編者按：本文是2020年6月(yuè)尹軍琪董事長(cháng)應《起重運輸機械》雜(zá)志邀請，爲《回眸物(wù)流工程40年》一書(shū)而撰寫的(de)專題文章(zhāng)，《起重運輸機械》2020年11期全文刊登。本次轉載，略作修改。

        1 概述

        狹義的(de)定義：四向穿梭車是指能在平面内四個(gè)方向（前、後、左、右）穿梭運行的(de)存儲機器人(rén)，主要是區(qū)别于傳統的(de)兩向穿梭車（前進和(hé)後退）而言的(de)。與AGV相比較，穿梭車機器人(rén)需要在軌道上運行，這(zhè)是它的(de)劣勢，也(yě)是其優勢。即在固定軌道上運行時(shí)，小車的(de)速度将更快(kuài)，定位将更加準确，控制又相對(duì)簡單，這(zhè)都是AGV系統做(zuò)不到的(de)。

        四向穿梭車根據其處理(lǐ)的(de)單元型式不同，主要分(fēn)爲料箱式穿梭車和(hé)托盤式穿梭車兩種型式。這(zhè)兩種型式各自具有不同的(de)特點。

        托盤式四向穿梭車：主要用(yòng)于托盤的(de)存取作業，它與AS/RS相比較，其優勢是存儲更加靈活，柔性更高(gāo)，可(kě)以适應任何複雜(zá)的(de)倉庫結構，可(kě)以根據入出庫的(de)需求增加或減少小車的(de)數量，可(kě)以實現高(gāo)密集存儲等，但缺點是增加了(le)貨架的(de)成本，因而在實際應用(yòng)中形成優勢互現的(de)現象。即在大(dà)多(duō)數情形下(xià)，AS/RS表現出更大(dà)的(de)成本優勢，但在有些極端的(de)情況下(xià)，四向穿梭車更爲合适。如倉庫不高(gāo)，倉庫形狀不規則，出入庫頻(pín)率不大(dà)這(zhè)樣的(de)情形，或出入庫頻(pín)率要求太高(gāo)的(de)情形，四向穿梭車更能發揮其優勢。

        料箱式四向穿梭車：這(zhè)是一種用(yòng)于料箱存取的(de)機器人(rén)。其對(duì)應的(de)技術包括Miniload與多(duō)層穿梭車等。Miniload是一種專用(yòng)于料箱存取的(de)AS/RS系統，與托盤式AS/RS相比較，Miniload更加輕巧、快(kuài)捷，但高(gāo)度一般不會很高(gāo)，載荷一般在50kg以内；多(duō)層穿梭車是一種運行于貨架内的(de)往複式存取設備，與Miniload相比，它更加快(kuài)捷靈活，因此，在需要更高(gāo)存取速度的(de)情形下(xià)，多(duō)層穿梭車具有Miniload不可(kě)比拟的(de)優勢，被廣泛應用(yòng)于貨到人(rén)揀選系統之中。料箱式四向穿梭車則是一種更加柔性的(de)産品，與托盤式四向車類似的(de)是，它具有廣泛的(de)适應性，既可(kě)以适用(yòng)于各種倉庫型式，也(yě)可(kě)以靈活的(de)通(tōng)過增減小車數量以匹配實際的(de)需求。尤其在貨到人(rén)揀選系統中，由于小車可(kě)以通(tōng)過提升機換層，事實上它可(kě)以在3維空間中靈活運行，因此，國外更形象的(de)稱其爲3D Satellite Shuttle car，這(zhè)是Miniload和(hé)多(duō)層穿梭車所不能比拟的(de)。

        四向穿梭車技術是物(wù)流倉儲系統中的(de)革命性技術，尤其是箱式四向穿梭車，其主要用(yòng)途是爲“貨到（機器）人(rén)”揀選提供快(kuài)速的(de)存取服務，雖然其應用(yòng)曆史還(hái)不長(cháng)，但已經引起了(le)行業的(de)廣泛重視，被認爲是未來(lái)智能物(wù)流系統的(de)重要組成部分(fēn)[1][2][3][4]。本文将對(duì)四向穿梭車的(de)技術特點和(hé)應用(yòng)範圍做(zuò)詳細論述。

        2 技術要點

        2.1 工作原理(lǐ)

        四向穿梭車一般具有兩套輪系，其一套負責X方向行走，另一套負責Y方向行走。小車在軌道上運行，遇到轉彎處，是通(tōng)過更換輪系來(lái)完成的(de)。因此，貨物(wù)單元的(de)方向在整個(gè)作業時(shí)間内是不變的(de)。

        小車如果要變化(huà)層時(shí)，大(dà)多(duō)數是通(tōng)過巷道外的(de)提升機來(lái)完成的(de)。小車自動駛入提升機後，提升機提升到所需要的(de)樓層，就完成了(le)換層。在實際應用(yòng)中，提升機有兩種作業模式：其一是帶車作業，其二是不帶車作業。不帶車作業時(shí)，提升機僅僅提升貨物(wù)單元，帶車作業時(shí)，每次作業，小車與貨物(wù)同時(shí)進入提升機，這(zhè)時(shí)其實不需要換層提升機。顯然，不帶車提升時(shí)，每層需要有貨物(wù)移載工作站，這(zhè)是一筆不小的(de)成本，而帶車作業時(shí)系統會簡單很多(duō)，每層的(de)端部也(yě)簡單很多(duō)，但效率也(yě)會低很多(duō)，這(zhè)是要注意的(de)。

        四向穿梭車的(de)最大(dà)特點是每台車都可(kě)以抵達倉庫每一個(gè)貨位，因此，從理(lǐ)論上講，如果沒有出入庫能力要求的(de)話(huà)，一個(gè)倉庫布置1台小車即可(kě)以完成整個(gè)倉庫的(de)出入庫作業。這(zhè)對(duì)于出入庫頻(pín)率較低的(de)系統，具有很大(dà)優勢。

        作爲一個(gè)系統來(lái)說，四向穿梭車需要與貨架（軌道）、提升機、輸送系統、通(tōng)訊系統、充電系統組成一個(gè)完整的(de)系統才能工作，當然，有關管理(lǐ)、監控、調度和(hé)控制的(de)軟件系統也(yě)是必不可(kě)少的(de)。

        2.2 共性技術特點

        無論是托盤式或料箱式，其技術都有一些共性的(de)特點。這(zhè)些特點如貨架、軌道、定位、通(tōng)訊、供電、維修等。

        貨架與軌道：穿梭車系統相對(duì)于傳統的(de)立體存儲系統來(lái)說，貨架是其最大(dà)的(de)變化(huà)。小車經過的(de)所有路徑均需要鋪設軌道，轉折路口還(hái)要有特制的(de)轉接闆，以及每輛小車均需要有充電點，這(zhè)是四向穿梭車的(de)特點，也(yě)是使得(de)成本增加的(de)主要原因。相對(duì)來(lái)說，穿梭車系統對(duì)于貨架的(de)加工精度及安裝精度都比傳統貨架要高(gāo)，這(zhè)樣又會增加加工和(hé)安裝的(de)成本，目前國内能夠生産穿梭車貨架的(de)企業不是很多(duō)。尤其對(duì)于料箱式穿梭車貨架，要求更加嚴格。

        定位：穿梭車的(de)定位一般采用(yòng)條形碼和(hé)端點開關定位。定位精度要求達到3mm以内。比AGV簡單的(de)是，因爲在固定軌道上運行，穿梭車不需要導航系統。

        通(tōng)訊：如何在密集的(de)貨架中實現通(tōng)訊，其實是需要經驗和(hé)技巧的(de)。選用(yòng)什(shén)麽樣的(de)天線和(hé)通(tōng)訊技術，對(duì)項目的(de)穩定性非常重要。

        供電：一般采用(yòng)電容+锂電池方式，電容要保證一次充電能夠完成一次最遠(yuǎn)的(de)作業，這(zhè)對(duì)于車的(de)配置來(lái)說，會有比較大(dà)的(de)差異。路徑越長(cháng)，需要的(de)電容器越大(dà)。電池隻能作爲輔助供電，避免小車在中途停電或電壓過低而無法工作。

        控制：歐洲的(de)穿梭小車控制均采用(yòng)PLC居多(duō)，但這(zhè)樣成本會較高(gāo)。在日本，采用(yòng)專用(yòng)的(de)集成電路闆進行控制，可(kě)以大(dà)大(dà)降低産品的(de)成本。國内的(de)設備也(yě)有兩種選擇。

        調度系統：對(duì)四向穿梭車來(lái)說，一個(gè)作業區(qū)域往往會有多(duō)台車同時(shí)作業，如何提升系統的(de)總體效率，需要對(duì)小車進行作業調度。調度的(de)内容包括：車況識别，選用(yòng)什(shén)麽車，路線規劃等。車越多(duō)，調度越重要。難度也(yě)越大(dà)。

        維修：相對(duì)來(lái)說，由于托盤式穿梭車尺寸較大(dà)，巷道較寬，層高(gāo)也(yě)較高(gāo)，因此，理(lǐ)論上人(rén)員(yuán)可(kě)以進入貨架内部進行操作。而料箱式穿梭車則不然，因此，一方面，要盡量避免進入貨架中，另一方面，則在設計中要考慮進入貨架内部的(de)可(kě)能，這(zhè)是其重要差别。

        2.3 非共性技術特點

        托盤式四向穿梭車

        移載：對(duì)于托盤式穿梭車來(lái)說，運輸的(de)貨物(wù)單元是托盤，重量一般會達到500~1000kg，因此，小車的(de)移載裝置既不能采用(yòng)貨叉，也(yě)不能采用(yòng)鏈條等方式，而是直接通(tōng)過駛入貨架，将托盤放置在貨架軌道上，這(zhè)是托盤穿梭車的(de)特點。這(zhè)一做(zuò)法可(kě)以很容易實現密集存儲，但帶來(lái)的(de)問題是作業效率會下(xià)降，而且貨架的(de)成本會增加。

        提升機：提升機負責貨物(wù)托盤的(de)入出庫作業。是四向穿梭車系統的(de)關鍵輔助設備。托盤式的(de)提升機，既可(kě)以提升托盤，也(yě)可(kě)以提升穿梭車，并且兩者可(kě)以共用(yòng)。  

        速度和(hé)加速度：空載穿梭車速度可(kě)以達到4m/s以上，有載一般爲3m/s，加速度一般爲0.5m/s2。但不同的(de)要求，也(yě)可(kě)以有所變化(huà)。

        料箱式四向穿梭車

        移載：相對(duì)來(lái)說，料箱式穿梭車就要靈活得(de)多(duō)。這(zhè)主要是單元變小變輕以後，可(kě)以有多(duō)種方式進行移載。最簡單的(de)方式是采用(yòng)貨叉。爲了(le)提升存儲密度，可(kě)以采用(yòng)雙深度的(de)貨叉，有時(shí)，爲了(le)适應不同寬度的(de)紙箱，貨叉還(hái)可(kě)以改變寬度。貨叉其實是穿梭車最重要的(de)部件。歐洲的(de)專業公司開發的(de)貨叉，其售價有時(shí)高(gāo)達10萬元以上。

        提升機：有兩種典型的(de)結構，帶車提升機和(hé)不帶車提升機。帶車提升機主要用(yòng)于穿梭車的(de)換層，有時(shí)，爲了(le)簡化(huà)系統，也(yě)可(kě)以采用(yòng)每次都帶車作業，但作業效率會大(dà)打折扣。不帶車提升機會有較大(dà)的(de)提升能力，有時(shí)還(hái)可(kě)以采用(yòng)雙工位的(de)提升機，每小時(shí)的(de)提升能力達到250~500次。

        速度和(hé)加速度：爲了(le)提高(gāo)作業效率，小車的(de)速度會高(gāo)達5m/s，因爲采用(yòng)夾抱裝置，小車的(de)加速度則可(kě)達到2m/s2，這(zhè)樣大(dà)大(dà)提升了(le)小車的(de)作業效率。對(duì)提升機來(lái)說，提升速度一般也(yě)會達到4~6m/s，以匹配整個(gè)系統的(de)效率。（以上數據參考北(běi)京伍強科技的(de)紅蟹I号四向穿梭車）

        3 應用(yòng)領域探索

        3.1 托盤式

        托盤式四向穿梭車的(de)應用(yòng)，主要是在密集存儲方面，尤其是冷(lěng)鏈物(wù)流系統。在冷(lěng)鏈系統，尤其是-18°C及以下(xià)的(de)冷(lěng)鏈系統，采用(yòng)四向穿梭車進行儲存，可(kě)以大(dà)幅度提升空間利用(yòng)率，并可(kě)以大(dà)大(dà)改善作業區(qū)的(de)環境，使作業人(rén)員(yuán)工作更加舒适。

        密集存儲的(de)技術有很多(duō)種，對(duì)AS/RS系統來(lái)說，采用(yòng)雙深貨位是一種非常有效且實用(yòng)的(de)做(zuò)法，對(duì)于穿梭闆和(hé)子母車來(lái)說，密集存儲的(de)效率也(yě)很高(gāo)，其與四向穿梭車的(de)類似，但四向穿梭車更加靈活、柔性，适應性強，這(zhè)是其主要特點。

        在其它應用(yòng)領域，四向穿梭車還(hái)有很多(duō)，如采用(yòng)四向穿梭車系統作爲發貨暫存就是一種很好的(de)應用(yòng)，可(kě)以大(dà)大(dà)節約空間，并可(kě)實現自動化(huà)作業。此外，采用(yòng)四向穿梭車代替輸送系統完成長(cháng)距離輸送應是一種選擇，但這(zhè)方面的(de)應用(yòng)目前并不多(duō)。

        總體來(lái)說，托盤式的(de)四向穿梭車應用(yòng)還(hái)受限制，其主要原因在于性價比。作爲存儲來(lái)說，AS/RS更受人(rén)歡迎，自動化(huà)比較低的(de)場(chǎng)合，則采用(yòng)穿梭闆更爲節省。但四向穿梭車畢竟是一種高(gāo)柔性的(de)技術，其應用(yòng)在未來(lái)會有較大(dà)的(de)發展空間。

        3.2 料箱式

        相對(duì)于托盤式四向穿梭車應用(yòng)受限，料箱式的(de)四向穿梭車的(de)應用(yòng)則非常廣泛。一方面固然與其靈活性和(hé)柔性有關，更爲重要的(de)是電商的(de)發展，推動了(le)拆零揀選的(de)快(kuài)速發展。而四向穿梭車的(de)高(gāo)效率，是其備受歡迎的(de)重要原因之一。其主要應用(yòng)概述如下(xià)：

        “貨到人(rén)”存儲系統：四向穿梭車的(de)最早應用(yòng)即是其在貨到人(rén)揀選系統的(de)應用(yòng)，相對(duì)于多(duō)層穿梭車而言，四向穿梭車不僅效率高(gāo)，而且具有很高(gāo)的(de)柔性，這(zhè)樣使得(de)它的(de)應用(yòng)場(chǎng)合更加廣闊。但随著(zhe)對(duì)出入庫能力要求的(de)不斷提升，當小車的(de)能力成爲瓶頸時(shí)，多(duō)層穿梭車的(de)價格優勢将比較明(míng)顯。

        集貨與排隊：與托盤四向車一樣，料箱式四向穿梭在發貨過程中也(yě)常常用(yòng)于集貨與排隊。它與托盤的(de)不同之處在于，料箱可(kě)以直接對(duì)接伸縮皮帶機，從而更加直接的(de)完成裝車工作。對(duì)于具有多(duō)個(gè)發貨目的(de)地的(de)情形，穿梭車還(hái)可(kě)以扮演排隊的(de)角色，解決以前關于裝車順序問題。

        其它：料箱式的(de)四向穿梭車，應用(yòng)十分(fēn)廣闊。目前了(le)解到的(de)應用(yòng)包括各類大(dà)規模存儲系統（尤其是庫容量大(dà)，出入庫頻(pín)率不高(gāo)的(de)情形），如圖書(shū)館、檔案館等。此外，在物(wù)流的(de)其它環節，如生産的(de)線邊庫，分(fēn)揀系統等，均有應用(yòng)的(de)前景。

        4 發展趨勢

        四向穿梭車無疑是一項具有裏程碑意義的(de)技術。其應用(yòng)還(hái)處于初級階段，未來(lái)的(de)發展還(hái)有很大(dà)的(de)空間。從技術上來(lái)講，主要有以下(xià)幾方面：

        更加柔性化(huà)：柔性是物(wù)流技術發展的(de)基本方向之一，AGV的(de)應用(yòng)即充分(fēn)說明(míng)了(le)這(zhè)一點。四向穿梭車從目前的(de)應用(yòng)看，還(hái)有進一步柔性化(huà)的(de)空間。如可(kě)自行升降的(de)四向穿梭車和(hé)可(kě)在地面行走的(de)四向穿梭車即是兩個(gè)有意義的(de)研究課題。即将AGV，提升機，穿梭車融爲一體的(de)技術。這(zhè)些技術已經有一些研究成果。

        更加智能化(huà)：四向穿梭車在用(yòng)于拆零揀選時(shí)，小車的(de)調度對(duì)效率的(de)影(yǐng)響非常大(dà)。越大(dà)的(de)系統，智能化(huà)的(de)效果越能體現。比如各種路線優化(huà)與排隊，就對(duì)系統的(de)效率會産生很大(dà)的(de)影(yǐng)響。此外，小車的(de)運行狀态的(de)實時(shí)監測，對(duì)于系統的(de)正常運行也(yě)有大(dà)的(de)影(yǐng)響。所有這(zhè)些工作都是未來(lái)需要不斷提升的(de)。

        更高(gāo)性價比：四向穿梭車的(de)穩定性是保證系統正常高(gāo)效運行的(de)關鍵。從目前的(de)應用(yòng)看，還(hái)有待進一步提升。與AGV（kiva）和(hé)多(duō)層穿梭車相比，料箱式四向穿梭車因爲結構複雜(zá)，成本要高(gāo)出不少，如何不斷優化(huà)，降低成本，提升性價比，對(duì)于市場(chǎng)的(de)接受是有幫助的(de)。

        标準化(huà)與系列化(huà)：目前主要以标準尺寸的(de)穿梭車爲主，未來(lái)會有一些變化(huà)。

        盤式四向穿梭車：主要适應于1200*1000标準托盤，承載能力爲1000kg，未來(lái)的(de)系列化(huà)會從托盤尺寸和(hé)承載能力兩方面考慮。如載荷會有500/750/1000/1250幾個(gè)等級，以滿足市場(chǎng)不同的(de)需求。尺寸方面，系列組合的(de)會更多(duō)一些。

        料箱式四向穿梭車：主要适應于600*400标準箱，承載能力爲50kg，未來(lái)的(de)系統主要從尺寸、貨叉型式方面尋求系列化(huà)，以适應市場(chǎng)需求。

        标準化(huà)和(hé)系列化(huà)是産品發展的(de)必由之路，但由于每一台穿梭車在出廠前均要經過嚴格的(de)測試，而每個(gè)型号的(de)新車都要經過嚴格的(de)定型測試，這(zhè)些工作會給系列化(huà)帶來(lái)挑戰。從伍強科技的(de)經驗看，因爲要給每一項新産品搭建試驗台，新産品的(de)試驗不僅耗時(shí)耗力，而且也(yě)影(yǐng)響産能。

        參考文獻

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