基于四輪轉向物流機器人的揀貨方案優化

姚鎮城 張小彤

【摘要】研究了基于四輪轉向物流機器人的搬運技術，著重討論了機器人的行走路徑、機器人與人、其他物流設備的作業銜接等技術。結果表明，機器人在物流配送揀貨中的運用能減少人的作業強度，提高作業效率。隨著工業機器人的性能不斷增強，將機器人運用到揀貨中是可行的。

【關鍵詞】物流機器人 揀貨優化

配送是物流的重要功能之一，其作業水平對物流效率的影響至關重要。目前多數配送中心的揀貨工作仍然主要依賴人工完成。隨著人力資源成本的不斷上升、人對工作環境的要求越來越高，對高強度勞動工作的排斥，傳統的人工高強度揀貨勞動一方面難以適應現代物流快速響應的需求，另一方面也導致勞動力成本高昂、招工困難。基于上述背景，將自主研發的四輪轉向物流機器人運用到某配送中心的揀貨環節，使用機器人承擔部分揀貨作業任務，特別是揀貨環節中產品輸送環節的工作，減少配送中心內揀貨人員的行走路程里程，有效地降低勞動強度、節約了勞動力成本。

一、配送中心揀貨流程分析

某配送中心為電商企業提供配送服務。本課題以該配送中心的商超/食品倉庫（以下簡稱“倉庫”）作為實驗研究對象。該倉庫內共有托盤式貨架40組，儲位約為1200個。庫內整箱商品存儲在貨架第二層及以上貨位，拆零商品儲存在貨架第一層（即地面層）的貨位。揀貨員通過人工作業揀選拆零商品履行訂單。當第一層貨位的拆零貨物不足時，采取高位叉車從貨架的上層貨位取下整箱商品進行補充。

倉庫通過收集B2B門店客戶的訂單信息自動生成揀貨單。揀貨單被分配給揀貨員，揀貨員領取手推車、物料箱和手持終端，根據揀貨單從揀選區的貨架第一層揀選出貨物，并將貨物放置在手推車中。待所分配的揀貨單所有貨物揀選完畢之后，將手推車推送到復合打包的流水線起端，將手推車上裝有貨物的物料箱搬移到輸送帶上，完成揀貨作業環節。作業完成后，揀貨員推動手推車回到訂單分配處，領取新的揀貨單，開始一個新的揀貨過程。在揀貨過程中，揀貨員在揀選區、通道和復合打包區之間來回走動。倉庫布局示意圖及作業流程具體如圖1。

二、基于四輪轉向物流機器人的揀貨方案設計

1.四輪轉向物流機器人

四輪轉向物流機器人是課題組自主研發的一種具備全方位移動能力的搬運平臺，該機器人可承載裝有貨物的物料箱、與傳送帶之間銜接輸送物料箱，并實現搬運平臺向任意方向平移及原地自轉的功能。該機器人采用30*30的鋁型材搭建機身，由單片機運動控制器、電池、直流有感無刷輪轂電機和能實現全方位移動的輪系、光學自動導引裝置構成。機器人自重40kg，最大載重200kg，運行速度60m/分。

2.揀貨方案設計

采用四輪轉向物流機器人替代揀貨員從揀貨區到復核打包區之間的行走，具體如圖2所示。課題組設計了機器人運行路徑，具體如下：機器人在B點待命，四輪轉向物流機器人與揀貨員手持終端進行對接，當揀貨員按照揀貨單揀選完成所有貨物放置在手推車上物料箱后，揀貨員從手持觸發指令，機器人從B點出發，按照指定路徑運行到揀選區，揀貨員在機器人抵達后，將物料箱搬移到機器人上，由機器人繼續沿著當前指定路徑行駛抵達A點。在A點，機器人通過上升平臺，將物料箱推送到復合輸送帶上。完成作業后，機器人沿合流路徑運行到B點，完成作業。

為了防止機器人之間運行沖突，設計單一的單行路徑。路徑中A到B點之間設計為合流線，即所有機器人在A點將物料箱輸送入復合傳送帶后均沿著合流路徑按照先后次序行駛到B點。在合流路徑中，機器人按照作業的先后順序運行。機器人在B點待命，按照揀貨員指令，當揀貨員下達指令后，機器人根據指令進入對應的路徑運行。為了方便作業，每一條貨架通道對應設置一條路徑，并且將該路徑設置在通道的一側。在沒有機器人經過的時間段，揀貨員移動手推車在貨架通道的任意一側作業。當機器人進入通道，揀貨員可在另一側繼續作業。此外，機器人設計遇障停止運行裝置，避免機器人與揀貨員、手推車撞擊。

機器人運行軌跡使用地面二維碼，通過安裝在機器人下方的工業相機讀取地面粘貼的二維碼，實現機器人直行、直角轉彎、行進和停止。在A點，二維碼中增加了載物平臺升舉、輸送貨物命令，實現機器人上物料箱向傳送帶轉移，完成作業銜接。

三、實驗效果

本次實驗共投入了6臺四輪轉向物流機器人。通過測算，此批物流機器人投入后，機器人與揀貨人員共同完成揀貨作業，顯著提升了揀選環節的作業效率。

投入物流機器人后，日人均揀貨量約提升了一倍，倉庫總勞動力投入節約2/3，揀貨員每日行走路程大大減少，降低了勞動人員的工作強度。

當前物流機器人造價約為20000元/臺。若按照20000元/臺的造價、倉庫日工作時間7.5小時、揀貨員勞動報酬16元/h核算（不計機器人能耗、維修成本等），則該倉庫投入的6臺物流機器人固定投資成本在100個工作日后將產生效益，每日將可為倉庫節約1200元的勞動報酬支出。

四、主要結論

基于倉庫采用人工揀貨中存在的勞動強度大、勞動成本高效率低的現狀，新的揀貨方案采取物流機器人輔助人工進行揀貨作業，替代了部分的人工勞動。根據實驗結果，新的方案顯著提升了勞動效率，有效地降低了勞動強度和成本高，揀貨作業采用流機器人輔助作業是有效可行的。

參考文獻：

[1]沈博聞，于寧波，劉景泰.倉儲物流機器人集群的智能調度和路徑規劃[J].智能系統學報，2014（06）.

[2]潘成浩.倉儲物流機器人揀選路徑規劃仿真研究[D].中北大學，2017.

[3]潘成浩，郭敏.倉儲物流機器人批量揀選路徑規劃仿真[J].計算機與現代化，2017（03）.

[4]張濤.倉儲物流機器人室內定位與路徑規劃[D].西南交通大學，2018.

[5]陳浩.滿足不同任務需求的機器人最優路徑規劃研究及實現[D].浙江工業大學，2016.