在单机控制技术上,须对各种导引方式的优劣进行认真比较;对不同装载方式对AGV运行效率的影响程度进行比较;对AGV的行走方式进行合理选择等。未来系统的可靠性、安全性及高效性是项目应用成败的关键,无论是机械设计、电气设计还是软件设计,都应该遵循“简单而可靠”的原则。因此笔者认为,能让空载AGV自由通行的装载方式,简单而可靠的导引方式更应该值得关注。

四、发展瓶颈与建议

尽管我国在物流机器人技术上已取得了巨大进步,但与工业发达国家相比,在技术成熟度、应用适应性等方面还有着较大差距。我们必须认识到中国物流机器人产业技术仍然较为薄弱,不少关键部件仍依赖进口,以六轴以上多关节机器人为例,仍有90%以上自国外进口。在电商、快递行业的猛速发展下,越来越多的人选择了从网上购物,市场对仓储物流机器人应用提出了更多、更高的需求。如何冲破技术瓶颈,加速我国物流机器人发展,提高其应用水平,成为国产机器人行业进一步要解决的问题。

需要指出的是,我国AGV行业之所以还没有完全成长起来,鱼龙混杂,用户对产品功能识别性低,关键在于产品标准滞后。虽然国家已出台有关标准,但不是强制性标准,而是推荐性标准,形同虚设,不利于市场规范发展。

另外,人才缺乏也是制约我国物流机器人行业发展的一个重要因素。由于物流行业工作人员大多没有受过项目复杂度、艰难程度的考验,对于物流机器人技术缺乏更深刻的认识和理解。因此,需要更专业的研发人员、设计人员来推动物流机器人技术的发展和应用。

挑战与机会并存。虽然AGV在中国发展了20多年,但产品标准、产品质量、售后服务等问题一直困扰着行业。在此笔者对国内物流机器人特别是AGV行业的发展提几点建议:第一,行业的发展需要更多的专业人才,加大专业技术人才培养应该成为高校、企业的长期规划;第二,共同建立起AGV产品标准体系和质量体系,维护好来之不易的AGV市场;第三,在相同的产品标准体系下,共同建立起完善的售后服务体系;第四,逐渐进行产业细分,加大AGV专用器件的通用化,加大软件平台通用化;第五,规范行业宣传,提高用户对AGV产品的认知水平。



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