多层“货到人”自动化拣选系统设计

2021-01-24龚志锋陈建银

制造业自动化 2021年1期

龚志锋，石超，闫丰，陈建银

（北京科捷智云技术服务有限公司，北京 100085）

0 引言

伴随着电子商务的飞速发展，电商等物流配送中心需要处理的订单往多品种、小批量方向转变，因此拆零拣选日渐成为电商配送中心最主要的拣选方式之一。与整件拣选不同，拆零拣选需要耗费更多的人力，从而导致配送中心成本不断上升。为了能够在提高物流效率的同时降低人力成本，使用自动化设备逐渐成为新的风向。

亚马逊的Kiva机器人是目前智能自动化仓储中较新的一项技术，在国内，类Kiva机器人货到人拣选系统以其高订单拣选效率被广泛应用于各大电商仓储物流中，例如京东、菜鸟等。此外，对类Kiva机器人的开发应用从未停止过，各大厂商都在不断探索新的模式从而能够在提高拣选效率的同时降低人力成本。

对于物流机器人，往往都采用当下流行的“货到人”拣选模式。在该模式下，货架被物流机器人自动运往工作站，大幅节省了人工找货与搬运时间，效率提升显著。然而，“货到人”模式作为一种存拣一体的方案，其货架高度往往在2m左右，且整体的存储布局为单层结构，而目前国内的大部分仓库的高度基本都在10m甚至更高，因此“货到人”模式对库房的空间利用率较为低下，随着库房租金的上涨以及业务规模的扩大，传统“货到人”模式的局限性开始显现。

本文研究并设计一种具有多层结构的“货到人”拣选系统，在解决原模式空间利用率低下问题的同时，增强单位时间吞吐量，使得新模式具有更高的库容与出库效率。

1 系统简介

本文设计的多层“货到人”拣选系统，顾名思义，是在“货到人”的基础上采用多层结构，提高系统的库容量。在此种模式下，在有订单存在的情况下，系统会自动控制物流机器人将各层的货架取出后搬运至各层的工作站进行下架拣选，操作人员只需在工作站就能完成所有的工作，存储区域基本能够实现无人化。

图1 系统总览

从图1(a)可以看出，系统总共包含了3个区域，分别为存储区、交通区、工作站区，各区域主要功能如下：

1）存储区：主要由可搬运货架与AGV通道构成，每两列货架与一条通道构成一巷道，AGV在不同巷道中执行搬运任务。

2）交通区：由提升机与AGV道路构成，是连接存储区与工作站区的枢纽，其中提升机用于AGV往返于不同层之间，是连接各层的纽带。

3）工作站区：唯一的人工操作区，工作人员在这里完成下架、播种、复核打包等一些列操作。

从流程上讲，AGV接到搬运命令后，在存储区找到货架，经过交通区来到工作站区，工作人员将货架上的货物取下后，AGV将货架搬回存储区，接着执行下一个搬运任务，并由此不断循环，因此本系统构成了一个拣选系统的闭环作业流程。

2 软件流程设计

多层“货到人”管理软件系统主要由5个部分构成，如图2所示，分别为WMS（仓储管理系统）、RMS（机器人管理系统）、Client（工作站客户端）、AGV以及提升机。其中，RMS为整个系统的核心，担任数据交换枢纽以及命令下发的角色，工作时，WMS将订单数据推送给RMS，RMS再将订单分配至各个工作站并调度AGV与提升机执行搬运任务。各个工作站中装有客户端，用于接收订单以及下架播种，而最后的复核打包操作在WMS客户端中完成。

图2 管理软件系统

“货到人”管理软件系统可分为5个管理阶段，分别为数据准备、订单指派、货物搬运、订单拣选以及订单完成，通过类Kiva的智能机器人（AGV）实现物料的输送，并在最后对订单复核打包进行管理，最终实现对整个物料系统的信息追踪。

图3 系统流程

1）数据准备

WMS获得订单任务后，首先会对其进行筛选，将适合机器人拣选的散单挑出，整合后推送给RMS，RMS再根据订单货物的分布状况将订单分配至各个工作站客户端，尽可能使货物的搬运距离最短。

2）订单指派

当工作站客户端收到订单任务后，向RMS申请AGV搬运指定货架至工作站。

3）货物搬运

接收到搬运任务的AGV按照规划的路径前往存储区获取指定货架，然后经过交通区前往指定工作站，其中涉及到换层时，AGV经过RMS向提升机发出换层指令，提升机接收到指令后将AGV送至指定楼层。

4）订单拣选

AGV将货架送至工作站后，操作人员根据客户端的指引将指定商品下架，然后按照订单分类投放至播种墙的对应订单筐中。完成一个货架的任务后，后续AGV会不断将货架运送至工作站，直至所有订单全部完成。

5）订单完成

完成的订单会被传递至工作站另一侧进行复核打包操作，并等待与快递进行交接。

3 硬件设计

3.1 AGV

AGV为本系统的核心设备，承担着运送物料的重要任务。其采用类Kiva机器人的形式，具有顶升装置，通过底部的轮子行走，采用差速进行转向，内部装有加速度计进行惯性导航，从而能够完成行走、旋转与托举货架等动作。AGV顶底部都装有摄像头，分别用于扫描货架底部与地面的二维码以实现货架识别及导航，此外，其前后都装有激光传感器与物理碰撞条，以实现检测障碍物距离与碰撞停车的功能。

AGV通过库内AP发射的Wi-Fi信号连接至RMS服务器，因此RMS可以实时控制与获取机器人状态。AGV的外形如图4所示。

图4 AGV三视图

AGV通过二维码进行定位与辅助导航，其行走路径由一个个正方形行走单元构成，行走单元尺寸可以自由定义，一般大于等于1m×1m，每个行走单元底部中央都贴有二维码，运行时，机器人底部的摄像头扫描二维码，将二维码的数据与地图数据比对，从而进行定位。行走单元具体如图5所示。

图5 智能机器人行走单元

每个行走单元最多仅有4个方向可移动，即机器人仅能走直线与直角路径。此外，对于每一个行走单元，在构成地图时，可以关闭1个或多个方向，从而构成一定的交通规则以约束机器人的行走路径。

3.2 机器人货架

为了便于AGV搬运，存储用的货架需要进行特殊的定制，其往往由立柱片与隔板构成，可自由装配调整高度以适应不同体积的货物。

此外，货架每层空间都被纸箱或周转筐划分为一个个货格，即库存管理中的仓位，具体如图6所示。

图6 机器人货架

3.3 提升机

采用连续式提升机，每层对接机构都装有光电传感器，用于平台的对接。提升机控制系统通过网线连接至服务器，从而实现与AGV的交互，以满足AGV前往不同楼层的需求。

图7 提升机

4 各区域设计

4.1 存储区

存储区由机器人货架以“2+1”的形式构成，即每2列机器人货架增加1条通道，采用此种单深的形式可以使任意一个货架都能够直接取出，避免了倒腾货架的麻烦。

对于AGV，其在空车状态下可以无视通道的限制，直接在货架底下穿行，但一旦处于货架搬运状态，则只能在通道中行走。此外，当前的AGV在规划路径时基本采用最短路径的原则，路径规划后AGV会严格按照路径执行，若在行走过程中遇到障碍物或其他AGV堵路时会首先进行停车等待，在一定时间后道路仍不通畅的情况下才会重新规划路径，离智能化仍存在较大的差距。考虑到当前设备的智能程度尚不能达到人类的高度，在大量AGV同时工作的情况下，拥堵情况时有发生，因此对AGV的路径进行严格的约束，以降低拥堵发生概率。

如图8所示，将存储区的所有通道都约束为单向道，出入通道以间隔的形式布局，使AGV的出入路径构成U字形，从而有效避免AGV之间发生拥堵。

图8 存储区路线设计

4.2 交通区

如图9所示，交通区总计有3种路线，分别为工作站前的排队队列、提升机出入路线以及交通区大环线，AGV可通过不同路线之间的连接部分（即图9种为标明部分）实现在不同路线间的切换。

1）工作站排队队列

为了使操作人员能够连续不断地拣货，减少人等车的闲置时间，在工作站前设置排队缓冲，并限制其队形，防止排队AGV堵塞交通。从图9中可以看到，每个工作站前都设有一段长约6m的排队区（由数字1标出），正常运行时，AGV搬运货架从大环线切入排队区的队尾，在工作站前一字排开，等待操作人员一一拣货，完成拣货后AGV从队首离开进入大环线，返回存储区。

图9 交通区路线设计

2）提升机出入路线

由于AGV仅能依靠提升机进行上下楼层，因此提升机往往成为系统的效率瓶颈，为了提高AGV上下楼层的效率，当前设计系统包含2台连续式提升机，分别负责AGV的上楼与下楼，使上下楼分流且出入口分流。同时考虑到，提升机入口处往往是多台AGV等待一台提升机，而出口处是AGV与提升机一对一的，因此在提升机入口处设置排队队列，分别设置在2台提升机的两侧，一字排开。如图9所示，数字2标出了提升机的出入路线，总体逻辑为2侧入中间出。

3）大环线

在过往的AGV使用中发现，若将路径规划完全交由系统执行，而不做人为条件限制，一旦同时运行的AGV数量增多，结果往往会导致拥堵现象频发。对此，本文对交通区的中枢道路进行了严格限制，规划了一条环线，所有AGV在交通区仅能绕环形运动，直到到达指定出口处后离开环线。该环形相当于一条流动的缓冲队列，AGV在其中无时无刻都处于运动中，从而大大减少发生拥堵的可能性。如图9所示，环线已有数字3标出，该环线将工作站排队区、提升机出入路线以及存储区相互连接，是整个交通系统的核心。

4.3 工作站区

工作站区主要由工作站组成，此区域是整个系统唯一的人工操作区域，操作人员在此处进行下架、播种、复核打包。

图10 工作站

如图10所示，当货架被运至工作站，操作人员就将客户端屏幕指定的货物取出后按照播种墙提示放入对应的格子中，一个格子便对应一个订单，当某个订单的货物全部被满足后，则将该订单筐推向播种墙另一侧；另一侧的工作人员拿到订单筐后，在WMS客户端中执行复核操作，确认无误后打包并贴上快递面单，投入旁边的滑道中，该滑倒贯通所有楼层，将不同层的包裹悉数引向一层的收集筐中，待收集筐满后便被运至快递交接处等待发货，如图11所示。