倉儲物流機器人研究中存在的問題與對策分析

閆燕，侯億森，曹亞軍

（上海電機學院，上海，201303 ）

0 引言

近年來，隨著我國電子商務行業發展的越來越迅速，對電商物流需求也隨之不斷提高。2018年，我國社會物流總額為283.1萬億元，同比增長6.4%, 2019年我國社會物流總額達298.0萬億元 同比增長5.9%,電子商務已經成為拉動經濟增長的重要方式。中國物流業近年來發展迅速，但整體質量卻不容樂觀，由于運輸過程的復雜度不斷提高，人工經常出現送錯或延誤的現象，同時還伴有交通安全和環境問題，我國的物流成本占據產品本身價值40%左右，而在經濟較發達的國家，其物流成本一般只占產品的約四分之一[1]。國際上物流倉儲機器人已批量應用，作為電商標桿企業的亞馬遜，在2013年發布了用于分揀的輪式移動機器人FIVA，以并聯方式實現了大規?！柏浀饺恕笔椒謷?，為電商的倉儲和分揀帶來了革命性的變化。

本文對我國倉儲物流機器人的發展現狀進行介紹，介紹了它的三個優點：可以提高工作效率，提高倉庫的利用率以及降低分揀的錯誤率。分析了當前倉儲物流機器人在發展中遇到的問題及其原因，并針對這些問題制定了相應的對策。希望可以通過解決這些問題，使倉儲物流機器人的制造和使用成本降低，可以在更多的企業得到普及，節約人工成本提高企業競爭力。

1 我國物流倉儲機器人的發展現狀

我國物流機器人從上個世紀60年代開始發展，但是受制于經濟環境市場規模等方面的影響發展進度較為緩慢。我國物流機器人市場還處于初級階段，市場空間巨大[2]。近年來在“中國制造2025”等各類政策的保障下以及我國電子商務的快速發展下，對倉儲物流機器人的需求也越來越大，倉儲物流機器人的應用場合也在不斷擴大。

我國目前的物流倉儲機器人主要應用在物流行業，按作業環節和技術角度來劃分主要是兩大類，一類是應用于物品碼垛、拆垛、分揀包裝等環節的工業機器人。另一類是用于搬運、分揀環節的輪式移動機器人。

1.1 用于物品碼垛、拆垛、分揀包裝等環節的工業機器人

1.1.1 碼垛機器人

碼垛機器人負責完成在托盤上對貨物進行碼垛的工作，碼垛機器人不僅工作時間長而且精度和負載能力都要超過人工作業的方式。他可以根據不同類型的貨物，進行不同形狀的堆疊。目前單臺碼垛機器人的工作效率超過了2500件/小時。

拆垛機器人的工作是將托盤上的貨物拆成單件。與機器人的碼垛相比，拆垛的操作難度更大。在拆碼環節，利用3D視覺體積測量系統實時掃描垛型最上層的物料信息，輸出拆垛指令信息給機器人系統，幫助機器人完成拆垛作業[3]。碼垛機器人的關鍵部位技術近年來取得了一定的突破，大大加強了碼垛機器人的效率和適應性。目前單臺碼垛機器人的工作效率超過了2500件/小時。

1.1.3 分揀機器人

分揀機器人是一種可以快速進行貨物分揀的設備。分揀機器人在接到訂單后，可以快速定位出商品在倉庫的具體位置，然后規劃出最優的揀貨路徑，揀貨完成后將貨物送到打包臺[4]。目前分揀機器人在食品加工行業中應用較為廣泛，近年來在煙草商業物流中心的卷煙分揀配送中也得到了推廣應用。分揀機器人技術關注點主要集中在圖像識別的可靠性方面。

1.2 輪式移動機器人

自動引導車（AGV）是裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車輛[5]。自動引導車可以分為兩類：一類是有軌引導車，這種設備運行前需要鋪設好軌道，只能沿軌道移動；另一類是無軌引導車，它不需要鋪設軌道，可以自主尋找最優路線智能化程度更高。

1.3 倉儲物流機器人在其他行業的應用

目前，我國倉儲物流機器人在其他行業也有應用。在制造業方面，倉儲物流機器人可以高效、準確的搬運物料，搬運的路線可以根據實際情況的變化進行及時的調整，已廣泛應用于汽車制造產業。應用于郵局和港口碼頭，這些場所的物品運輸量大、動態性強，倉儲物流機器人的自動化、智能化等特點正好可以滿足上述要求，我國1990年于上海郵政樞紐開始使用AGV，完成郵品的搬運工作[6]。應用于危險場所和特征行業，在軍事上物流倉儲物流機器人可以安裝上攝像頭進行地形探測和戰場排雷，減少士兵的傷亡。在鋼鐵廠倉儲物流機器人用于爐料的運輸，大大減輕了工人的工作量。

2 倉儲物流機器人的優點

倉儲物流機器人作為智慧物流的一個重要環節，順應了當今數字經濟時代的發展需要，并且為物流企業解決高度依賴人工、快遞分揀效率等問題打開了突破口。目前世界上的電商巨頭已經在倉儲配送中應用倉儲物流機器人。它的優點主要可以歸結為以下三個方面。

2.1 節約人工成本

倉儲物流機器人可以自行對貨物進行分類裝盒并進行投遞，工作人員只需要通過手里的操作終端下達命令即可。與人工相比倉儲物流機器人的工作時間更長每次運輸的負重也更大，只要電池有電就可以一直工作，充電相間較短，并且它可以利用設定好的程序來尋找最短運輸路線。京東最新研制的DELTA機器人的分揀速度為3600次/小時,是人工揀選效率的5到6倍，配合高速提升機,吞吐量可達1600箱/小時,效率是人工出入庫的10倍[7]。

2.2 提高倉庫利用率

物流產業對土地的需求量很大，需要大量的土地建立倉庫進行貨物的中轉，但是由于土地資源具有稀缺性，限制了物流產業的發展。目前國際上最新的物流倉儲機器人可以統計商品的需求量，然后按照需求量對貨物進行擺放，需求量高的他們放在上面需求量較低的放在下面，以便可以在最短的時間內取放貨物。根據統計，如果應用倉儲物流機器人，在保證同等儲存能力的條件下，可至少節約70%以上的土地和80%以上的勞動力[8]。

2.3 降低錯誤率

物流行業的工作量大，訂單繁多且貨物情況復雜，單純的依靠人工進行分揀配送經常會出現貨物丟失和配送出錯等情況?，F有的機器人按有兩個攝像頭，一個朝上用于讀取貨物的二維碼，另一個朝下用來讀取坐標，每個二維碼對應一個貨架，這樣一一對應比人工分類更準確[9]。亞馬遜，2012年在各個倉庫部署物流機器人Kiva ，可將貨架從倉儲區移動到揀貨的倉庫員工面前，工作準確率達到99.99%[10]。杭州空港園區的跨境智能倉庫裝備倉儲物流機器人后揀效率有原來的150件/小時提升到350件/小時，作業的出錯率比整體行業降低了近50%。

另外，三維模型的建立有利于材料統計工作的實施。傳統項目中的儀表材料用量通常都是估計量加裕量，主要依靠設計人員的經驗來確定，材料用量很難準確控制，容易導致施工中出現糾紛，最終的結果就是材料用量超預算采購量。在三維模型中，設計人員可以根據變送器、接線箱、閥門等儀表設備的位置，準確計算電纜、氣源管、支架等各類安裝材料數量，大幅提高了材料統計的準確性，既有利于成本控制，也能做到有據可查。

3 當前我國倉儲物流機器人當前面臨主要問題及成因分析

3.1 企業對倉儲物流機器人的認知度不夠的問題

機器人在我國的應用與歐美等發達國家相比還有很大差距。大多數物流企業尤其是中小物流企業對倉儲物流機器人的了解并不多，他們并不了解倉儲機器人的相關信息、也不了解倉儲物流機器人能給他們帶來多大的效益。這就影響了倉儲物流機器人在我國的引進與推廣。

3.2 維修困難問題

物流倉儲機器人一旦出現問題，企業想對機器進行維修比較困難。主要有兩方面的原因：一方面原因是一些倉儲物流機器人體型較大，人工進行移動比較困難。另一方面原因是倉儲物流機器人內部線路比較復雜，沒有經過培訓的員工根本不懂沒有辦法修理，需要聯系廠商的售后人員進行維修，所消耗的時間較長影響企業績效。

3.3 安全問題

由于倉庫的貨架安放的比較密集，倉儲物流機器人在運行的過程中可能因為放置貨物的托盤不夠大搬運貨物碼放的不整齊導致整體重心偏移，如果操作人員沒有及時發現，可能會側翻碰倒貨架，造成財產和人員損失。

3.4 成本問題

倉儲物流機器人從設計到制造，是一個系統的工程費時費力。國產機器人的性能、質量 與發達國家的機器人產品還存在較大差距，變速器、控制器、傳感器等核心部件亟待突破[11]。并且不同的用戶對倉儲物流機器人有著不同的需求。這些原因導致倉儲物流機器人的品種繁多，零部件質量低，結構性差。不利于企業的批量化生產，成本難以降低。目前，我國牽引式物流搬運車均價41.5萬，按照十年折舊每年4.15萬，一個搬運工人每個月平均工資6000元，雖然從長久來看牽引式搬運車可以給公司帶來更多的效益，但是中小型物流企業資金比較緊張物倉儲物流機器人的價格還是偏高。

3.5 技術問題

機器人帶載運行穩定性差，容易出現無法舉升貨架或行駛軌跡偏移等問題[12]。傳統的倉儲物流機器人路徑規劃設計是以蟻群算法為主，這種算法耗時較長效率低，在使用倉儲物流機器人在倉庫里搬運貨物時，當只有一臺機器人運作可以做到最短路徑搬運貨物，但是在企業實際運行中往往需要大量的倉儲物流機器人同時進行搬運，由于場地有限很難實現所有的機器人都做到最短途徑的搬運。在企業的實際運行中發現，有時候倉儲物流機器人會在運行過程中脫離預設線路發生追尾事故。

3.6 倉儲物流機器人可靠性的問題

倉儲物流機器人的工作主要是進行貨物的碼垛、拆垛以及運送，因此對工作精度要求比其他類型的機器人要低。但是由于工業生產和物流運輸的運輸量較大，而且抓取、搬運、碼放動作不斷重復，這就要求碼垛機器人具有較高的運動平穩性和重復精度，以確保不會產生過大的累積誤差[13]。

4 解決對策

為了解決上述問題，加快倉儲物流機器人在我國的發展速度，本文提出以下解決辦法：

4.1 轉變企業觀念

加大對倉儲物流機器人的宣傳和推廣力度，企業應該及時轉變落后觀念，引進相關人才，降低企業物流管理的成本。企業組織人員去物流自動化程度較高的企業參觀，此外對全體員工進行定期培訓，了解倉儲物流機器人的相關信息，對相關的理念技術進行普及教育，確保機器人在引進之后可以發揮最大程度的作用。

4.2 對機器人進行模塊化處理

研發企業提高技術，對機器內部線路進行模塊化處理，優化結構使線路變的更為簡單。配備產品說明書，對機器經常出現的問題進行說明并給出具體的解決方案。機器人制造商給機器配備備用的線路模塊，物流企業在接收到設備之后對企業內部維修人員進行培訓，當機器出現故障時企業維修人員可以進行簡單的維修或者更換備用模塊。

4.3 適當拓寬托盤加強人員維護

可以通過對物流機器人上方托盤進行適當拓寬的方式，改善在搬運貨物時機器人重心不穩的問題；對貨架進行加固，貨架上的貨物堆放不宜過多可以通過倉儲物流機器人勤拿勤放，既提高了貨架的使用效率又降低了危險性；安排人員定時巡檢，發現有貨物碼放不整齊的情況及時重新擺放。

4.4 建立系統化的倉儲物流機器人制造體系

建立標準化、系統化的倉儲物流機器人軟件和硬件體系，可以降低機器人的從設計到制作的費用。政府制定相關的行業標準，使企業規范化運作，同時出臺相關政策鼓勵企業對芯片和傳感器等器件的研發，提高器件國產化程度降低生產成本。

4.5 安裝感應裝置并優化路徑規劃算法

在機器人的周圍安裝一圈感應裝置，可以進行全方位的感應，避免了機器人的相互碰撞。目前的物流機器人是采用掃地貼碼進行運作的，如果可以能研發出紅外線式機器人，通過紅外尋找最短路徑，避免需要避讓其它機器人而繞遠路，這樣就能大大節省機器人搬運時間，提高揀貨效率。為了提高定位計算的計算效率，定位所需的環境數據將通過對部分信息進行預處理，進行快速計算和定位，這樣不僅節省了大量的運算時間，同時也保證了位置信息的刷新速率[14]。

目前，已經有許多關于路徑規劃算法的研究。例如：基于禁忌搜索的路徑優化算法、使用改進蟻群算法進行路徑優化、基于鯨優化算法的路徑規劃等等，這些算法可以提高搜索的準確性，解決機器易鎖死的問題。但是這些算法方案較為復雜，運算量較大還需要進一步改進以適應企業在實際運行中的需求。

4.6 研發新型技術

研發視覺、力覺、溫度傳感器等多種傳感器融合的技術，使其對目標周圍環境進行建模，測量物體的實際參數及位置，判斷出應該用何種加持方式和力度進行搬運，同時優化算法，提高機器的分析和糾正誤差的能力，對操作中出現的誤差進行及時的糾正。

5 總結

倉儲物流機器人代表著現代物流行業的發展方向，其主要優勢是提升貨物搬運效率節約人力成本，使得傳統物流企業從管理到業務發生根本性的改變。倉儲物流機器人是物流行業與智能機器人技術的融合產品 ，能夠完成物流領域中不同環節的任務[15]。我國作為世界機器人第一大市場，機遇與挑戰共存，目前我國的倉儲物流機器人研發成本、技術和核心器件的制造都和歐美國家有一定的差異，但是只要我們認清形勢，確定目標，攻克核心技術和器件，相信通過政府和科研工作者的共同努力一定可以在不久的將來實現物流倉儲機器人的大規模使用。