AGV引爆物流智能化革命

2017-04-17金亚萍

机器人产业 2017年2期

□文/金亚萍

AGV引爆物流智能化革命

□文/金亚萍

据IDC预计，到2019年，物流、医疗、公共事业和资源领域35%的领先机构将尝试利用机器人实现自动化运营。物流是制造业的重要组成部分，国产AGV机器人产业的高速增长能够从根本上提升物流体系的运行效率，对我国制造业带来深远的影响。

在工业 4.0和“中国制造2025”的推动下，智能物流迎来了重大的发展机遇，智能物流也是构建未来智能工厂的基石。AGV是智能物流装备的关键核心设备。智能物流的任务是要找到一条尽可能地降低库存、提高灵活性、降低成本、生产时间和资源耗费方面的优化之路，也是企业智能升级的必由之路。

当前，物流行业规模正在以每年40%的速度快速增长，却依然是典型的劳动密集型行业。随着机器人技术迅速崛起，各行业掀起一股“机器换人”的热潮，而涉足物流领域的企业也纷纷投入AGV技术的研究。2016年5月我国颁布的《机器人产业发展规划（2016－2020年）》中明确指出，要聚焦智能生产、智能物流，攻克工业机器人关键技术，真空（洁净）机器人、全自主编程智能工业机器人、人机协作机器人、双臂机器人、重载AGV等六种标志性工业机器人产品。

图1 ：2011年-2016年中国AGV新增量与增长率（单位：台）

政策的东风引来资本的蜂拥，机器人正在迅速成为物流业中最流行的名词之一。而这其中，AGV就是针对物流自动化领域的应用，在机械加工、汽车、军工、家电生产、微电子制造、烟草、电商仓储等多个行业，成为AGV应用最广泛的领域，AGV产业2016年实现平稳发展的同时有部分应用领域增长超过预期。

图2 ：2011年-2016年中国AGV市场规模与增长率

金亚萍机科发展科技股份有限公司副总经理

国内 AGV 产业规模及现状

2016年AGV实现量增价降的局面，中国市场AGV整体销量较2015年实现大幅增长，2016年销量超过11000台，其中包含AGV、AGC以及电商仓储AGV、户外重载AGV，2016年增幅较大的主要原因为电商仓储AGV的使用和推广、AGC产品的爆发式增长以及户外港口AGV的应用。

从市场规模来讲，我国工业机器人市场规模不断增长，已成为世界上增长最快的市场。2003年我国工业机器人的需求仅约为1500台，到了2016年需求量达到了88200台，在13年的时间内增长了50倍左右。其中AGV市场规模2016年突破11亿元大关，2016年我国已经成为全球最大的AGV应用市场，AGV产业链由零部件企业、本体企业、系统集成商、代理商、终端客户构成。当前AGV应用领域正不断拓宽，种类更加繁多，功能越来越强，自动化和智能化水平显著提高。我国AGV市场已呈现出蓬勃发展的态势。从2010年开始我国工业机器人需求量激增，目前我国新增AGV中超过85%为自主产品。

从行业应用的角度来分析，AGV应用已经拓展到各个行业，除了工业级的应用外，也向商业服务业开始推广应用，以往的AGV使用大户如汽车、烟草这些行业仍然是使用量较大的行业。从AGC 销量来看，其中汽车行业使用占比超60%，家电制造行业占25%左右。其中3C行业的应用较去年稳中有升，3C行业的机器人使用与推广处于萌芽阶段。另外，需要强调的是电商快递行业物流智能化的快速发展，带动仓储AGV的崛起与大量的应用， 2016年仓储AGV销量接近1500台，占整体AGV销量的15%。（注：上面部分数据采用新战略机器人产业研究所发布的数据）

图3 ：2016年AGV/C 产品行业应用占比

AGV的技术发展和创新

AGV系统主要包括：AGV地面管理系统、AGV车载控制系统、AGV自主定位及导引系统、AGV运动控制驱动系统、AGV能源系统、AGV无线通信系统等，下面分别介绍各子系统相关技术的国内外发展现状。

AGV管理监控系统

AGV管理监控系统的主要功能是管理、监控和调度AGV执行搬运作业任务。AGV管理监控计算机一方面与上一级的信息管理系统（SAP/ER P/WMS/MES等）主机进行通信，产生、发送以及回馈搬运作业任务；另一方面通过无线网络系统与AGV进行通信，按照一定规则发送物料的搬运任务；并进行智能化交通管理、自动调度相应的AGV完成搬运物料任务，同时接受AGV反馈的状态信息，监控系统的任务执行情况，并向上一级信息管理系统主机报告任务的执行情况。

AGV管理监控系统是一个复杂的软、硬件系统，目前国内外中高端的AGV系统均有AGV管理监控系统。硬件由服务器、管理监控计算机、网络通信系统以及相关接口等组成，软件由相关的数据库管理系统、管理监控调度软件等组成。

AGV管理监控调度软件是AGV系统重要核心技术之一。系统软件的成熟程度制约着AGV的发展与推广，国外软件技术不开放也制约了国内AGV的发展与推广。近年来，管理监控调度软件的研发工作得到了重视，国内AGV生产厂家纷纷建立自己的AGV管理监控调度软件系统研发平台，研制出自己的AGV管理监控调度软件产品。

AGV车载控制器

AGV车载控制器是AGV控制系统的核心，负责完成人机交互、路径规划、任务执行、定位与导航控制、电源管理、自主避障、安全信息提示，以及与AGV管理监控计算机进行通信，反馈AGV的当前状态，并接受AGV管理监控系统的调度和工作指令等任务。AGV车载控制器的性能和可靠性直接影响AGV产品的性能和可靠性。早期的AGV车载控制器硬件通常采用工控机或通用PLC作为主控单元，通过比较复杂的控制软件和多种A/D、D/A接口完成人机交互、路径设定、任务调度、定位与导航控制、运动控制、电源管理、自主避障、安全信息提示，并与管理监控计算机进行通信、反馈AGV的当前状态、接受调度和工作指令等任务。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，嵌入式计算机的软硬件水平都得到很大提高，已经可以满足AGV产品的各种需要。此外，与工控机相比，嵌入式计算机系统具有结构紧凑、成本低、功耗小等明显优势，而这些对于必须使用自身携带电源的AGV产品尤其重要。因此，AGV车载控制器硬件采用嵌入式计算机系统将是未来的技术发展趋势。

AGV自主定位及导引系统

虽然AGV导引方式的种类很多，但目前得到应用或具有应用前景的AGV导引方式主要包括以下几种类型：

（1）电磁感应导引

该导引方式的基本工作原理为：在AGV的行驶路径上埋设金属导线，并加载低频、低压电流，使导线周围产生磁场，AGV上的感应线圈通过对导航磁场强弱的识别和跟踪，实现AGV的导引。目前，电磁感应导引技术比较成熟，应用也较为广泛。

该导引方式的主要优点为引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，无声光干扰，制造成本较低；而主要缺点则为路径更改的灵活性差，调整变动不便，感应线圈对周围的铁磁物质较敏感，对于一些路线比较简单的需要24小时连续作业的工况（比如发动机等装配生产线）目前配合非接触供电系统的应用在国外还是比较多的。

（2）磁带、磁点导引

该导引方式的基本工作原理为：在AGV的行驶路径上贴磁带或打磁点，通过磁感应信号实现导引。目前，磁带、磁点导引技术成熟，应用也较为广泛。

该引导方式的主要优点为改变或扩充路径较容易，磁带、磁点的安装简单；而主要缺点则为易受AGV行走路径周围的金属物质的干扰。此外，因为磁带外露，容易受到机械损伤和污染，导航的稳定性受环境影响较大，因此近年来此类AGV较多采用磁点方式。

（3）光学导引

该导引方式的基本工作原理为：在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对光学传感器采入的色带图像信号进行识别实现导引。此外，用CCD摄像机和图像处理系统替代普通的光学传感器可以有效提高导引系统的可靠性。目前，光学导引技术成熟，应用也较为广泛。

该导引方式与磁带导引方式比较类似，其主要优点为灵活性比较好，地面路线设置十分简单；而主要缺点则为易受色带污染和磨损的影响，对环境要求较高，导引可靠性受制于地面条件，停位精度比较低。

（4）激光导引

该导引方式的基本工作原理为：在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，安装在AGV上的激光定位装置发射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回来的信号，根据三角几何运算来确定其当前的位置和方向，实现AGV的导引。目前，激光导引技术比较成熟，应用也较为广泛。

该导引方式的主要优点为定位精确，能适应复杂的路径条件及工作环境，能快速变更行驶路径和修改运行参数；主要缺点则为激光定位装置成本较高。

（5）视觉导引

该导引方式的基本工作原理为：在AGV上安装CCD摄像机，AGV在行驶过程中通过视觉传感器采集图像信息，并通过对图像信息的处理确定AGV的当前位置（识别给定路标）。

视觉导引方式具有路线设置灵活、适用范围广、成本低等优点，也是AGV导引方式未来的发展方向。随着计算机技术的发展及快速图像处理关键技术的突破，视觉导引技术将成为最具应用前景的AGV导引技术。

（6）惯性导引

惯性导引方式的基本工作原理为：在AGV上安装陀螺仪,在行驶区域的地面上安装定位块，AGV通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和方向,从而实现AGV的自动导引。

惯性导引技术是AGV领域一项新兴的导引技术，其主要优点是技术先进、定位精度高、灵活性强。随着惯性敏感元件的发展，成本的降低，惯性导引技术也将成为最具有应用前景的AGV导引技术。

（7）复合导引

由于每一种导引方式均有其局限性，为了满足需要，可以将上述导引方式结合使用，两种导引方式可以实现无缝对接，比如由激光导引和磁导引构成的复合导引方式，在国内已经得到应用。

AGV运动控制系统

AGV作为移动机器人的一个分支，其驱动方式主要包括单舵轮驱动、差速驱动、双舵轮驱动及多舵轮驱动等四种方式。多舵轮驱动一般用于载重10t以上的重载AGV。

单舵轮驱动用于三轮车型：一个舵轮，两个固定从动轮（分布在车体轴线的两边）。这种结构的优点是用途较广，对地表面要求不高，而缺点则是结构相对复杂，转弯时（尤其是进行高速转弯时）稳定性较差。

差速驱动用于三轮或四轮车型：两个固定驱动轮（分布在车体轴线的两边），一个（三轮车型）或两个（四轮车型）从动自由轮，靠两个驱动轮之间的差速驱动实现转弯。与单驱动方式相比，采用差速驱动方式可以使AGV的结构更加简单，但对电机驱动总成的控制性能和基于外部传感器消除误差的能力要求较高，否则难以保证AGV沿给定路径运行。同样，采用差速驱动的三轮车型进行转弯时稳定性较差，而四轮车型对地表面平整度要求较高。

双舵轮驱动用于四轮车型：两个舵轮，两个从动自由轮。这种车型的突出优点是可以实现全方位（万向）行驶，特别适合狭窄通道或对作业方向有特别要求的环境和场合，而缺点则是AGV的结构相对复杂，对地表面的平整度有较高要求。

多驱动用于多轮车型：多舵轮驱动是指4个以上的舵轮，一般都用于载重10t以上的重载AGV,运动模型比较复杂。

电机驱动总成

AGV的电机驱动总成由伺服电机和减速机构组成，用于AGV本体驱动以及装卸载机构的驱动，是AGV的核心部件，对AGV的成本和性能影响很大。目前国内电机驱动总成与国外相比仍有较大差距，国产AGV产品大多采用进口电机驱动总成及驱动器产品，成本很高。

目前在国外，以低压交流电机为核心的交流电机驱动总成因其效率高、维护成本低，被广泛用于重载AGV驱动系统中。国外AGV产品供应商竞相推出了性能更佳的交流电机驱动的AGV，将新型交流电机驱动的AGV作为参与全球市场竞争的制胜砝码。以丰富自己的产品，满足用户需求，赢得市场份额。

目前国内AGV生产企业主要采用的还是直流驱动技术，而直流驱动系统中直流电机的最大弊端是噪音过大、电刷打火、转子污染、电机温度过高，相对于直流驱动电机，交流电机比直流电机有更高的效率，交流电机的密封性比直流电机的要好很多，防护等级高很多，尤其不需要定期更换电刷，给使用者带来了很多便利。我国低压交流驱动控制技术在AGV中的应用才刚刚起步，市场前景将十分广阔。所以发展交流电机驱动AGV(特别是重载AGV)，势在必行。

AGV能源系统

AGV能源系统是AGV系统的关键系统之一，它包括：电池智能充电管理系统、智能充电机、电池电量检测和电池。

在一些应用场合，如AGV行驶路径为固定路径，可用非接触感应供电取代电池供电，非接触感应供电方式由车载控制器通过耦合取电板从地下敷设的高频恒流线路上获取电能，经车载AC-DC转换后供给车载元件，从而实现了AGV在运动中非接触感应供电，代替了传统AGV的电池供电系统。主要有以下四个特点：

1.解决了电池供电的容量限制问题，能够解决物流搬运对电能的连续需求问题，保证了AGV供电的持续性和可靠性。

2.避免了电池充电所带来的时间浪费，可实现100%的免维护，提高了生产效率。

3.减少了由于使用电池供电所造成的诸多环保问题，并可工作于对环境要求非常苛刻的无尘洁净环境或恶劣潮湿的工作环境中。

4.以设备使用5年以上时间计算，非接触感应供电系统相比采用电池供电系统投资及使用成本更低。

但目前国内常用的还是电池供电方式，非接触感应供电方式在国外汽车等制造行业已经得到批量使用，国内近1-2年在需要AGV连续作业的场合也有了一些应用，但都是采用国外的一些产品及技术，国内针对此项技术的研究还局限于一些大中院校，还没有成熟的产品。

AGV无线通信系统

AGV系统中有多台AGV同时工作，为了指挥各台AGV按照AGV管理系统所接受的任务协调地工作，（即对AGV指派任务、进行交通管理等），所有的AGV以及系统中的其它自动化物流设备均由AGV管理监控计算机进行统一控制。AGV需要将当前的状态报告给AGV管理监控计算机，与AGV之间的数据交换需要通过通信系统来完成，有固定运行线路的AGV可以通过在运行线路上埋设的导线进行感应通信，而全方位运行的AGV由于没有固定的运行线路，所以一般是使用无线通信方式与主机交换数据，当车间中干扰源较多时，通信系统必须有较高的可靠性，否则会引发AGV系统的误动作。目前国内外AGV无线通信系统大多采用无线以太网标准协议802.11b/g的通用无线系统。无线通信系统技术的提升和硬件成本的降低可以促进AGV的发展。

AGV在各行业的应用

自20世纪90年代末 AGV在我国烟草、汽车等行业开始应用以来，目前已经在工程机器、医药、电力、家电、化工、造纸/新闻印刷、印钞造币、国防、轮胎、玻纤、教育、电商物流等行业得到了推广应用。

如在汽车行业，AGV不但在发动机分装、后桥分装、变数箱分装等装配生产线上得到大量应用，在发动机箱体配送、仪表盘配送、小型零配件配送等方面也得到的广泛应用。另外，在国内纷繁的电商仓库物流市场也得到了应用，通过AGV实现了货到人，从而节省了人工成本，提高了仓库利用率，降低了分拣货物错误率。

AGV前景

不管是从市场，还是从技术层面来讲，AGV都有着不可取代的优势与市场前景，已然是未来市场上的一大趋势。

首先，我国面临着人口红利即将丧失、劳动力成本大幅攀升、训练有素的产业工人缺乏、招工难等问题，这些问题催生了对AGV需求快速增长的强大动力。其次，我国物流装备制造业也面临前所未有的机遇，我国已经成为世界上最大的物流装备市场，足以支撑各种规模、较大数量的物流装备企业发展。2016年，中国市场对智能输送装备的需求高达500亿元，国内企业对AGV的需求空前高涨，预计2017年新增AGV装机容量将达到20000台。最后，我国AGV正在获得前所未有的资金、技术、人才、管理等全方位的要素支持，具备加速起飞的强有力条件。

随着工业4.0的高速发展，人类需要机器人来协助配合完成工作，更多的机器人将参与到工业制造、物料运输等工作中。伴随着AGV产业的发展，其未来的应用市场和领域也在逐渐扩张，不仅能推进各行业自动化生产水平，同时也能产生良好的技术效应，从而带动整个行业的转型升级。

国内AGV企业面临的困境和对策

随着工业4.0时代的到来，我国智能物流装备的核心设备AGV产业发展面临着巨大的挑战，也存在前所未有的机遇。我们当前面临的主要挑战是基础研究不足，核心技术平台和产品严重依赖进口。我国大多数企业自主知识产权的AGV关键技术研究的时间还很短，技术基础比较薄弱。国内高端AGV市场大多数采用的是科尔摩根的NDC系统，另外市场非常不规范，没有统一的行业标准，也没有形成具有较大影响力的产业生态圈，行业内部低价同质化竞争也比较激烈。

建议我国AGV产业加快整合资源，实行分工合作，共建公共的技术平台体系，制定行业标准，加大产品的标准化、模块化，提高智能化水平。