四向穿梭车的技术与应用

概述

狭义的定义：四向穿梭车是指能在平面内四个方向（前、后、左、右）穿梭运行的存储机器人，主要是区别于传统的两向穿梭车（前进和后退）而言的。与AGV相比较，穿梭车机器人需要在轨道上运行，这是它的劣势，也是其优势。即在固定轨道上运行时，小车的速度将更快，定位将更加准确，控制又相对简单，这都是AGV系统做不到的。

四向穿梭车根据其处理的单元型式不同，主要分为料箱式穿梭车和托盘式穿梭车两种型式。这两种型式各自具有不同的特点。

托盘式四向穿梭车：主要用于托盘的存取作业，它与AS/RS相比较，其优势是存储更加灵活，柔性更高，可以适应任何复杂的仓库结构，可以根据入出库的需求增加或减少小车的数量，可以实现高密集存储等，但缺点是增加了货架的成本，因而在实际应用中形成优势互现的现象。即在大多数情形下，AS/RS表现出更大的成本优势，但在有些极端的情况下，四向穿梭车更为合适。如仓库不高，仓库形状不规则，出入库频率不大这样的情形，或出入库频率要求太高的情形，四向穿梭车更能发挥其优势。

料箱式四向穿梭车：这是一种用于料箱存取的机器人。其对应的技术包括Miniload与多层穿梭车等。Miniload是一种专用于料箱存取的AS/RS系统，与托盘式AS/RS相比较，Miniload更加轻巧、快捷，但高度一般不会很高，载荷一般在50kg以内；多层穿梭车是一种运行于货架内的往复式存取设备，与Miniload相比，它更加快捷灵活，因此，在需要更高存取速度的情形下，多层穿梭车具有Miniload不可比拟的优势，被广泛应用于货到人拣选系统之中。料箱式四向穿梭车则是一种更加柔性的产品，与托盘式四向车类似的是，它具有广泛的适应性，既可以适用于各种仓库型式，也可以灵活的通过增减小车数量以匹配实际的需求。尤其在货到人拣选系统中，由于小车可以通过提升机换层，事实上它可以在3维空间中灵活运行，因此，国外更形象的称其为3D Satellite Shuttle car，这是Miniload和多层穿梭车所不能比拟的。

四向穿梭车技术是物流仓储系统中的革命性技术，尤其是箱式四向穿梭车，其主要用途是为“货到（机器）人”拣选提供快速的存取服务，虽然其应用历史还不长，但已经引起了行业的广泛重视，被认为是未来智能物流系统的重要组成部分^[1][2][3][4]。本文将对四向穿梭车的技术特点和应用范围做详细论述。

技术要点

2.1

工作原理

四向穿梭车一般具有两套轮系，其一套负责X方向行走，另一套负责Y方向行走。小车在轨道上运行，遇到转弯处，是通过更换轮系来完成的。因此，货物单元的方向在整个作业时间内是不变的。

小车如果要变化层时，大多数是通过巷道外的提升机来完成的。小车自动驶入提升机后，提升机提升到所需要的楼层，就完成了换层。在实际应用中，提升机有两种作业模式：其一是带车作业，其二是不带车作业。不带车作业时，提升机仅仅提升货物单元，带车作业时，每次作业，小车与货物同时进入提升机，这时其实不需要换层提升机。显然，不带车提升时，每层需要有货物移载工作站，这是一笔不小的成本，而带车作业时系统会简单很多，每层的端部也简单很多，但效率也会低很多，这是要注意的。

四向穿梭车的最大特点是每台车都可以抵达仓库每一个货位，因此，从理论上讲，如果没有出入库能力要求的话，一个仓库布置1台小车即可以完成整个仓库的出入库作业。这对于出入库频率较低的系统，具有很大优势。

作为一个系统来说，四向穿梭车需要与货架（轨道）、提升机、输送系统、通讯系统、充电系统组成一个完整的系统才能工作，当然，有关管理、监控、调度和控制的软件系统也是必不可少的。

2.2

共性技术特点

无论是托盘式或料箱式，其技术都有一些共性的特点。这些特点如货架、轨道、定位、通讯、供电、维修等。

货架与轨道：穿梭车系统相对于传统的立体存储系统来说，货架是其最大的变化。小车经过的所有路径均需要铺设轨道，转折路口还要有特制的转接板，以及每辆小车均需要有充电点，这是四向穿梭车的特点，也是使得成本增加的主要原因。相对来说，穿梭车系统对于货架的加工精度及安装精度都比传统货架要高，这样又会增加加工和安装的成本，目前国内能够生产穿梭车货架的企业不是很多。尤其对于料箱式穿梭车货架，要求更加严格。

定位：穿梭车的定位一般采用条形码和端点开关定位。定位精度要求达到3mm以内。比AGV简单的是，因为在固定轨道上运行，穿梭车不需要导航系统。

通讯：如何在密集的货架中实现通讯，其实是需要经验和技巧的。选用什么样的天线和通讯技术，对项目的稳定性非常重要。

供电：一般采用电容+锂电池方式，电容要保证一次充电能够完成一次最远的作业，这对于车的配置来说，会有比较大的差异。路径越长，需要的电容器越大。电池只能作为辅助供电，避免小车在中途停电或电压过低而无法工作。

控制：欧洲的穿梭小车控制均采用PLC居多，但这样成本会较高。在日本，采用专用的集成电路板进行控制，可以大大降低产品的成本。国内的设备也有两种选择。

调度系统：对四向穿梭车来说，一个作业区域往往会有多台车同时作业，如何提升系统的总体效率，需要对小车进行作业调度。调度的内容包括：车况识别，选用什么车，路线规划等。车越多，调度越重要。难度也越大。

维修：相对来说，由于托盘式穿梭车尺寸较大，巷道较宽，层高也较高，因此，理论上人员可以进入货架内部进行操作。而料箱式穿梭车则不然，因此，一方面，要尽量避免进入货架中，另一方面，则在设计中要考虑进入货架内部的可能，这是其重要差别。

2.3

非共性技术特点 

托盘式四向穿梭车

移载：对于托盘式穿梭车来说，运输的货物单元是托盘，重量一般会达到500~1000kg，因此，小车的移载装置既不能采用货叉，也不能采用链条等方式，而是直接通过驶入货架，将托盘放置在货架轨道上，这是托盘穿梭车的特点。这一做法可以很容易实现密集存储，但带来的问题是作业效率会下降，而且货架的成本会增加。

提升机：提升机负责货物托盘的入出库作业。是四向穿梭车系统的关键辅助设备。托盘式的提升机，既可以提升托盘，也可以提升穿梭车，并且两者可以共用。   

速度和加速度：空载穿梭车速度可以达到4m/s以上，有载一般为3m/s，加速度一般为0.5m/s²。但不同的要求，也可以有所变化。

料箱式四向穿梭车

移载：相对来说，料箱式穿梭车就要灵活得多。这主要是单元变小变轻以后，可以有多种方式进行移载。最简单的方式是采用货叉。为了提升存储密度，可以采用双深度的货叉，有时，为了适应不同宽度的纸箱，货叉还可以改变宽度。货叉其实是穿梭车最重要的部件。欧洲的专业公司开发的货叉，其售价有时高达10万元以上。

提升机：有两种典型的结构，带车提升机和不带车提升机。带车提升机主要用于穿梭车的换层，有时，为了简化系统，也可以采用每次都带车作业，但作业效率会大打折扣。不带车提升机会有较大的提升能力，有时还可以采用双工位的提升机，每小时的提升能力达到250~500次。

速度和加速度：为了提高作业效率，小车的速度会高达5m/s，因为采用夹抱装置，小车的加速度则可达到2m/s²，这样大大提升了小车的作业效率。对提升机来说，提升速度一般也会达到4~6m/s，以匹配整个系统的效率。（以上数据参考北京伍强科技的红蟹I号四向穿梭车）

应用领域探索

3.1

托盘式

托盘式四向穿梭车的应用，主要是在密集存储方面，尤其是冷链物流系统。在冷链系统，尤其是-18°C及以下的冷链系统，采用四向穿梭车进行储存，可以大幅度提升空间利用率，并可以大大改善作业区的环境，使作业人员工作更加舒适。

密集存储的技术有很多种，对AS/RS系统来说，采用双深货位是一种非常有效且实用的做法，对于穿梭板和子母车来说，密集存储的效率也很高，其与四向穿梭车的类似，但四向穿梭车更加灵活、柔性，适应性强，这是其主要特点。

  在其它应用领域，四向穿梭车还有很多，如采用四向穿梭车系统作为发货暂存就是一种很好的应用，可以大大节约空间，并可实现自动化作业。此外，采用四向穿梭车代替输送系统完成长距离输送应是一种选择，但这方面的应用目前并不多。

  总体来说，托盘式的四向穿梭车应用还受限制，其主要原因在于性价比。作为存储来说，AS/RS更受人欢迎，自动化比较低的场合，则采用穿梭板更为节省。但四向穿梭车毕竟是一种高柔性的技术，其应用在未来会有较大的发展空间。

3.2

料箱式

相对于托盘式四向穿梭车应用受限，料箱式的四向穿梭车的应用则非常广泛。一方面固然与其灵活性和柔性有关，更为重要的是电商的发展，推动了拆零拣选的快速发展。而四向穿梭车的高效率，是其备受欢迎的重要原因之一。其主要应用概述如下：

“货到人”存储系统：四向穿梭车的最早应用即是其在货到人拣选系统的应用，相对于多层穿梭车而言，四向穿梭车不仅效率高，而且具有很高的柔性，这样使得它的应用场合更加广阔。但随着对出入库能力要求的不断提升，当小车的能力成为瓶颈时，多层穿梭车的价格优势将比较明显。

集货与排队：与托盘四向车一样，料箱式四向穿梭在发货过程中也常常用于集货与排队。它与托盘的不同之处在于，料箱可以直接对接伸缩皮带机，从而更加直接的完成装车工作。对于具有多个发货目的地的情形，穿梭车还可以扮演排队的角色，解决以前关于装车顺序问题。

其它：料箱式的四向穿梭车，应用十分广阔。目前了解到的应用包括各类大规模存储系统（尤其是库容量大，出入库频率不高的情形），如图书馆、档案馆等。此外，在物流的其它环节，如生产的线边库，分拣系统等，均有应用的前景。

发展趋势

四向穿梭车无疑是一项具有里程碑意义的技术。其应用还处于初级阶段，未来的发展还有很大的空间。从技术上来讲，主要有以下几方面：

更加柔性化：柔性是物流技术发展的基本方向之一，AGV的应用即充分说明了这一点。四向穿梭车从目前的应用看，还有进一步柔性化的空间。如可自行升降的四向穿梭车和可在地面行走的四向穿梭车即是两个有意义的研究课题。即将AGV，提升机，穿梭车融为一体的技术。这些技术已经有一些研究成果。

更加智能化：四向穿梭车在用于拆零拣选时，小车的调度对效率的影响非常大。越大的系统，智能化的效果越能体现。比如各种路线优化与排队，就对系统的效率会产生很大的影响。此外，小车的运行状态的实时监测，对于系统的正常运行也有大的影响。所有这些工作都是未来需要不断提升的。

更高性价比：四向穿梭车的稳定性是保证系统正常高效运行的关键。从目前的应用看，还有待进一步提升。与AGV（kiva）和多层穿梭车相比，料箱式四向穿梭车因为结构复杂，成本要高出不少，如何不断优化，降低成本，提升性价比，对于市场的接受是有帮助的。

标准化与系列化：目前主要以标准尺寸的穿梭车为主，未来会有一些变化。

托盘式四向穿梭车：主要适应于1200*1000标准托盘，承载能力为1000kg，未来的系列化会从托盘尺寸和承载能力两方面考虑。如载荷会有500/750/1000/1250几个等级，以满足市场不同的需求。尺寸方面，系列组合的会更多一些。

料箱式四向穿梭车：主要适应于600*400标准箱，承载能力为50kg，未来的系统主要从尺寸、货叉型式方面寻求系列化，以适应市场需求。

标准化和系列化是产品发展的必由之路，但由于每一台穿梭车在出厂前均要经过严格的测试，而每个型号的新车都要经过严格的定型测试，这些工作会给系列化带来挑战。从伍强科技的经验看，因为要给每一项新产品搭建试验台，新产品的试验不仅耗时耗力，而且也影响产能。

参考文献

[1] 尹军琪，配送中心拆零拣选技术与方案选择[J]，物流技术与应用，2012.6

[2] 尹军琪，物流仓储设备和系统的柔性化设计[J]，物流技术与应用，2014.10

[3] 尹军琪，“货到人”拣选技术及其应用[J]，物流技术与应用，2015.10

[4] 尹军琪，汉诺威CEMAT2016观展记[J]，物流技术与应用，2016