穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)專利技術(shù)概述

文/朱由智

一、穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展概況

近幾年來，隨著我國電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，物流量逐年遞增，商品的存儲(chǔ)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，倉儲(chǔ)系統(tǒng)作為產(chǎn)品供應(yīng)中的重要環(huán)節(jié)逐漸引起了人們的重視。加之土地資源的緊缺及成本的大幅上漲，如何有效利用空間進(jìn)行高效存儲(chǔ)正在成為重要的研究方向。而穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)是穿梭車與貨架的有效結(jié)合，其比較適合商品品種相對(duì)較少、需要對(duì)貨物進(jìn)行快速流通的行業(yè)。

本文從專利的角度分析穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展歷程及未來趨勢(shì)。在國際專利分類表（IPC）中，穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)的分類號(hào)比較集中，主要包括在B65G1/04（機(jī)械的貯存裝置）這一兩點(diǎn)組中，該兩點(diǎn)組下包括三點(diǎn)組B65G1/10（貨架相對(duì)移動(dòng)）、B65G1/12（帶有在封閉環(huán)路內(nèi)移動(dòng)的物件支承器）及B65G1/137（帶有為選擇要取出物件的裝置或自動(dòng)控制裝置），B65G1/12下包括四點(diǎn)組B65G1/127（環(huán)路限制在垂直平面內(nèi)）及B65G1/133（環(huán)路限制在水平平面內(nèi)）。這些分類號(hào)基本涵蓋了穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)方面的所有專利。本文采用以上分類號(hào)，并使用物流、貨架、貨柜、高密度、密集、倉儲(chǔ)、存儲(chǔ)、穿梭車、穿梭板、臺(tái)車、搬運(yùn)機(jī)器人、搬運(yùn)車等關(guān)鍵詞進(jìn)行限定，得到相關(guān)專利申請(qǐng)800多件，并以此進(jìn)行分析。

圖1：國內(nèi)外專利申請(qǐng)量年度分布圖

圖2：國內(nèi)外專利申請(qǐng)量地域分布圖

圖3：國內(nèi)主要申請(qǐng)人分布圖

1.國內(nèi)外專利申請(qǐng)量年度分布

穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)專利申請(qǐng)最早于1967年提出，由圖1不難看出，國外對(duì)于穿梭車倉儲(chǔ)的研究起步較早并穩(wěn)步發(fā)展，國內(nèi)在20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)少量申請(qǐng)。在2005年之后，隨著電池及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外專利申請(qǐng)量開始逐漸增多，特別是中國在2010年后申請(qǐng)量開始爆發(fā)式增長(zhǎng)，這與大容量電池技術(shù)的成熟、電機(jī)體積的減小以及智能化的發(fā)展密切相關(guān)。特別是近幾年我國電商及物流行業(yè)的飛速發(fā)展以及土地成本的日益增長(zhǎng)，極大地促進(jìn)了穿梭車倉儲(chǔ)的飛速發(fā)展。

2.國內(nèi)外專利申請(qǐng)量的地域分布

從圖2可以看出，穿梭車倉儲(chǔ)起步于歐洲，英國、法國及德國在20世紀(jì)60年代開始萌芽，之后呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的發(fā)展；美國在60年代出現(xiàn)了少量申請(qǐng)，后呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，申請(qǐng)總量位居全球第二名；加拿大在70年代開始出現(xiàn)相關(guān)申請(qǐng)，之后呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的發(fā)展；日本在80年代開始出現(xiàn)相關(guān)申請(qǐng)，之后呈現(xiàn)較快的發(fā)展，鑒于國土面積有限的基本國情，申請(qǐng)總量位居全球第三名；韓國和中國均是在90年代出現(xiàn)相關(guān)申請(qǐng)，且呈現(xiàn)較快的發(fā)展；尤其是中國，在2010年后申請(qǐng)量急劇增長(zhǎng)，國內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)加快研發(fā)速度，同時(shí)國外企業(yè)也加強(qiáng)了在中國的申請(qǐng)，使在中國的專利申請(qǐng)總量位居全球第一。

3.國內(nèi)主要申請(qǐng)人的統(tǒng)計(jì)情況

由圖3可以看出，穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的主要申請(qǐng)人比較分散，且以企業(yè)為主，高校申請(qǐng)量并不多，申請(qǐng)的區(qū)域主要集中在江蘇省、上海市及廣東省等物流比較發(fā)達(dá)的省市，專注于物流及存儲(chǔ)設(shè)備的貴陽普天物流技術(shù)有限公司以及貴州省的新余市百合力機(jī)電技術(shù)有限公司的申請(qǐng)量居于首位，具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力。

二、穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

1.單層貨架倉儲(chǔ)系統(tǒng)

早期的貨物存儲(chǔ)直接將貨物擺放在地面上，并留出供叉車或者人工搬運(yùn)貨物進(jìn)出的通道。為了改進(jìn)這種占地面積大、存取效率低的存儲(chǔ)方式，英國發(fā)明家Bright Thomas John Robert于1967年申請(qǐng)了一種機(jī)械式存取系統(tǒng)及裝置（GB1572367A），如圖4，在倉庫或車庫中設(shè)置多列存儲(chǔ)區(qū)（A、B、C），每列存儲(chǔ)區(qū)由兩條出入通道（a3、a4）及夾在兩出入通道之間的多個(gè)矩形存儲(chǔ)單元（e）組成，每個(gè)矩形存儲(chǔ)單元包括五個(gè)（或更多個(gè)）承載貨物或車輛的存儲(chǔ)穿梭車（1、2、3、4、5）。存儲(chǔ)穿梭車可沿垂直于出入通道的方向移動(dòng)，可在載具（a、b）的帶動(dòng)下沿平行于出入通道的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在矩形存儲(chǔ)單元內(nèi)循環(huán)存放，以增加存儲(chǔ)單元內(nèi)的存儲(chǔ)密度，每個(gè)出入通道中設(shè)置有可快速移動(dòng)的通道穿梭車，存儲(chǔ)穿梭車可承載著貨物或車輛從通道穿梭車上進(jìn)出矩形存儲(chǔ)單元。通道穿梭車、載具及存儲(chǔ)穿梭車的運(yùn)動(dòng)均是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條嚙合來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)置有通道穿梭車的出入通道及可循環(huán)存放存儲(chǔ)穿梭車的矩形存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)了貨物及車輛的大量存放及快速存取。

2.多層貨架倉儲(chǔ)系統(tǒng)

單層的存儲(chǔ)方式已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的存儲(chǔ)量的需求。為了進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度并減少貨物存取時(shí)的轉(zhuǎn)移距離，一些企業(yè)開始制造并使用多層貨架來利用空間并減少轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的轉(zhuǎn)移距離，于是將貨架設(shè)計(jì)成多深位貨架（貨架的每個(gè)存儲(chǔ)格內(nèi)可放置多個(gè)貨物）。而多深位貨架中貨物的存取不便于通過叉車或者堆垛機(jī)的貨叉實(shí)現(xiàn)，因此，能夠來回穿梭的穿梭車便受到了設(shè)計(jì)者的青睞。

（1）應(yīng)用單向穿梭車的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)

加拿大一家公司A P L I T E C LIMITED于1972年在英國申請(qǐng)了一種自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)（GB1419872A），如圖5。該存儲(chǔ)系統(tǒng)包括三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)（1、2、3），每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)由多行多列構(gòu)成的多個(gè)存儲(chǔ)格組成，每個(gè)存儲(chǔ)格為可同時(shí)存儲(chǔ)多件貨物（7）的多深位存儲(chǔ)格，其中存儲(chǔ)區(qū)1、3及2帶有中間隔板8的部分的存取方式為“先進(jìn)后出”，存儲(chǔ)區(qū)2不帶中間隔板8的部分的存取方式為“先進(jìn)先出”，兩存儲(chǔ)區(qū)之間設(shè)有供堆垛機(jī)17往復(fù)移動(dòng)的通道，各通道分別與輸送機(jī)13、14相連，方便貨物的轉(zhuǎn)運(yùn)，堆垛機(jī)17包括帶有滾輪19的底座18，底座上設(shè)有高架5，高架上設(shè)有轎廂30，轎廂30可由繩索牽引沿著高架5進(jìn)行升降，轎廂30中設(shè)有用于承載貨物的穿梭車41。存儲(chǔ)貨物時(shí)，穿梭車41從輸送機(jī)上接收貨物，在堆垛機(jī)17的水平移動(dòng)及轎廂30的垂直移動(dòng)的帶動(dòng)下停在指定的存儲(chǔ)格前面，穿梭車41的車輪58在電機(jī)59的驅(qū)動(dòng)下沿著軌道51從轎廂30中駛?cè)胴浖苤?，到達(dá)貨架中的空位后螺紋桿61在電機(jī)62的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)貨物7下落，貨物7落在貨架的存儲(chǔ)格上，穿梭車41便與貨物7分離，然后返回到轎廂30內(nèi)，取貨為存貨的逆過程。此申請(qǐng)中，驅(qū)動(dòng)穿梭車運(yùn)動(dòng)的電機(jī)由電池供電，可使穿梭車脫離堆垛機(jī)行駛較遠(yuǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)多深位貨架的高密度存儲(chǔ)及自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)申請(qǐng)人云南昆船設(shè)計(jì)研究院于2000年申請(qǐng)了一種密集型自動(dòng)化物流倉儲(chǔ)方法及其裝置（CN1293148A），如圖6。立體倉庫3包括多排貨架，兩貨架間設(shè)有橫向運(yùn)動(dòng)的巷道堆垛機(jī)1，巷道堆垛機(jī)1用于在貨架端部的自動(dòng)輸送系統(tǒng)及存儲(chǔ)格間轉(zhuǎn)運(yùn)貨物，每排貨架由多行多列的多深位存儲(chǔ)格組成，遙控有軌自動(dòng)車2（即穿梭車）在存儲(chǔ)格的軌道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)存儲(chǔ)貨物16時(shí)，巷道堆垛機(jī)的貨叉取下貨物，然后運(yùn)動(dòng)到指定的貨格前，巷道堆垛機(jī)上的貨叉將貨物放到存儲(chǔ)格的第一個(gè)貨位，然后遙控有軌自動(dòng)車2駛?cè)胴浳锏撞浚∝浹b置上升將貨物頂起然后送到指定貨位上，取貨裝置下降將貨物存下，然后處于待命狀態(tài)。取貨時(shí)，遙控有軌自動(dòng)車2將貨物放到第一個(gè)貨位，巷道堆垛機(jī)1的貨叉將貨物取下，然后送到自動(dòng)輸送系統(tǒng)上。遙控有軌自動(dòng)車2在不同存儲(chǔ)格間的轉(zhuǎn)移通過巷道堆垛機(jī)的貨叉取放實(shí)現(xiàn)，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過電池進(jìn)行供電，整套裝置由自動(dòng)控制系統(tǒng)6控制，通過計(jì)算機(jī)管理調(diào)度系統(tǒng)5自動(dòng)地調(diào)度運(yùn)行。

圖4： 機(jī)械式存取系統(tǒng)及裝置

圖5：自動(dòng)化存取系統(tǒng)

圖6：密集型自動(dòng)化物流倉儲(chǔ)方法及其裝置

圖7：子母穿梭車倉儲(chǔ)系統(tǒng)

圖8：自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)

圖9：緊致化倉儲(chǔ)系統(tǒng)

圖10：立體倉庫伸縮叉型穿梭車

圖11：無人自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)

以上兩個(gè)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)均是通過堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)貨物的水平及垂直運(yùn)動(dòng)，由于堆垛機(jī)體積及重量較大，在貨物的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中需要較寬通道，以致效率不高，且耗能較大，因此，一些研究者開始對(duì)貨物的水平及垂直運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度、轉(zhuǎn)運(yùn)效率，且更加節(jié)能。

法國申請(qǐng)人Savoye Logistics于1999年申請(qǐng)了一種自動(dòng)存取貨架（FR9912259A），如圖7。該存取貨架由多排貨架組成，存儲(chǔ)格3為多深位存儲(chǔ)格，貨架之間設(shè)有通道（2a、2b、2c），通道的一端設(shè)有固定的升降機(jī)5，另一端設(shè)有橫向軌道6，通道上設(shè)有供母穿梭車7沿X方向運(yùn)動(dòng)的軌道4，母穿梭車7可通過橫向軌道6進(jìn)行y方向的運(yùn)動(dòng)，升降機(jī)5帶動(dòng)母穿梭車進(jìn)行Z方向（垂直）的運(yùn)動(dòng)，存儲(chǔ)格內(nèi)設(shè)有供子穿梭車25穿行的軌道，子穿梭車承載貨物駛?cè)牖蝰偝瞿复┧筌?，實(shí)現(xiàn)貨物從母穿梭車與存儲(chǔ)格之間的轉(zhuǎn)移。當(dāng)存貨物時(shí)，母穿梭車7運(yùn)動(dòng)到升降機(jī)5上，升降機(jī)5下降并與底部的輸送機(jī)相對(duì)接，將貨物輸送到母穿梭車7上，升降機(jī)5上升到指定的層，然后母穿梭車從升降機(jī)上駛?cè)胪ǖ?，停在指定的存?chǔ)格前，子穿梭車從存儲(chǔ)格內(nèi)駛?cè)肽复┧筌嚿蠈⒇浳镯斊穑缓蠓祷卮鎯?chǔ)格內(nèi)放下，若母穿梭車需要駛?cè)肫渌ǖ?，則通過車輪12在通道端部的橫向軌道6上進(jìn)行橫移，母穿梭車也可帶著子穿梭車從一個(gè)存儲(chǔ)格內(nèi)進(jìn)入指定的存儲(chǔ)格內(nèi)。子、母穿梭車的運(yùn)動(dòng)均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并由電池供電，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及無線通訊技術(shù)來協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)了貨物的高密度、自動(dòng)化的快速存儲(chǔ)。

國內(nèi)申請(qǐng)人廣運(yùn)機(jī)電（蘇州）有限公司于2011年申請(qǐng)了一種自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)（CN102085957A），如圖8。其通過在立體貨架的每一層設(shè)置可橫向移動(dòng)的移行機(jī)構(gòu)3（即母穿梭車）替換現(xiàn)有技術(shù)中的堆垛機(jī)或叉車，在貨架內(nèi)縱向移動(dòng)的子穿梭車2可直接駛?cè)胍菩袡C(jī)構(gòu)中從而減少了堆垛機(jī)或叉車的貨叉伸縮空間，提高了存儲(chǔ)密集度，在子穿梭車將貨物放置到移行機(jī)構(gòu)上后退回到貨架中，移行機(jī)構(gòu)將貨物移送到貨架端部的升降機(jī)構(gòu)5前面，升降機(jī)構(gòu)的貨叉將貨物從移行機(jī)構(gòu)上取下后下降到底部，再將貨物移動(dòng)到輸送機(jī)上。移行機(jī)構(gòu)3通過集電軌對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電，子穿梭車通過電池進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)了貨物的高密度、自動(dòng)化存儲(chǔ)。

（2） 應(yīng)用雙向穿梭車的智能化倉儲(chǔ)系統(tǒng)

以上倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的穿梭車只能在貨架中進(jìn)行縱向的運(yùn)動(dòng)，其橫向運(yùn)動(dòng)均需要通過堆垛機(jī)或母穿梭車帶動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這樣就增加了投入成本。

申請(qǐng)人昆明歐邁科技有限公司于2013年申請(qǐng)了一種密集式雙向穿梭車自動(dòng)存取倉儲(chǔ)物流裝置（CN203294644U）。該申請(qǐng)中的穿梭車為雙向穿梭車，既可以橫向運(yùn)動(dòng)也可以縱向運(yùn)動(dòng)，一臺(tái)穿梭車和升降機(jī)配合便可以實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)，減少了設(shè)備投入成本。

中國科技大學(xué)于2013年申請(qǐng)了一種緊致化倉儲(chǔ)系統(tǒng)及相應(yīng)的取貨方法（CN103144915A），如圖9。該系統(tǒng)中每個(gè)貨物4的底端都設(shè)有一個(gè)穿梭車3，穿梭車3既可以橫向運(yùn)動(dòng)也可以縱向運(yùn)動(dòng)，存儲(chǔ)貨架2的一側(cè)設(shè)置升降機(jī)1，存儲(chǔ)貨架的每一層上設(shè)有一個(gè)空位，當(dāng)需要取貨時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)向穿梭車3及升降機(jī)1發(fā)送指令，所有穿梭車進(jìn)行水平方向和深度方向成直角移動(dòng)，將帶有貨物4的穿梭車3移送到出入口9處，升降機(jī)1在出入口將貨物取下，該存儲(chǔ)貨架中無需設(shè)有供堆垛機(jī)穿行的通道，因此密集度更高，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)合理規(guī)劃穿梭車的行駛路徑，可以縮短貨物的取貨時(shí)間，實(shí)現(xiàn)貨物的高效、智能存儲(chǔ)。

（3）適于小批量、多品種貨物的倉儲(chǔ)系統(tǒng)

在現(xiàn)有的穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)中，無論是單向穿梭車配合堆垛機(jī)或者母穿梭車的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，還是應(yīng)用雙向穿梭車的智能化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，都只能實(shí)現(xiàn)貨物的先入后出或者先入先出，因此只適用于貨物大批量且單一品種的存儲(chǔ)情況，當(dāng)需要對(duì)多品種的貨物進(jìn)行存取時(shí)，位于存儲(chǔ)格中間部位的貨物通過穿梭車便無法簡(jiǎn)單地取出。隨著電子商務(wù)、服裝、藥品流通和快銷品等行業(yè)的快速發(fā)展，物品流通呈現(xiàn)出高時(shí)效、多品種、小批量的特點(diǎn)，該特性決定了在倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)中存儲(chǔ)的周期變短，系統(tǒng)出入庫作業(yè)的頻率增加，對(duì)倉儲(chǔ)的核心設(shè)備在性能上有了更高的要求。因此，穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)開始朝滿足“貨到人”揀貨模式的高流量需求方向發(fā)展。

申請(qǐng)人上海精星倉儲(chǔ)設(shè)備工程有限公司于2012年申請(qǐng)了一種應(yīng)用于立體倉庫伸縮叉型R G V小車（CN202864188U），如圖10。該穿梭車往返于多層貨架1間的通道4中，其貨叉6可向兩側(cè)伸出進(jìn)行取貨或者放貨，在控制系統(tǒng)的指引下停到所要存取的貨位前，每排貨架為單深位或雙深位貨架，雖然通道的增多減小了存儲(chǔ)密度，但可以實(shí)現(xiàn)多種貨物的靈活存取，兼顧存儲(chǔ)密度與靈活度。

申請(qǐng)人上?？靷}智能科技有限公司于2014年申請(qǐng)了一種倉儲(chǔ)物品無人自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)（CN104129591A），如圖11。其貨架為方形架體，貨架的底面貼有用于標(biāo)識(shí)貨架位置的二維碼標(biāo)簽，貨架正下方具有供搬運(yùn)車通行的空間，預(yù)先在倉庫內(nèi)標(biāo)定各個(gè)貨架的位置，并標(biāo)定可供搬運(yùn)車行進(jìn)至各個(gè)貨架的路徑，需要裝卸貨物時(shí)，控制終端通過無線網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)貨架的位置及路徑信息發(fā)送給搬運(yùn)車，搬運(yùn)車行駛到目標(biāo)貨架正下方，并可原地任意角度轉(zhuǎn)向，將目標(biāo)貨架頂起后按照規(guī)劃路徑行駛到卸貨點(diǎn)進(jìn)行裝卸貨。這種采用移動(dòng)多層貨架到卸貨點(diǎn)的“貨到人”揀貨方式可實(shí)現(xiàn)高時(shí)效、多品種、小批量貨物的靈活存取。

三、總結(jié)與展望

本文重點(diǎn)著眼于存儲(chǔ)密度高、自動(dòng)化程度高、成本低的穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)，通過分類號(hào)及關(guān)鍵詞等對(duì)穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)專利進(jìn)行了檢索，統(tǒng)計(jì)分析了關(guān)于穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)國內(nèi)外的專利申請(qǐng)情況以及國內(nèi)申請(qǐng)量位居前十的申請(qǐng)人。然后，按照專利申請(qǐng)時(shí)間的先后，通過重要專利的形式介紹了穿梭車式密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)從單層貨架存儲(chǔ)系統(tǒng)，到應(yīng)用單向穿梭車的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，到應(yīng)用雙向穿梭車的智能化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，到適于小批量、多品種貨物的倉儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展歷程。