仓储物流机器人研究中存在的问题与对策分析

闫燕，侯亿森，曹亚军

（上海电机学院，上海，201303 ）

0 引言

近年来，随着我国电子商务行业发展的越来越迅速，对电商物流需求也随之不断提高。2018年，我国社会物流总额为283.1万亿元，同比增长6.4%, 2019年我国社会物流总额达298.0万亿元 同比增长5.9%,电子商务已经成为拉动经济增长的重要方式。中国物流业近年来发展迅速，但整体质量却不容乐观，由于运输过程的复杂度不断提高，人工经常出现送错或延误的现象，同时还伴有交通安全和环境问题，我国的物流成本占据产品本身价值40%左右，而在经济较发达的国家，其物流成本一般只占产品的约四分之一[1]。国际上物流仓储机器人已批量应用，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FIVA，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。

本文对我国仓储物流机器人的发展现状进行介绍，介绍了它的三个优点：可以提高工作效率，提高仓库的利用率以及降低分拣的错误率。分析了当前仓储物流机器人在发展中遇到的问题及其原因，并针对这些问题制定了相应的对策。希望可以通过解决这些问题，使仓储物流机器人的制造和使用成本降低，可以在更多的企业得到普及，节约人工成本提高企业竞争力。

1 我国物流仓储机器人的发展现状

我国物流机器人从上个世纪60年代开始发展，但是受制于经济环境市场规模等方面的影响发展进度较为缓慢。我国物流机器人市场还处于初级阶段，市场空间巨大[2]。近年来在“中国制造2025”等各类政策的保障下以及我国电子商务的快速发展下，对仓储物流机器人的需求也越来越大，仓储物流机器人的应用场合也在不断扩大。

我国目前的物流仓储机器人主要应用在物流行业，按作业环节和技术角度来划分主要是两大类，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。另一类是用于搬运、分拣环节的轮式移动机器人。

1.1 用于物品码垛、拆垛、分拣包装等环节的工业机器人

1.1.1 码垛机器人

码垛机器人负责完成在托盘上对货物进行码垛的工作，码垛机器人不仅工作时间长而且精度和负载能力都要超过人工作业的方式。他可以根据不同类型的货物，进行不同形状的堆叠。目前单台码垛机器人的工作效率超过了2500件/小时。

拆垛机器人的工作是将托盘上的货物拆成单件。与机器人的码垛相比，拆垛的操作难度更大。在拆码环节，利用3D视觉体积测量系统实时扫描垛型最上层的物料信息，输出拆垛指令信息给机器人系统，帮助机器人完成拆垛作业[3]。码垛机器人的关键部位技术近年来取得了一定的突破，大大加强了码垛机器人的效率和适应性。目前单台码垛机器人的工作效率超过了2500件/小时。

1.1.3 分拣机器人

分拣机器人是一种可以快速进行货物分拣的设备。分拣机器人在接到订单后，可以快速定位出商品在仓库的具体位置，然后规划出最优的拣货路径，拣货完成后将货物送到打包台[4]。目前分拣机器人在食品加工行业中应用较为广泛，近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。分拣机器人技术关注点主要集中在图像识别的可靠性方面。

1.2 轮式移动机器人

自动引导车（AGV）是装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车辆[5]。自动引导车可以分为两类：一类是有轨引导车，这种设备运行前需要铺设好轨道，只能沿轨道移动；另一类是无轨引导车，它不需要铺设轨道，可以自主寻找最优路线智能化程度更高。

1.3 仓储物流机器人在其他行业的应用

目前，我国仓储物流机器人在其他行业也有应用。在制造业方面，仓储物流机器人可以高效、准确的搬运物料，搬运的路线可以根据实际情况的变化进行及时的调整，已广泛应用于汽车制造产业。应用于邮局和港口码头，这些场所的物品运输量大、动态性强，仓储物流机器人的自动化、智能化等特点正好可以满足上述要求，我国1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品的搬运工作[6]。应用于危险场所和特征行业，在军事上物流仓储物流机器人可以安装上摄像头进行地形探测和战场排雷，减少士兵的伤亡。在钢铁厂仓储物流机器人用于炉料的运输，大大减轻了工人的工作量。

2 仓储物流机器人的优点

仓储物流机器人作为智慧物流的一个重要环节，顺应了当今数字经济时代的发展需要，并且为物流企业解决高度依赖人工、快递分拣效率等问题打开了突破口。目前世界上的电商巨头已经在仓储配送中应用仓储物流机器人。它的优点主要可以归结为以下三个方面。

2.1 节约人工成本

仓储物流机器人可以自行对货物进行分类装盒并进行投递，工作人员只需要通过手里的操作终端下达命令即可。与人工相比仓储物流机器人的工作时间更长每次运输的负重也更大，只要电池有电就可以一直工作，充电相间较短，并且它可以利用设定好的程序来寻找最短运输路线。京东最新研制的DELTA机器人的分拣速度为3600次/小时,是人工拣选效率的5到6倍，配合高速提升机,吞吐量可达1600箱/小时,效率是人工出入库的10倍[7]。

2.2 提高仓库利用率

物流产业对土地的需求量很大，需要大量的土地建立仓库进行货物的中转，但是由于土地资源具有稀缺性，限制了物流产业的发展。目前国际上最新的物流仓储机器人可以统计商品的需求量，然后按照需求量对货物进行摆放，需求量高的他们放在上面需求量较低的放在下面，以便可以在最短的时间内取放货物。根据统计，如果应用仓储物流机器人，在保证同等储存能力的条件下，可至少节约70%以上的土地和80%以上的劳动力[8]。

2.3 降低错误率

物流行业的工作量大，订单繁多且货物情况复杂，单纯的依靠人工进行分拣配送经常会出现货物丢失和配送出错等情况。现有的机器人按有两个摄像头，一个朝上用于读取货物的二维码，另一个朝下用来读取坐标，每个二维码对应一个货架，这样一一对应比人工分类更准确[9]。亚马逊，2012年在各个仓库部署物流机器人Kiva ，可将货架从仓储区移动到拣货的仓库员工面前，工作准确率达到99.99%[10]。杭州空港园区的跨境智能仓库装备仓储物流机器人后拣效率有原来的150件/小时提升到350件/小时，作业的出错率比整体行业降低了近50%。

另外，三维模型的建立有利于材料统计工作的实施。传统项目中的仪表材料用量通常都是估计量加裕量，主要依靠设计人员的经验来确定，材料用量很难准确控制，容易导致施工中出现纠纷，最终的结果就是材料用量超预算采购量。在三维模型中，设计人员可以根据变送器、接线箱、阀门等仪表设备的位置，准确计算电缆、气源管、支架等各类安装材料数量，大幅提高了材料统计的准确性，既有利于成本控制，也能做到有据可查。

3 当前我国仓储物流机器人当前面临主要问题及成因分析

3.1 企业对仓储物流机器人的认知度不够的问题

机器人在我国的应用与欧美等发达国家相比还有很大差距。大多数物流企业尤其是中小物流企业对仓储物流机器人的了解并不多，他们并不了解仓储机器人的相关信息、也不了解仓储物流机器人能给他们带来多大的效益。这就影响了仓储物流机器人在我国的引进与推广。

3.2 维修困难问题

物流仓储机器人一旦出现问题，企业想对机器进行维修比较困难。主要有两方面的原因：一方面原因是一些仓储物流机器人体型较大，人工进行移动比较困难。另一方面原因是仓储物流机器人内部线路比较复杂，没有经过培训的员工根本不懂没有办法修理，需要联系厂商的售后人员进行维修，所消耗的时间较长影响企业绩效。

3.3 安全问题

由于仓库的货架安放的比较密集，仓储物流机器人在运行的过程中可能因为放置货物的托盘不够大搬运货物码放的不整齐导致整体重心偏移，如果操作人员没有及时发现，可能会侧翻碰倒货架，造成财产和人员损失。

3.4 成本问题

仓储物流机器人从设计到制造，是一个系统的工程费时费力。国产机器人的性能、质量 与发达国家的机器人产品还存在较大差距，变速器、控制器、传感器等核心部件亟待突破[11]。并且不同的用户对仓储物流机器人有着不同的需求。这些原因导致仓储物流机器人的品种繁多，零部件质量低，结构性差。不利于企业的批量化生产，成本难以降低。目前，我国牵引式物流搬运车均价41.5万，按照十年折旧每年4.15万，一个搬运工人每个月平均工资6000元，虽然从长久来看牵引式搬运车可以给公司带来更多的效益，但是中小型物流企业资金比较紧张物仓储物流机器人的价格还是偏高。

3.5 技术问题

机器人带载运行稳定性差，容易出现无法举升货架或行驶轨迹偏移等问题[12]。传统的仓储物流机器人路径规划设计是以蚁群算法为主，这种算法耗时较长效率低，在使用仓储物流机器人在仓库里搬运货物时，当只有一台机器人运作可以做到最短路径搬运货物，但是在企业实际运行中往往需要大量的仓储物流机器人同时进行搬运，由于场地有限很难实现所有的机器人都做到最短途径的搬运。在企业的实际运行中发现，有时候仓储物流机器人会在运行过程中脱离预设线路发生追尾事故。

3.6 仓储物流机器人可靠性的问题

仓储物流机器人的工作主要是进行货物的码垛、拆垛以及运送，因此对工作精度要求比其他类型的机器人要低。但是由于工业生产和物流运输的运输量较大，而且抓取、搬运、码放动作不断重复，这就要求码垛机器人具有较高的运动平稳性和重复精度，以确保不会产生过大的累积误差[13]。

4 解决对策

为了解决上述问题，加快仓储物流机器人在我国的发展速度，本文提出以下解决办法：

4.1 转变企业观念

加大对仓储物流机器人的宣传和推广力度，企业应该及时转变落后观念，引进相关人才，降低企业物流管理的成本。企业组织人员去物流自动化程度较高的企业参观，此外对全体员工进行定期培训，了解仓储物流机器人的相关信息，对相关的理念技术进行普及教育，确保机器人在引进之后可以发挥最大程度的作用。

4.2 对机器人进行模块化处理

研发企业提高技术，对机器内部线路进行模块化处理，优化结构使线路变的更为简单。配备产品说明书，对机器经常出现的问题进行说明并给出具体的解决方案。机器人制造商给机器配备备用的线路模块，物流企业在接收到设备之后对企业内部维修人员进行培训，当机器出现故障时企业维修人员可以进行简单的维修或者更换备用模块。

4.3 适当拓宽托盘加强人员维护

可以通过对物流机器人上方托盘进行适当拓宽的方式，改善在搬运货物时机器人重心不稳的问题；对货架进行加固，货架上的货物堆放不宜过多可以通过仓储物流机器人勤拿勤放，既提高了货架的使用效率又降低了危险性；安排人员定时巡检，发现有货物码放不整齐的情况及时重新摆放。

4.4 建立系统化的仓储物流机器人制造体系

建立标准化、系统化的仓储物流机器人软件和硬件体系，可以降低机器人的从设计到制作的费用。政府制定相关的行业标准，使企业规范化运作，同时出台相关政策鼓励企业对芯片和传感器等器件的研发，提高器件国产化程度降低生产成本。

4.5 安装感应装置并优化路径规划算法

在机器人的周围安装一圈感应装置，可以进行全方位的感应，避免了机器人的相互碰撞。目前的物流机器人是采用扫地贴码进行运作的，如果可以能研发出红外线式机器人，通过红外寻找最短路径，避免需要避让其它机器人而绕远路，这样就能大大节省机器人搬运时间，提高拣货效率。为了提高定位计算的计算效率，定位所需的环境数据将通过对部分信息进行预处理，进行快速计算和定位，这样不仅节省了大量的运算时间，同时也保证了位置信息的刷新速率[14]。

目前，已经有许多关于路径规划算法的研究。例如：基于禁忌搜索的路径优化算法、使用改进蚁群算法进行路径优化、基于鲸优化算法的路径规划等等，这些算法可以提高搜索的准确性，解决机器易锁死的问题。但是这些算法方案较为复杂，运算量较大还需要进一步改进以适应企业在实际运行中的需求。

4.6 研发新型技术

研发视觉、力觉、温度传感器等多种传感器融合的技术，使其对目标周围环境进行建模，测量物体的实际参数及位置，判断出应该用何种加持方式和力度进行搬运，同时优化算法，提高机器的分析和纠正误差的能力，对操作中出现的误差进行及时的纠正。

5 总结

仓储物流机器人代表着现代物流行业的发展方向，其主要优势是提升货物搬运效率节约人力成本，使得传统物流企业从管理到业务发生根本性的改变。仓储物流机器人是物流行业与智能机器人技术的融合产品 ，能够完成物流领域中不同环节的任务[15]。我国作为世界机器人第一大市场，机遇与挑战共存，目前我国的仓储物流机器人研发成本、技术和核心器件的制造都和欧美国家有一定的差异，但是只要我们认清形势，确定目标，攻克核心技术和器件，相信通过政府和科研工作者的共同努力一定可以在不久的将来实现物流仓储机器人的大规模使用。