智能碼垛在醫(yī)藥物流倉儲系統(tǒng)的研究與應用

郭 麗，田 博，張可義，楊騰飛

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著市場對于物流自動化裝備需求的不斷增加，機器人在物流倉儲行業(yè)得到越來越廣泛的應用。智能倉儲機器人在物流系統(tǒng)的應用,在提高作業(yè)效率、降低工作人員勞動強度、優(yōu)化資源、降低成本等方面發(fā)揮了重要作用。用機器人取代人工、提高倉儲自動化水平已是勢在必然。另外，在“工業(yè)4.0”、“智能制造”等數(shù)字化制造的背景下，智能工廠是工業(yè)變更時代未來的發(fā)展方向。而智能物流是智能工廠的基礎和保障，因此智能物流將迎來巨大發(fā)展契機,倉儲環(huán)節(jié)的碼垛機器人集成系統(tǒng)應用也隨之大幅增長。

目前大部分物流倉儲行業(yè)的機器人自動碼垛系統(tǒng)實現(xiàn)方式有以下兩種：1）機器人碼垛線上的產(chǎn)品為同一品種批次，只需設置一次碼垛信息，輸送線控制系統(tǒng)便能實現(xiàn)自主碼垛；2）機器人碼垛線上有多品種多批次的產(chǎn)品，輸送線控制系統(tǒng)通過識別產(chǎn)品外箱的條碼（條碼包含產(chǎn)品品種與批次信息）自主區(qū)分產(chǎn)品的品種與批次，實現(xiàn)自動分道碼垛，從而實現(xiàn)相同品種批次的產(chǎn)品碼放在同一托盤的功能。

在醫(yī)藥行業(yè)，同樣要求同種產(chǎn)品不能混批碼放，但產(chǎn)品箱粘貼的是藥品電子監(jiān)管碼，此碼是藥品的唯一追溯碼，輸送線控制系統(tǒng)通過條碼號不能解析出產(chǎn)品品種與批次信息，不能實現(xiàn)自主碼垛，因此自動碼垛環(huán)節(jié)需要在上位計算機的合理調(diào)度管理下進行。在本文中輸送線控制系統(tǒng)掃描電子監(jiān)管碼后上傳上位機系統(tǒng)，上位機系統(tǒng)獲取此電子監(jiān)管碼綁定的產(chǎn)品與批次信息，實現(xiàn)從產(chǎn)品上線到產(chǎn)品碼垛以及產(chǎn)品垛型的全面管理。本文以某醫(yī)藥物流倉儲系統(tǒng)為例，詳細介紹智能碼垛系統(tǒng)的研究與應用。

1 醫(yī)藥物流碼垛系統(tǒng)概述

該醫(yī)藥自動化物流倉儲系統(tǒng)包括16條與車間生產(chǎn)線對接的自動化箱式輸送線。生產(chǎn)線同時生產(chǎn)不同品種不同批次的產(chǎn)品并通過16條輸送線輸送至碼垛系統(tǒng)。在16條輸送線的上線口分別有條碼閱讀器，輸送線控制系統(tǒng)掃描產(chǎn)品電子監(jiān)管碼，并將已讀到電子監(jiān)管碼上傳上位機系統(tǒng)，用于對上線產(chǎn)品進行記錄跟蹤，同時對盲碼產(chǎn)品進行剔除。16條箱式輸送線產(chǎn)品最終合流到一條主線上輸送，G1設備讀取電子監(jiān)管碼并上傳至上位機，由上位機系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度算法分流到三條碼垛線。機器人抓取工位G2、G3、G4三段設備分別有條碼閱讀器，用于對產(chǎn)品電子監(jiān)管碼的再次校驗與上位機系統(tǒng)分配碼垛工位。碼垛系統(tǒng)共3臺真空吸盤式機器人，每次動作吸取一個產(chǎn)品箱，每一臺機器人對應8個碼垛工位，共24個碼垛工位，可以同時完成24個品種批次的產(chǎn)品碼垛，碼垛完成的托盤經(jīng)自動化輸送線進入立體倉庫。系統(tǒng)布局圖如圖1所示。

上位機系統(tǒng)實現(xiàn)了上線產(chǎn)品記錄跟蹤、產(chǎn)品智能分流管理、動態(tài)分配碼垛工位管理與產(chǎn)品碼垛垛型管理等功能。上位機系統(tǒng)對醫(yī)藥物流碼垛系統(tǒng)的管理原則為：從上線口開始對產(chǎn)品進行實時跟蹤，同品種的不同批次產(chǎn)品不能混批次碼放，同品種同批次的產(chǎn)品只能占用一條碼垛線，但同時可以占用多個碼垛工位。

圖1 系統(tǒng)布局圖

2 上位機系統(tǒng)智能碼垛管理

2.1 上線口產(chǎn)品管理

此碼垛系統(tǒng)的16條箱式線與車間生產(chǎn)線實現(xiàn)無縫對接，包裝完成的產(chǎn)品箱直接進入箱式輸送線，省去了人工搬運產(chǎn)品環(huán)節(jié)，極大程度減少勞動力的使用，提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品入庫及時性。條碼閱讀器讀取產(chǎn)品電子監(jiān)管碼，盲碼產(chǎn)品進行剔除，上位機系統(tǒng)通過接口系統(tǒng)查詢此電子監(jiān)管碼是否已綁定產(chǎn)品信息，無綁定信息自動剔除；并計算當前上線產(chǎn)品的品種批次數(shù)量，多于24種則進行剔除。

對于正常產(chǎn)品箱上位機系統(tǒng)記錄每一個上線口的產(chǎn)品電子監(jiān)管碼、產(chǎn)品名稱、批次、車間生產(chǎn)線編號與當前狀態(tài)。產(chǎn)品進入上線口，當前狀態(tài)為“上線輸送”；當產(chǎn)品經(jīng)過G1設備分流時，當前狀態(tài)更新為“進入碼垛線”，但當G1設備上產(chǎn)品盲碼時，此產(chǎn)品被輸送至剔除口，需要人工用手持終端設備掃描電子監(jiān)管碼對產(chǎn)品進行人工入庫，產(chǎn)品當前狀態(tài)更新為“人工掃描入庫”；當產(chǎn)品在碼垛工位托盤上時，當前狀態(tài)更新為“在碼垛工位”；當碼垛托盤入庫后，當前狀態(tài)更新為“在庫房內(nèi)”，當產(chǎn)品出庫后，當前狀態(tài)更新為“已出庫”。在上位機系統(tǒng)可以實時查詢上線產(chǎn)品數(shù)量、每一個上線口的已上線產(chǎn)品數(shù)量，每一箱產(chǎn)品的當前位置，實現(xiàn)了產(chǎn)品從上線到出庫的全程跟蹤記錄，保證了上線產(chǎn)品記錄數(shù)據(jù)的完整性與準確性。

2.2 碼垛前的產(chǎn)品箱分流算法

16條箱式輸送線產(chǎn)品箱合流到一條主線輸送，經(jīng)過G1設備時進行分流到三條碼垛線，產(chǎn)品箱分流算法描述如下：輸送線控制系統(tǒng)掃描G1設備產(chǎn)品電子監(jiān)管碼向上位機系統(tǒng)要求分配碼垛線。上位機系統(tǒng)按照每條碼垛線的品種批次、數(shù)量等信息，并結(jié)合碼垛工位信息，遵循三條碼垛線碼垛產(chǎn)品數(shù)量均衡、線體不擁堵、效率最高等原則，進行智能計算后，給輸送線控制系統(tǒng)寫入碼垛線去向，輸送產(chǎn)品箱至對應的碼垛機器人站臺。同時上位機系統(tǒng)生成碼垛作業(yè)，碼垛作業(yè)信息包括碼垛線號、品種、批次等。當同品種同批次產(chǎn)品再次經(jīng)過G1時，上位機系統(tǒng)即可在碼垛作業(yè)中查詢此產(chǎn)品的碼垛作業(yè)信息下發(fā)指令。

在實際應用過程中，由于箱式線輸送速度比較快或者產(chǎn)品箱在輸送過程中位置調(diào)整變化，可能會造成G1設備的產(chǎn)品箱讀碼失敗，產(chǎn)品箱之間距離間隔較短，當上位機系統(tǒng)與輸送線控制系統(tǒng)通訊出現(xiàn)網(wǎng)絡延時，出現(xiàn)后箱按照前箱的指令輸送現(xiàn)象，造成產(chǎn)品箱進入錯誤的碼垛線，此條碼垛線無該產(chǎn)品的碼垛作業(yè)，設備報警，直接影響了整條碼垛線的作業(yè)效率。

為解決以上問題，在輸送線控制系統(tǒng)掃描電子監(jiān)管碼要求分配碼垛線去向時，優(yōu)化上位機系統(tǒng)和輸送線控制系統(tǒng)的通訊握手方式，在分流算法中加入校驗算法，即把碼垛線號與電子監(jiān)管碼同時寫入輸送線控制系統(tǒng)，輸送線控制系統(tǒng)判斷上位機寫入的電子監(jiān)管碼與當前系統(tǒng)采集的電子監(jiān)管碼是否一致，不一致則繼續(xù)向上位機系統(tǒng)上傳電子監(jiān)管碼要求分配碼垛線去向，一致則進行輸送，通過此校驗算法從根本上解決了產(chǎn)品箱分流出現(xiàn)的問題。

2.3 碼垛工位動態(tài)分配算法

產(chǎn)品箱進入機器人抓取位G2、G3、G4時，輸送線控制系統(tǒng)掃描電子監(jiān)管碼后上傳上位機系統(tǒng)，上位機系統(tǒng)分配產(chǎn)品箱的碼垛托盤工位與垛型號，機器人抓取產(chǎn)品進行作業(yè)。碼垛作業(yè)流程圖如圖2所示。上位機系統(tǒng)智能分配工位算法描述如下：

1）此處同樣應用了上節(jié)描述的電子監(jiān)管碼校驗算法，杜絕了發(fā)生混品種、混批次碼垛現(xiàn)象。

2）上位機系統(tǒng)與輸送線控制系統(tǒng)進行產(chǎn)品箱碼垛工位信息交互時，機器人抓取動作同時進行，提高了碼垛效率。

圖2 產(chǎn)品碼垛流程圖

3）8個碼垛托盤工位循環(huán)分配原則。

4）優(yōu)先分配距離機器人近的4個工位，機器人行走距離短，碼垛時間短、效率高。

5）在機器人碼垛過程中，上位機系統(tǒng)將產(chǎn)品信息與碼垛工位進行綁定，當輸送線控制系統(tǒng)反饋托盤碼垛完成信號后，上位機系統(tǒng)解除產(chǎn)品與此工位的綁定并鎖定當前工位，滿垛托盤等待入庫并需要給此工位補充新的空托盤，當新空托盤補充到位后對此工位進行解鎖，此工位處于空閑狀態(tài)，可以進行碼垛。如果此時仍有此種產(chǎn)品箱等待機器人抓取，而原來的碼垛工位尚未解鎖，上位機系統(tǒng)則重新分配另外一個空閑工位，而不是等待原來的工位，大大提高了碼垛效率。

6）上位機系統(tǒng)與車間賦碼系統(tǒng)對接，收到賦碼系統(tǒng)的斷批指令后，上位機系統(tǒng)自動計算已碼垛產(chǎn)品數(shù)量，與車間生產(chǎn)數(shù)量對比，數(shù)量一致刪除此產(chǎn)品的碼垛作業(yè)，同時允許新品種上線。數(shù)量不一致說明仍有部分產(chǎn)品箱在箱式線輸送，此時等待剩余產(chǎn)品箱碼垛入庫，這樣提高了產(chǎn)品斷批的及時性與碼垛工位的利用率。

7）上位機系統(tǒng)可以設置每一個工位的使用狀態(tài)，鎖定或者打開。當工位處于空閑未使用狀態(tài)時，可以進行鎖定，鎖定后的工位處于不可用狀態(tài)。當系統(tǒng)出現(xiàn)某些異常情況時，可以對工位鎖定，提高了工位利用的靈活性。

通過以上碼垛工位動態(tài)分配算法，杜絕了混品種、混批次碼垛現(xiàn)象的發(fā)生，縮短了機器人的行走距離，提高了碼垛效率與工位利用的靈活性、利用率。

2.4 產(chǎn)品垛型管理

目前機器人碼垛系統(tǒng)編程工作一般通過示教再現(xiàn)的方式實現(xiàn)，即現(xiàn)場調(diào)試人員手動移動機器人，將碼垛過程中的產(chǎn)品抓取點、產(chǎn)品放置點以及運動軌跡中必要的過渡點對機器人進行示教，編寫程序，反復測試機器人程序，并不斷進行修改。這樣機器人系統(tǒng)要記錄大量的示教數(shù)據(jù)，示教的過程復雜，這不僅加重了現(xiàn)場操作人員的工作量，而且機器人的編程工作量也很大，十分不利于提高機器人的調(diào)試效率。在此醫(yī)藥物流碼垛系統(tǒng)中，共有50多個品種的產(chǎn)品需要進入自動化碼垛系統(tǒng)，即50多種箱型，每一種箱型的尺寸都不相同，而且在使用過程中，還會出現(xiàn)增加新品種新箱型的情況。如果按照目前的方法，每增加一種新的產(chǎn)品箱型，都需要對機器人重新做一次調(diào)試工作，而且用戶很難獨立完成，碼垛系統(tǒng)可操作性、可維護性低。

在總結(jié)多個碼垛項目的基礎上，針對各種垛型圖樣的共性，設計了一種能夠充分描述機器人碼垛過程中所有工作參數(shù)的垛型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其相關的編程方法。在該垛型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，包含了機器人抓取和放置產(chǎn)品時的位置、垛型號、箱體尺寸和機器人搬運產(chǎn)品時所有的過渡點等信息。該碼垛系統(tǒng)能夠適應多種垛型的工藝要求，運行穩(wěn)定可靠。所設計的垛型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含了機器人搬運過程中的全部信息，更改和修改垛型時，只需在線或者離線更新垛型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可。

當增加新的碼垛品種時，用戶只需要在上位機系統(tǒng)界面輸入物料編碼、箱體尺寸信息、箱體垛型、箱型號等信息，點擊【添加】按鈕，此產(chǎn)品的垛型信息會自動同步至機器人垛型數(shù)據(jù)中。當需要修改碼垛產(chǎn)品垛型信息時，修改完畢點擊【修改】按鈕，垛型信息同樣會同步更新到機器人垛型數(shù)據(jù)。用戶操作簡單方便，增加了碼垛系統(tǒng)可維護性。上位機系統(tǒng)垛型管理界面如圖3所示。

圖3 上位機垛型管理示意圖

3 結(jié)束語

此智能碼垛系統(tǒng)已在某醫(yī)藥公司運行半年多，碼垛產(chǎn)品累計計數(shù)30萬多箱，賬目準確，無丟箱、無產(chǎn)品箱進入錯誤的碼垛線，無產(chǎn)品混品種混批次碼放等現(xiàn)象發(fā)生，機器人無壓箱、壓垛現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟及產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化的趨勢下，倉儲物流業(yè)正迎來空前的發(fā)展機遇和全新的模式變化。其中機器人技術的應用程度已經(jīng)成為決定企業(yè)間相互競爭和未來發(fā)展的重要衡量因素。根據(jù)統(tǒng)計，如果應用倉儲物流機器人，在保證同等儲存能力的條件下，可至少節(jié)約70%以上的土地和80% 以上的勞動力。隨著生產(chǎn)線的速度不斷提高和現(xiàn)代物流意識的增強 , 許多醫(yī)藥企業(yè)已經(jīng)采用自動碼垛方式，智能倉儲物流機器人將對醫(yī)藥物流運作模式和整個物流體系變革產(chǎn)生深遠影響。

可以預見，智能機器人在物流行業(yè)的應用，未來幾年將進入持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的新時期。智能機器人的日益普及和高速發(fā)展，必將引爆一場倉儲物流智能化的變革，甚至是整個物流行業(yè)、制造業(yè)、生產(chǎn)和生活方方面面的智能化大革命。

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