折疊式堆垛柱器具物流場(chǎng)景下無人叉車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

文 / 杜際鵬 向先文

一、引言

一汽物流（成都）有限公司是一家專業(yè)從事汽車物流的企業(yè)，在其物流作業(yè)中，可折疊堆垛柱器具廣泛應(yīng)用于零部件轉(zhuǎn)運(yùn)包裝中。這類器具承載的零部件往往體積大、重量大、價(jià)值高，所以通常具有作業(yè)頻次高、作業(yè)專注度高等特點(diǎn)。因作業(yè)頻次高，不僅使得人工工時(shí)多，且易造成作業(yè)疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致工作失誤甚至安全事故。經(jīng)充分研究，針對(duì)該場(chǎng)景作業(yè)特點(diǎn)，規(guī)劃了一套采用無人叉車的自動(dòng)化解決方案。

近年來，自動(dòng)化搬運(yùn)已獲得較大發(fā)展，無人叉車則是自動(dòng)化搬運(yùn)得以實(shí)現(xiàn)的重要物流裝備，在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用已相對(duì)廣泛，也涌現(xiàn)出諸多成功案例，但適用于可折疊堆垛柱點(diǎn)對(duì)點(diǎn)堆垛的應(yīng)用場(chǎng)景并不多見，主要受限于堆垛難度和運(yùn)行效率。針對(duì)折疊式堆垛柱器具作業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)無人叉車進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，使其能夠滿足作業(yè)效率和安全等方面要求，取得良好效果。

二、折疊式堆垛柱器具物流場(chǎng)景

1.折疊式堆垛柱器具及其堆垛

在某型號(hào)變速箱物流作業(yè)中，承載變速箱的專用器具為可折疊器具，器具立柱如圖1所示，器具腳杯如圖2所示。在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)規(guī)劃以6層堆垛存儲(chǔ)（由器具設(shè)計(jì)載重等因素決定）。滿載時(shí)，堆垛柱豎立并進(jìn)行堆垛，如圖3所示。器具返空作業(yè)時(shí)，將堆垛柱折疊并進(jìn)行堆垛，如圖4所示，可大幅減少器具體積，節(jié)省大量搬運(yùn)與運(yùn)輸空間。

圖1 器具立柱

圖2 器具杯腳

圖3 滿載堆垛

圖4 折疊后空載器具堆垛

此類器具的可折疊特性，對(duì)堆垛作業(yè)造成挑戰(zhàn)。這是由于堆垛柱為可活動(dòng)設(shè)計(jì)，豎立時(shí)往往不是絕對(duì)垂直，而是存在一定偏移，在堆垛時(shí)易發(fā)生不到位情況，堆垛柱偏移示例如圖5所示。此外，不同批次生產(chǎn)的器具也存在一定程度的誤差，這給無人叉車應(yīng)用帶來困難。

圖5 堆垛柱偏移示例

2.應(yīng)用無人叉車前作業(yè)流程

應(yīng)用無人叉車前的作業(yè)流程如圖6所示，包含以下5個(gè)步驟：

圖6 應(yīng)用無人叉車前作業(yè)流程圖

（1）卸貨?？ㄜ嚨截浐?，將變速箱卸貨至檢驗(yàn)區(qū)。

（2）質(zhì)檢。質(zhì)檢并掃描入庫(kù)。

（3）投貨。將檢驗(yàn)完成的變速箱按入庫(kù)單指定庫(kù)位入庫(kù)。

（4）備貨。按備貨單指令至指定巷道備貨，轉(zhuǎn)運(yùn)至備貨待發(fā)區(qū)。

（5）裝車。將備貨待發(fā)區(qū)零件裝車。

3.應(yīng)用無人叉車后作業(yè)流程及布局

應(yīng)用無人叉車進(jìn)行入庫(kù)、出庫(kù)作業(yè)，區(qū)域內(nèi)設(shè)置檢驗(yàn)區(qū)、交接區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、出庫(kù)區(qū)四個(gè)功能區(qū)域，面積約2000平方米，作業(yè)流程和區(qū)域布局如圖7所示。作業(yè)流程包含以下4個(gè)步驟：

圖7 應(yīng)用無人叉車后作業(yè)流程及布局圖

（1）人工叉車將變速箱卸貨到檢驗(yàn)區(qū)。

（2）質(zhì)檢后，人工叉車將變速箱叉運(yùn)到交接區(qū)。

（3）無人叉車將交接區(qū)變速箱叉運(yùn)到存儲(chǔ)區(qū)，到存儲(chǔ)區(qū)需要堆垛成6層。

（4）有出庫(kù)需求時(shí)，無人叉車將變速箱從存儲(chǔ)區(qū)叉運(yùn)到待發(fā)區(qū)，待發(fā)區(qū)為2層堆垛。

三、無人叉車關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

目前，無人叉車常見有磁條導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等多種導(dǎo)航方式。經(jīng)研究，本案例選擇視覺導(dǎo)航無人叉車，叉車額定載重為1.5噸，正常搬運(yùn)速度不低于1.5米/秒。為滿足物流作業(yè)需求，對(duì)叉車部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了有效應(yīng)用及設(shè)計(jì)，主要包括視覺導(dǎo)航、自適應(yīng)、極限高度堆垛、安全化、控制系統(tǒng)－可視化窗口等5個(gè)方面。

1.視覺導(dǎo)航

采用安裝在無人叉車上的相機(jī)抓取環(huán)境圖像，提取圖像自然特征信息，建立自然特征地圖，并結(jié)合地圖和少量二維碼，獲取高精度、高穩(wěn)定性的全局位置和姿態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)高效、高精度、高穩(wěn)定性的自主定位、運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)航功能?；谝曈X的導(dǎo)航模塊集成了感知、定位、控制、通訊、安全防護(hù)五大功能。

2.自適應(yīng)

基于核心傳感器及輔助傳感器（叉尖碰撞、到位檢測(cè)、壓感檢測(cè)等），實(shí)現(xiàn)對(duì)物與環(huán)境的多重感知。

（1）叉取器具感知?？筛兄⒆R(shí)別器具，為自適應(yīng)叉取提供精確的位置信息，保證在無機(jī)械限位情況下依然能夠精確叉取。

（2）器具到位檢測(cè)。在叉臂抬升過程中，自動(dòng)檢測(cè)器具位置，抵消由于地面下沉、器具變形等造成的取放貨誤差。

（3）放貨空間檢測(cè)。放貨流程前檢測(cè)庫(kù)位空間是否足夠，消除撞貨風(fēng)險(xiǎn)。

采用激光檢測(cè)傳感器檢測(cè)庫(kù)位是否有貨物，當(dāng)貨物擺放左右存在偏差時(shí)無人叉車可以調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)，對(duì)擺放出現(xiàn)偏差的器具進(jìn)行正確叉取，橫向偏移矯正可達(dá)5%，縱向偏移矯正達(dá)100毫米，實(shí)現(xiàn)小角度調(diào)整能力，調(diào)整精度±10毫米，自適應(yīng)功能示意圖，如圖8所示。

圖8 自適應(yīng)運(yùn)行示意圖

3.極限高度堆垛

堆垛高度達(dá)2.5米時(shí)，已接近所選規(guī)格無人叉車的極限堆垛高度，如圖9所示。因承重和堆垛高度影響，叉車叉臂與門架將產(chǎn)生一定量的形變，采用加固門架及叉臂的方式，在兩叉臂中間新增一根叉臂，從而整體降低形變量，如圖10所示。同時(shí)，利用自適應(yīng)功能，使門架上激光探測(cè)儀掃描四個(gè)支腿和四個(gè)柱杯位置，通過計(jì)算路徑及距離實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)堆垛。

圖9 堆高作業(yè)圖

圖10 叉臂加固

4.安全化

（1）避障設(shè)計(jì)

設(shè)置一套專門的安全控制處理單元，當(dāng)某一項(xiàng)安全功能觸發(fā)后，將主動(dòng)控制叉車減速停車。無人叉車在避障方面采用三重安全防護(hù)。

一重安全防護(hù)：采用激光安全傳感器（檢測(cè)范圍0～270度，適當(dāng)距離）組成安全防護(hù)裝置，檢測(cè)到障礙物體時(shí)剎車停止。當(dāng)檢測(cè)到障礙物進(jìn)入安全警示區(qū)域時(shí)，叉車減速并發(fā)出警示聲。當(dāng)檢測(cè)到障礙物進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)自動(dòng)停車，障礙物移走后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

二重安全防護(hù)：設(shè)置安全觸邊，即柔性可彎折帶狀物，固定于叉車前后邊。在一重防護(hù)失效時(shí)，無人叉車若撞上障礙物，在機(jī)械防撞機(jī)構(gòu)作用下，叉車立刻停止運(yùn)行。另外，在叉臂叉尖處同樣加裝壓敏開關(guān)，使之能夠全方位做到安全防護(hù)。

三重安全防護(hù)：設(shè)置緊急停止按鈕，安裝在叉車兩側(cè)門框上，如發(fā)生緊急情況可以按下按鈕使叉車立刻停車，停止燈亮起。

（2）防傾倒裝置

設(shè)計(jì)一套防傾倒裝置，在叉臂安裝4個(gè)到位檢測(cè)開關(guān)以檢測(cè)器具是否處于水平狀態(tài)，如圖11所示。當(dāng)器具正常取放時(shí)，叉臂到位檢測(cè)于水平方向在相對(duì)平面正?；貜椀皆O(shè)置位置。當(dāng)非正常取放時(shí)（一個(gè)或多個(gè)腳杯未放置到位時(shí)），則叉臂在下降過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)到位檢測(cè)與正常檢測(cè)開關(guān)不在一個(gè)水平面上的情況，叉車報(bào)警并停止動(dòng)作，等待人工處理。

圖11 防傾倒裝置位置圖

（3）人車交叉控制

因無人叉車需與人工叉車共用通道，通過設(shè)置以下規(guī)則進(jìn)行安全控制。

①采用雙通道布局，對(duì)向行駛叉車不受影響。

②同向行駛，無人叉車停止，阻塞通道，人工叉車在安全確認(rèn)后借道超車。

③人工叉車叉取貨物后退至通道時(shí)，采用指差確認(rèn)方式，確認(rèn)周邊環(huán)境，按人工叉車避讓無人叉車原則，確認(rèn)安全后通行。

④在視覺盲區(qū)加裝凸面鏡，輔助作業(yè)人員判斷周邊環(huán)境。

⑤無人叉車具備聲光功能，作業(yè)行駛時(shí)以聲光警示，提示作業(yè)人員注意安全。

此外，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行叉車避障原理、叉車運(yùn)行軌跡、急停與啟動(dòng)等必要的安全應(yīng)急培訓(xùn)。

5.控制系統(tǒng)－可視化窗口

開發(fā)中控系統(tǒng)，集成圖形監(jiān)控、任務(wù)管理、車輛調(diào)度、設(shè)備管理、交通管制、貨物管理、倉(cāng)庫(kù)管理、通訊管理等功能。

控制系統(tǒng)對(duì)接上層系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息管理自動(dòng)化與智能化。倉(cāng)庫(kù)管理人員通過調(diào)度系統(tǒng)可了解每臺(tái)叉車的位置以及運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)布指令指揮叉車運(yùn)行，僅需1人便可對(duì)多臺(tái)叉車進(jìn)行調(diào)度。

建立可視化平臺(tái)，無人叉車可視化模塊可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地圖監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、倉(cāng)儲(chǔ)管理監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)管等功能。

四、應(yīng)用效果

本項(xiàng)目自2020年下半年立項(xiàng)，經(jīng)歷一年多的場(chǎng)景應(yīng)用和技術(shù)研究、聯(lián)合開發(fā)、面向運(yùn)行環(huán)境開發(fā)優(yōu)化及調(diào)試等階段，逐步解決了各類問題，于2022年上半年正式運(yùn)行。

項(xiàng)目針對(duì)變速箱物流作業(yè)流程，規(guī)劃了一套應(yīng)用無人叉車代替人工叉車作業(yè)的物流方案，對(duì)物流流程和布局進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，同時(shí)形成了一套基于無人叉車應(yīng)用的作業(yè)管理制度。

根據(jù)作業(yè)要求，對(duì)選取的特定類型規(guī)格無人叉車的部分技術(shù)（如視覺導(dǎo)航、自適應(yīng)等）進(jìn)行了有效應(yīng)用；同時(shí)，設(shè)計(jì)了多項(xiàng)適用于折疊式堆垛柱器具物流場(chǎng)景的技術(shù)，以應(yīng)對(duì)極限高度堆垛、安全、可視化控制需求，相關(guān)技術(shù)已獲實(shí)用新型專利授權(quán)1項(xiàng)。其中，可視化系統(tǒng)界面，如圖12、圖13、圖14、圖15所示。

圖12 地圖監(jiān)控界面

圖13 任務(wù)管理界面

圖14 存儲(chǔ)管理界面

圖15 設(shè)備管理界面

基于視覺導(dǎo)航、自適應(yīng)、極限高度堆垛等技術(shù)的綜合應(yīng)用，無人叉車一次堆垛成功率可達(dá)98%以上，通過持續(xù)對(duì)器具、環(huán)境等因素的改善，堆垛成功率正在進(jìn)一步提升。基于安全、可視化控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，未出現(xiàn)碰撞、傾倒事件，故障響應(yīng)及解決及時(shí)率達(dá)100%。

通過無人叉車在變速箱物流作業(yè)投備貨環(huán)節(jié)的應(yīng)用，替代現(xiàn)有投貨備貨人工作業(yè)，降低了崗位勞動(dòng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)少人化，節(jié)省變速箱作業(yè)全流程人工作業(yè)約50%，投資經(jīng)濟(jì)性良好，該案例的成功落地產(chǎn)生了良好的示范效應(yīng)。

五、總結(jié)

隨著汽車物流行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，業(yè)內(nèi)企業(yè)都在持續(xù)減少物流非增值環(huán)節(jié)，優(yōu)化作業(yè)，同時(shí)引進(jìn)物流新技術(shù)以降低成本，提高自動(dòng)化、智能化水平，以期獲得更好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本研究結(jié)合實(shí)際，選擇某型號(hào)變速箱這類點(diǎn)對(duì)點(diǎn)堆垛場(chǎng)景，利用無人叉車替代傳統(tǒng)人工作業(yè)，使作業(yè)更高效、安全，降低了人工成本，完成了全物流鏈智能化改造的重要一環(huán)。

當(dāng)前，無人叉車的類型越來越多，應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用場(chǎng)景越來越豐富。隨著無人叉車技術(shù)不斷迭代，其產(chǎn)出效率、穩(wěn)定性將大幅度提升，作業(yè)過程亦將日趨柔性化、高精度化。復(fù)雜多變的物流場(chǎng)景對(duì)無人叉車的作業(yè)有著不同要求，需根據(jù)場(chǎng)景特點(diǎn)進(jìn)行一定程度的適應(yīng)性開發(fā)，如本案例中通過技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)折疊式堆垛柱器具的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)堆垛。

在“人－機(jī)”協(xié)同物流系統(tǒng)中，除對(duì)技術(shù)本身進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)和應(yīng)用，還需創(chuàng)新管理模式，如要專門設(shè)置自動(dòng)化裝備與人員交叉場(chǎng)景的管控規(guī)則，這樣才能創(chuàng)造一個(gè)更加協(xié)調(diào)共生的運(yùn)行系統(tǒng)，有效發(fā)揮技術(shù)效能，并取得整體效果最大化。