四向車超薄機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能管控算法優(yōu)化

方辰呈 潘 蝶 張鳳飛

（1.浙江世倉智能倉儲(chǔ)設(shè)備有限公司，湖州 313002；2.杭州科派知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理有限公司，杭州 311225；3.浙江永欣聯(lián)科信息科技股份有限公司，嘉興 314400）

倉儲(chǔ)物流作為物品流通的載體、電子商務(wù)的“血液”，是整個(gè)物流倉儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的基礎(chǔ)，因此智能倉儲(chǔ)裝備產(chǎn)業(yè)被列為“中國制造2025”重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一。隨著土地使用成本和用工成本的上升，企業(yè)對(duì)建設(shè)和運(yùn)營智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)的意向明顯增加。密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的空間利用率和自動(dòng)化程度較高，在國外起步較早，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，得到廣泛應(yīng)用。而集自動(dòng)化作業(yè)、高密度倉儲(chǔ)和高效揀選于一體的密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)在我國還處于發(fā)展與應(yīng)用的初級(jí)階段。

秦彩云等分析和對(duì)比了轉(zhuǎn)載車和基于環(huán)形輸送線的穿梭車系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量與穿梭車系統(tǒng)的層數(shù)、巷道數(shù)有關(guān)，可通過合理設(shè)置穿梭車系統(tǒng)的層數(shù)、巷道數(shù)，以及降低穿梭車層高，來提高穿梭車系統(tǒng)的運(yùn)行效率，極大地壓縮穿梭車系統(tǒng)的建設(shè)成本[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和不斷與國際接軌，智能倉儲(chǔ)裝備產(chǎn)業(yè)面臨著諸多技術(shù)瓶頸問題。

1 穿梭車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

當(dāng)前，我國的自動(dòng)化倉儲(chǔ)有4 種形式，分別為叉車多層倉庫、堆垛機(jī)式自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)、穿梭車存儲(chǔ)系統(tǒng)以及四向穿梭車智能密集存儲(chǔ)系統(tǒng)。四向穿梭車智能密集存儲(chǔ)系統(tǒng)可降低橫向穿梭母車和縱向穿梭子車的使用數(shù)量，提高穿梭車的運(yùn)行效率，使四向穿梭機(jī)器人在同層內(nèi)任意穿梭，具有更好的靈活性。但是，現(xiàn)有的四向穿梭車仍存在車身厚度較大（整機(jī)高度200 mm 以上）、車輛控制不靈活等問題，使四向穿梭車系統(tǒng)的建設(shè)和使用成本較高。

1.1 四向穿梭車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的研究

張新等研究了穿梭車的換向架結(jié)構(gòu)和輕量化改進(jìn)，利用數(shù)字仿真平臺(tái)，對(duì)換向支架原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和模態(tài)分析，并從材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。同時(shí)，使用數(shù)字仿真平臺(tái)分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)特性，通過結(jié)構(gòu)-材料一體輕量化設(shè)計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)了低矮車身的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，減輕了整車質(zhì)量[2]。

任永生等研究了四向穿梭車的機(jī)械結(jié)構(gòu)布局，通過合并驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了四向穿梭車的換向及頂升功能。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低車身厚度，縮減傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有故障率低、運(yùn)維方便等特點(diǎn)[3]。

李翔宇等根據(jù)食品、醫(yī)藥等行業(yè)的智能穿梭車系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，從穿梭車的材質(zhì)選擇、表面處理、內(nèi)部防護(hù)、參數(shù)設(shè)定、效率計(jì)算和關(guān)鍵零部件選型等方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種適用于相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品[4]。

高治理研究了軌道穿梭車的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過采用廣義降階法（Generalized Reduced Gradient，GRG），優(yōu)化軌道穿梭車中傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，減少了穿梭車54.9%的體積，同時(shí)經(jīng)過靜強(qiáng)度、模態(tài)分析驗(yàn)證，穿梭車各項(xiàng)性能均達(dá)到了預(yù)期研發(fā)效果[5]。

1.2 四向穿梭車控制系統(tǒng)方面的研究

楊瑋等研究了子母式穿梭車的系統(tǒng)配置問題，采用非支配排序遺傳算法，優(yōu)化子母式穿梭車倉儲(chǔ)系統(tǒng)配置多目標(biāo)模型，以尋求最優(yōu)解[6]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，合理的穿梭車系統(tǒng)布局和設(shè)備選型等，可以提高系統(tǒng)的作業(yè)效率和降低使用成本。

張經(jīng)天等[7]、余嘉雄等[8]、王曉軍等[9]、雷斌等[10]采用改進(jìn)型混合遺傳算法、混合植物繁殖算法和柔性作業(yè)車間調(diào)度問題（Flexible Job-shop Scheduling Problem，F(xiàn)JSP）模型等，研究了四向穿梭車系統(tǒng)的提升機(jī)任務(wù)調(diào)度和庫位分配，優(yōu)化了現(xiàn)有算法模型，得出具有任務(wù)調(diào)度和庫位分配的智能倉儲(chǔ)最優(yōu)管控模型。

四向穿梭車的穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常高效運(yùn)行的關(guān)鍵。從目前的應(yīng)用來看，四向穿梭車因其結(jié)構(gòu)空間小而精密，成本略高于市場同類物流產(chǎn)品，如何降低成本、提升性價(jià)比，是市場對(duì)其提出的重要課題。

1.3 國內(nèi)外穿梭車發(fā)展趨勢

由于市場的發(fā)展和存儲(chǔ)需求的日益提高，再加上土地使用費(fèi)久居高位，使用者更加關(guān)注節(jié)約空間和提高存儲(chǔ)效率。在這樣的大環(huán)境下，托盤四向穿梭機(jī)器人憑借其存儲(chǔ)密集、空間節(jié)約和柔性規(guī)劃等特點(diǎn)，成為未來智慧倉儲(chǔ)發(fā)展的重要方向。未來，穿梭車的技術(shù)研究方向如下。

第一，提高靈活度。靈活性高、柔性大是現(xiàn)代物流技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，從產(chǎn)品開發(fā)角度來看，四向穿梭車靈活性潛力較大，同層任意位置行駛、換層功能以及地面行駛功能的結(jié)合，是該產(chǎn)品開發(fā)后期的重要方向。

第二，提高智能化程度。調(diào)度系統(tǒng)體現(xiàn)了車輛運(yùn)行調(diào)度的高智能性，對(duì)作業(yè)效率有很大的影響。越是大型的倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)，其智能作用就越明顯。另外，車輛運(yùn)行狀態(tài)反饋的時(shí)效性直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)營的故障率。因此，智能化是未來必須要深入研究的方向。

第三，提高性能，優(yōu)化成本。四向穿梭車的性能穩(wěn)定對(duì)該系統(tǒng)的安全和有效工作至關(guān)重要。相較于自動(dòng)導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）機(jī)器人、多層小車，四向穿梭車的制造成本較高，只有通過不斷深化設(shè)計(jì)方案，降低制造成本，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，才能被市場更加認(rèn)可。

第四，更加輕薄化。目前，常見的四向穿梭車均存在車身較高的問題，直接導(dǎo)致項(xiàng)目的儲(chǔ)位數(shù)不高。在設(shè)計(jì)高層倉儲(chǔ)時(shí)，由于車身較高可能會(huì)失去一層存儲(chǔ)貨位。因此，如何通過降低車身高度實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)用地的高存儲(chǔ)率，是各個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)急需研究的課題。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的超薄智能四向穿梭車，提高了整車的可靠性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。車身整體由結(jié)構(gòu)鋼焊接成型，使用榫卯卡扣拼接后將拼縫處焊接為一體，在受力方向上做到非焊疤受力，因此車架整體具有較高的成型強(qiáng)度，不易變形。

2.1 四向穿梭車頂升/換向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四向穿梭車的換向裝置由頂升/換向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和頂升/換向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，在車體前后各設(shè)置一個(gè)換向執(zhí)行組件。換向組件上設(shè)有X軸向行走車輪、升降機(jī)。X軸向行走電機(jī)通過X軸行走長軸驅(qū)動(dòng)X軸向行走車輪。車體左右兩側(cè)設(shè)有Y軸向行走車輪，Y軸向行走車輪受Y軸向行走長軸驅(qū)動(dòng)。頂升電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降搖臂，帶動(dòng)車體上蓋頂升，使車身上的承載頂板做升降動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)貨物舉升功能。換向電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)換向組件變換高低位置。四向穿梭車換向結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于通過換向機(jī)構(gòu)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)四向穿梭車行駛方向的切換，行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，承載可靠。

圖1 四向穿梭車換向結(jié)構(gòu)

2.2 穿梭車行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)穿梭車的前、后、左、右四向行駛，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)裝置。該移動(dòng)裝置包括X向行走機(jī)構(gòu)、Y向行走機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)以及換向機(jī)構(gòu)。車輛通過對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)縱向的輪組，從而完成車輛行駛方向切換。行走系統(tǒng)通過換向機(jī)構(gòu)使搬運(yùn)車在X向運(yùn)行與Y向運(yùn)行之間智能切換，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。穿梭車行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 穿梭車行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 穿梭車頂升與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的四向車普遍存在車身較高、車體重心偏置導(dǎo)致的部分零部件加速磨損以及疲勞壽命短的缺點(diǎn)。在保證功能不變的情況下，以行走系統(tǒng)及頂升換向系統(tǒng)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)性地優(yōu)化車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.3.1 頂升換向機(jī)構(gòu)優(yōu)化

將頂升機(jī)構(gòu)和換向機(jī)構(gòu)合并設(shè)計(jì)，將大幅縮減車內(nèi)的機(jī)構(gòu)，簡化運(yùn)動(dòng)控制，可行性高。頂升換向機(jī)構(gòu)包含1 個(gè)頂升換向傳動(dòng)軸及兩端的齒輪副，傳動(dòng)軸上裝有減速電機(jī)，如圖3 所示。升降機(jī)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)，包括舉升支撐框架、Y向輪組、Y向行走傳動(dòng)組件、升降齒條以及導(dǎo)向裝置等，如圖4 所示。Y向輪組裝配于支撐框架內(nèi)，對(duì)稱升降齒條設(shè)置在支撐框架中心兩側(cè)，與升降傳動(dòng)齒輪副嚙合，導(dǎo)向裝置布置于框架左右兩側(cè)。當(dāng)升降換向組件升至高位時(shí)，舉升起車體上部的頂板組件，實(shí)現(xiàn)貨物托舉動(dòng)作；當(dāng)升降換向組件降至低位時(shí)，行走方向切換為Y向行駛。該機(jī)構(gòu)平穩(wěn)可靠，整合了存取頂貨和換向行駛功能，有效精簡了頂升系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同步降低了控制難度，優(yōu)化了四向車內(nèi)部的空間布局，集成度高。

圖3 頂升換向機(jī)構(gòu)

圖4 升降機(jī)構(gòu)

2.3.2 行走系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

將兩套行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功能合并，通過一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及分行的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)X向和Y向輪組的行走運(yùn)動(dòng)需求。這樣的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緊湊，機(jī)構(gòu)簡單可行性高。

本項(xiàng)目優(yōu)化設(shè)計(jì)一套行走系統(tǒng)包括X向行走機(jī)構(gòu)和Y軸向行走機(jī)構(gòu)。車身左右設(shè)有X向行走輪組，車內(nèi)設(shè)有行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)及鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。Y向行走輪組設(shè)置于升降換向組件中。當(dāng)車輛運(yùn)行至指定位置時(shí)，通過頂升換向機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)車輛行駛方向的切換。例如：換向執(zhí)行機(jī)構(gòu)降至低位時(shí)，車輛從X向行駛切換至Y向行駛；換向執(zhí)行機(jī)構(gòu)升起至中位時(shí)，Y向行駛切換至X向行駛。

3 軟件系統(tǒng)優(yōu)化

通過軟件及控制系統(tǒng)的深化開發(fā)，進(jìn)一步提高車輛作業(yè)效率和車輛在項(xiàng)目中的稼動(dòng)率，進(jìn)而提升項(xiàng)目整體的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。

3.1 四向車任務(wù)調(diào)度及路徑規(guī)劃算法優(yōu)化

通過合理規(guī)劃車輛行駛路徑，解決車輛作業(yè)的分配問題，使得場內(nèi)總的作業(yè)時(shí)間最少；采用匈牙利算法分配四向車，使得作業(yè)的四向車執(zhí)行時(shí)間最短，如圖5 所示。使用A*算法作為路徑規(guī)劃算法，在狀態(tài)空間中進(jìn)行搜索，評(píng)估每個(gè)搜索位置，從而減少大量無意義的搜索路徑。

圖5 四向車任務(wù)調(diào)度算法

3.2 交通管控算法優(yōu)化

根據(jù)每個(gè)小車經(jīng)過的位置，統(tǒng)計(jì)流量值并評(píng)估路徑規(guī)劃的流量權(quán)重，控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)擁堵的匯聚，從而提高系統(tǒng)整體的通行效率。

3.3 動(dòng)態(tài)流程控制、車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)間預(yù)估與仿真結(jié)合技術(shù)研究

調(diào)度任務(wù)以最小流程單元作為控制節(jié)點(diǎn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控界面和作業(yè)流程表格的呈現(xiàn)形式，直觀反饋了作業(yè)流程解析、設(shè)備調(diào)度分配、車輛路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃與多車安全控制的全過程，便于使用者觀察和分析作業(yè)過程。同時(shí)，深入開發(fā)預(yù)測設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的能力，從而縮短大量等待時(shí)間，降低了車輛的空駛率。

3.4 系統(tǒng)避障功能開發(fā)

調(diào)試倉庫控制系統(tǒng)（Warehouse Control System，WCS）的虛擬化場景，通過命令系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)調(diào)用控制小車運(yùn)動(dòng)的指令集，實(shí)現(xiàn)直走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)走和取放等動(dòng)作，規(guī)避車輛運(yùn)行路徑的時(shí)間重疊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上的避障功能。

4 結(jié)語

通過對(duì)行走系統(tǒng)和頂升換向系統(tǒng)的兼并、優(yōu)化和開發(fā)，使四向車空間布局緊湊、維修便捷、整體運(yùn)行高度降低。經(jīng)評(píng)估，車輛結(jié)構(gòu)高度的優(yōu)化帶動(dòng)了貨架形式的調(diào)整，從而提高了倉儲(chǔ)場地的利用率；軟件及控制系統(tǒng)的并行開發(fā)，合理調(diào)度運(yùn)行車輛及路徑規(guī)劃，大幅提高了項(xiàng)目的運(yùn)行效率，使項(xiàng)目整體建設(shè)經(jīng)濟(jì)性提升了30%，并實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的企業(yè)目標(biāo)。