編者按：本文是2020年6月尹軍琪董事長應(yīng)《起重運(yùn)輸機(jī)械》雜志邀請，為《回眸物流工程40年》一書而撰寫的專題文章，《起重運(yùn)輸機(jī)械》2020年11期全文刊登。本次轉(zhuǎn)載，略作修改。

        1 概述

        狹義的定義：四向穿梭車是指能在平面內(nèi)四個(gè)方向（前、后、左、右）穿梭運(yùn)行的存儲機(jī)器人，主要是區(qū)別于傳統(tǒng)的兩向穿梭車（前進(jìn)和后退）而言的。與AGV相比較，穿梭車機(jī)器人需要在軌道上運(yùn)行，這是它的劣勢，也是其優(yōu)勢。即在固定軌道上運(yùn)行時(shí)，小車的速度將更快，定位將更加準(zhǔn)確，控制又相對簡單，這都是AGV系統(tǒng)做不到的。

        四向穿梭車根據(jù)其處理的單元型式不同，主要分為料箱式穿梭車和托盤式穿梭車兩種型式。這兩種型式各自具有不同的特點(diǎn)。

        托盤式四向穿梭車：主要用于托盤的存取作業(yè)，它與AS/RS相比較，其優(yōu)勢是存儲更加靈活，柔性更高，可以適應(yīng)任何復(fù)雜的倉庫結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)入出庫的需求增加或減少小車的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)高密集存儲等，但缺點(diǎn)是增加了貨架的成本，因而在實(shí)際應(yīng)用中形成優(yōu)勢互現(xiàn)的現(xiàn)象。即在大多數(shù)情形下，AS/RS表現(xiàn)出更大的成本優(yōu)勢，但在有些極端的情況下，四向穿梭車更為合適。如倉庫不高，倉庫形狀不規(guī)則，出入庫頻率不大這樣的情形，或出入庫頻率要求太高的情形，四向穿梭車更能發(fā)揮其優(yōu)勢。

        料箱式四向穿梭車：這是一種用于料箱存取的機(jī)器人。其對應(yīng)的技術(shù)包括Miniload與多層穿梭車等。Miniload是一種專用于料箱存取的AS/RS系統(tǒng)，與托盤式AS/RS相比較，Miniload更加輕巧、快捷，但高度一般不會很高，載荷一般在50kg以內(nèi)；多層穿梭車是一種運(yùn)行于貨架內(nèi)的往復(fù)式存取設(shè)備，與Miniload相比，它更加快捷靈活，因此，在需要更高存取速度的情形下，多層穿梭車具有Miniload不可比擬的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于貨到人揀選系統(tǒng)之中。料箱式四向穿梭車則是一種更加柔性的產(chǎn)品，與托盤式四向車類似的是，它具有廣泛的適應(yīng)性，既可以適用于各種倉庫型式，也可以靈活的通過增減小車數(shù)量以匹配實(shí)際的需求。尤其在貨到人揀選系統(tǒng)中，由于小車可以通過提升機(jī)換層，事實(shí)上它可以在3維空間中靈活運(yùn)行，因此，國外更形象的稱其為3D Satellite Shuttle car，這是Miniload和多層穿梭車所不能比擬的。

        四向穿梭車技術(shù)是物流倉儲系統(tǒng)中的革命性技術(shù)，尤其是箱式四向穿梭車，其主要用途是為“貨到（機(jī)器）人”揀選提供快速的存取服務(wù)，雖然其應(yīng)用歷史還不長，但已經(jīng)引起了行業(yè)的廣泛重視，被認(rèn)為是未來智能物流系統(tǒng)的重要組成部分[1][2][3][4]。本文將對四向穿梭車的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍做詳細(xì)論述。

        2 技術(shù)要點(diǎn)

        2.1 工作原理

        四向穿梭車一般具有兩套輪系，其一套負(fù)責(zé)X方向行走，另一套負(fù)責(zé)Y方向行走。小車在軌道上運(yùn)行，遇到轉(zhuǎn)彎處，是通過更換輪系來完成的。因此，貨物單元的方向在整個(gè)作業(yè)時(shí)間內(nèi)是不變的。

        小車如果要變化層時(shí)，大多數(shù)是通過巷道外的提升機(jī)來完成的。小車自動(dòng)駛?cè)胩嵘龣C(jī)后，提升機(jī)提升到所需要的樓層，就完成了換層。在實(shí)際應(yīng)用中，提升機(jī)有兩種作業(yè)模式：其一是帶車作業(yè)，其二是不帶車作業(yè)。不帶車作業(yè)時(shí)，提升機(jī)僅僅提升貨物單元，帶車作業(yè)時(shí)，每次作業(yè)，小車與貨物同時(shí)進(jìn)入提升機(jī)，這時(shí)其實(shí)不需要換層提升機(jī)。顯然，不帶車提升時(shí)，每層需要有貨物移載工作站，這是一筆不小的成本，而帶車作業(yè)時(shí)系統(tǒng)會簡單很多，每層的端部也簡單很多，但效率也會低很多，這是要注意的。

        四向穿梭車的最大特點(diǎn)是每臺車都可以抵達(dá)倉庫每一個(gè)貨位，因此，從理論上講，如果沒有出入庫能力要求的話，一個(gè)倉庫布置1臺小車即可以完成整個(gè)倉庫的出入庫作業(yè)。這對于出入庫頻率較低的系統(tǒng)，具有很大優(yōu)勢。

        作為一個(gè)系統(tǒng)來說，四向穿梭車需要與貨架（軌道）、提升機(jī)、輸送系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、充電系統(tǒng)組成一個(gè)完整的系統(tǒng)才能工作，當(dāng)然，有關(guān)管理、監(jiān)控、調(diào)度和控制的軟件系統(tǒng)也是必不可少的。

        2.2 共性技術(shù)特點(diǎn)

        無論是托盤式或料箱式，其技術(shù)都有一些共性的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)如貨架、軌道、定位、通訊、供電、維修等。

        貨架與軌道：穿梭車系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的立體存儲系統(tǒng)來說，貨架是其最大的變化。小車經(jīng)過的所有路徑均需要鋪設(shè)軌道，轉(zhuǎn)折路口還要有特制的轉(zhuǎn)接板，以及每輛小車均需要有充電點(diǎn)，這是四向穿梭車的特點(diǎn)，也是使得成本增加的主要原因。相對來說，穿梭車系統(tǒng)對于貨架的加工精度及安裝精度都比傳統(tǒng)貨架要高，這樣又會增加加工和安裝的成本，目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)穿梭車貨架的企業(yè)不是很多。尤其對于料箱式穿梭車貨架，要求更加嚴(yán)格。

        定位：穿梭車的定位一般采用條形碼和端點(diǎn)開關(guān)定位。定位精度要求達(dá)到3mm以內(nèi)。比AGV簡單的是，因?yàn)樵诠潭ㄜ壍郎线\(yùn)行，穿梭車不需要導(dǎo)航系統(tǒng)。

        通訊：如何在密集的貨架中實(shí)現(xiàn)通訊，其實(shí)是需要經(jīng)驗(yàn)和技巧的。選用什么樣的天線和通訊技術(shù)，對項(xiàng)目的穩(wěn)定性非常重要。

        供電：一般采用電容+鋰電池方式，電容要保證一次充電能夠完成一次最遠(yuǎn)的作業(yè)，這對于車的配置來說，會有比較大的差異。路徑越長，需要的電容器越大。電池只能作為輔助供電，避免小車在中途停電或電壓過低而無法工作。

        控制：歐洲的穿梭小車控制均采用PLC居多，但這樣成本會較高。在日本，采用專用的集成電路板進(jìn)行控制，可以大大降低產(chǎn)品的成本。國內(nèi)的設(shè)備也有兩種選擇。

        調(diào)度系統(tǒng)：對四向穿梭車來說，一個(gè)作業(yè)區(qū)域往往會有多臺車同時(shí)作業(yè)，如何提升系統(tǒng)的總體效率，需要對小車進(jìn)行作業(yè)調(diào)度。調(diào)度的內(nèi)容包括：車況識別，選用什么車，路線規(guī)劃等。車越多，調(diào)度越重要。難度也越大。

        維修：相對來說，由于托盤式穿梭車尺寸較大，巷道較寬，層高也較高，因此，理論上人員可以進(jìn)入貨架內(nèi)部進(jìn)行操作。而料箱式穿梭車則不然，因此，一方面，要盡量避免進(jìn)入貨架中，另一方面，則在設(shè)計(jì)中要考慮進(jìn)入貨架內(nèi)部的可能，這是其重要差別。

        2.3 非共性技術(shù)特點(diǎn)

        托盤式四向穿梭車

        移載：對于托盤式穿梭車來說，運(yùn)輸?shù)呢浳飭卧峭斜P，重量一般會達(dá)到500~1000kg，因此，小車的移載裝置既不能采用貨叉，也不能采用鏈條等方式，而是直接通過駛?cè)胴浖?，將托盤放置在貨架軌道上，這是托盤穿梭車的特點(diǎn)。這一做法可以很容易實(shí)現(xiàn)密集存儲，但帶來的問題是作業(yè)效率會下降，而且貨架的成本會增加。

        提升機(jī)：提升機(jī)負(fù)責(zé)貨物托盤的入出庫作業(yè)。是四向穿梭車系統(tǒng)的關(guān)鍵輔助設(shè)備。托盤式的提升機(jī)，既可以提升托盤，也可以提升穿梭車，并且兩者可以共用。  

        速度和加速度：空載穿梭車速度可以達(dá)到4m/s以上，有載一般為3m/s，加速度一般為0.5m/s2。但不同的要求，也可以有所變化。

        料箱式四向穿梭車

        移載：相對來說，料箱式穿梭車就要靈活得多。這主要是單元變小變輕以后，可以有多種方式進(jìn)行移載。最簡單的方式是采用貨叉。為了提升存儲密度，可以采用雙深度的貨叉，有時(shí)，為了適應(yīng)不同寬度的紙箱，貨叉還可以改變寬度。貨叉其實(shí)是穿梭車最重要的部件。歐洲的專業(yè)公司開發(fā)的貨叉，其售價(jià)有時(shí)高達(dá)10萬元以上。

        提升機(jī)：有兩種典型的結(jié)構(gòu)，帶車提升機(jī)和不帶車提升機(jī)。帶車提升機(jī)主要用于穿梭車的換層，有時(shí)，為了簡化系統(tǒng)，也可以采用每次都帶車作業(yè)，但作業(yè)效率會大打折扣。不帶車提升機(jī)會有較大的提升能力，有時(shí)還可以采用雙工位的提升機(jī)，每小時(shí)的提升能力達(dá)到250~500次。

        速度和加速度：為了提高作業(yè)效率，小車的速度會高達(dá)5m/s，因?yàn)椴捎脢A抱裝置，小車的加速度則可達(dá)到2m/s2，這樣大大提升了小車的作業(yè)效率。對提升機(jī)來說，提升速度一般也會達(dá)到4~6m/s，以匹配整個(gè)系統(tǒng)的效率。（以上數(shù)據(jù)參考北京伍強(qiáng)科技的紅蟹I號四向穿梭車）

        3 應(yīng)用領(lǐng)域探索

        3.1 托盤式

        托盤式四向穿梭車的應(yīng)用，主要是在密集存儲方面，尤其是冷鏈物流系統(tǒng)。在冷鏈系統(tǒng)，尤其是-18°C及以下的冷鏈系統(tǒng)，采用四向穿梭車進(jìn)行儲存，可以大幅度提升空間利用率，并可以大大改善作業(yè)區(qū)的環(huán)境，使作業(yè)人員工作更加舒適。

        密集存儲的技術(shù)有很多種，對AS/RS系統(tǒng)來說，采用雙深貨位是一種非常有效且實(shí)用的做法，對于穿梭板和子母車來說，密集存儲的效率也很高，其與四向穿梭車的類似，但四向穿梭車更加靈活、柔性，適應(yīng)性強(qiáng)，這是其主要特點(diǎn)。

        在其它應(yīng)用領(lǐng)域，四向穿梭車還有很多，如采用四向穿梭車系統(tǒng)作為發(fā)貨暫存就是一種很好的應(yīng)用，可以大大節(jié)約空間，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。此外，采用四向穿梭車代替輸送系統(tǒng)完成長距離輸送應(yīng)是一種選擇，但這方面的應(yīng)用目前并不多。

        總體來說，托盤式的四向穿梭車應(yīng)用還受限制，其主要原因在于性價(jià)比。作為存儲來說，AS/RS更受人歡迎，自動(dòng)化比較低的場合，則采用穿梭板更為節(jié)省。但四向穿梭車畢竟是一種高柔性的技術(shù)，其應(yīng)用在未來會有較大的發(fā)展空間。

        3.2 料箱式

        相對于托盤式四向穿梭車應(yīng)用受限，料箱式的四向穿梭車的應(yīng)用則非常廣泛。一方面固然與其靈活性和柔性有關(guān)，更為重要的是電商的發(fā)展，推動(dòng)了拆零揀選的快速發(fā)展。而四向穿梭車的高效率，是其備受歡迎的重要原因之一。其主要應(yīng)用概述如下：

        “貨到人”存儲系統(tǒng)：四向穿梭車的最早應(yīng)用即是其在貨到人揀選系統(tǒng)的應(yīng)用，相對于多層穿梭車而言，四向穿梭車不僅效率高，而且具有很高的柔性，這樣使得它的應(yīng)用場合更加廣闊。但隨著對出入庫能力要求的不斷提升，當(dāng)小車的能力成為瓶頸時(shí)，多層穿梭車的價(jià)格優(yōu)勢將比較明顯。

        集貨與排隊(duì)：與托盤四向車一樣，料箱式四向穿梭在發(fā)貨過程中也常常用于集貨與排隊(duì)。它與托盤的不同之處在于，料箱可以直接對接伸縮皮帶機(jī)，從而更加直接的完成裝車工作。對于具有多個(gè)發(fā)貨目的地的情形，穿梭車還可以扮演排隊(duì)的角色，解決以前關(guān)于裝車順序問題。

        其它：料箱式的四向穿梭車，應(yīng)用十分廣闊。目前了解到的應(yīng)用包括各類大規(guī)模存儲系統(tǒng)（尤其是庫容量大，出入庫頻率不高的情形），如圖書館、檔案館等。此外，在物流的其它環(huán)節(jié)，如生產(chǎn)的線邊庫，分揀系統(tǒng)等，均有應(yīng)用的前景。

        4 發(fā)展趨勢

        四向穿梭車無疑是一項(xiàng)具有里程碑意義的技術(shù)。其應(yīng)用還處于初級階段，未來的發(fā)展還有很大的空間。從技術(shù)上來講，主要有以下幾方面：

        更加柔性化：柔性是物流技術(shù)發(fā)展的基本方向之一，AGV的應(yīng)用即充分說明了這一點(diǎn)。四向穿梭車從目前的應(yīng)用看，還有進(jìn)一步柔性化的空間。如可自行升降的四向穿梭車和可在地面行走的四向穿梭車即是兩個(gè)有意義的研究課題。即將AGV，提升機(jī)，穿梭車融為一體的技術(shù)。這些技術(shù)已經(jīng)有一些研究成果。

        更加智能化：四向穿梭車在用于拆零揀選時(shí)，小車的調(diào)度對效率的影響非常大。越大的系統(tǒng)，智能化的效果越能體現(xiàn)。比如各種路線優(yōu)化與排隊(duì)，就對系統(tǒng)的效率會產(chǎn)生很大的影響。此外，小車的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于系統(tǒng)的正常運(yùn)行也有大的影響。所有這些工作都是未來需要不斷提升的。

        更高性價(jià)比：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)用看，還有待進(jìn)一步提升。與AGV（kiva）和多層穿梭車相比，料箱式四向穿梭車因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本要高出不少，如何不斷優(yōu)化，降低成本，提升性價(jià)比，對于市場的接受是有幫助的。

        標(biāo)準(zhǔn)化與系列化：目前主要以標(biāo)準(zhǔn)尺寸的穿梭車為主，未來會有一些變化。

        盤式四向穿梭車：主要適應(yīng)于1200*1000標(biāo)準(zhǔn)托盤，承載能力為1000kg，未來的系列化會從托盤尺寸和承載能力兩方面考慮。如載荷會有500/750/1000/1250幾個(gè)等級，以滿足市場不同的需求。尺寸方面，系列組合的會更多一些。

        料箱式四向穿梭車：主要適應(yīng)于600*400標(biāo)準(zhǔn)箱，承載能力為50kg，未來的系統(tǒng)主要從尺寸、貨叉型式方面尋求系列化，以適應(yīng)市場需求。

        標(biāo)準(zhǔn)化和系列化是產(chǎn)品發(fā)展的必由之路，但由于每一臺穿梭車在出廠前均要經(jīng)過嚴(yán)格的測試，而每個(gè)型號的新車都要經(jīng)過嚴(yán)格的定型測試，這些工作會給系列化帶來挑戰(zhàn)。從伍強(qiáng)科技的經(jīng)驗(yàn)看，因?yàn)橐o每一項(xiàng)新產(chǎn)品搭建試驗(yàn)臺，新產(chǎn)品的試驗(yàn)不僅耗時(shí)耗力，而且也影響產(chǎn)能。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 尹軍琪，配送中心拆零揀選技術(shù)與方案選擇[J]，物流技術(shù)與應(yīng)用，2012.6

        [2] 尹軍琪，物流倉儲設(shè)備和系統(tǒng)的柔性化設(shè)計(jì)[J]，物流技術(shù)與應(yīng)用，2014.10

        [3] 尹軍琪，“貨到人”揀選技術(shù)及其應(yīng)用[J]，物流技術(shù)與應(yīng)用，2015.10

        [4] 尹軍琪，漢諾威CEMAT2016觀展記[J]，物流技術(shù)與應(yīng)用，2016