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机器人在物流领域的应用
[2019-09-06]

机器人在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面发挥着越来越显著的作用。2007年比尔·盖茨在《环球科学》中亲笔撰写了《机器人将彻底改变人类的生活方式》一文,再次向世界预言:机器人将与30年前的个人电脑一样迈入家家户户,彻底改变人类的生活方式。工业领域的焊接、喷涂、搬运、装配等场合,已经开始大量使用机器人。另外,在军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚至服务娱乐行业,也都开始使用机器人。未来物流业的发展同样离不开机器人技术的支持,机器人技术在物流作业过程中发挥着越来越重要的作用,是引领现代物流业发展趋势的重要因素。
  国内外机器人发展现状
  1.国外机器人发展现状
  自1962年美国制造了第一台工业机器人以来,机器人就显示出了极强的生命力。按照机器人产生和发展过程,机器人专家把机器人分为三代:分别是示教再现型机器人、感觉机器人和智能机器人。第一、二代机器人在各产业领域已经得到广泛应用,而第三代机器人还处在研究开发阶段,仍有很多技术问题有待解决,尤其在非结构性环境下机器人的自主作业能力还十分有限,然而,智能机器人的研究在各个国家都得到普遍重视,有不少国家把智能机器人的研究当作未来技术发展的战略要点加以重视。按照应用环境,机器人可分为工业机器人和特种机器人。由于物流作业中用到的机器人主要是工业机器人,因此本文的讨论以工业机器人为主。
  目前,在工业发达国家,工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流业等诸多领域。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段,工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。在国外,工业机器人技术日趋成熟,并相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司,如瑞典的ABB,日本的FANUC、YASKAWA、MO-TOMAN,德国的KUKA等,这些公司已经成为其所在国家的支柱企业。据国际机器人联合会(IFR)统计,上世纪60年代以来,全球共销售工业机器人214.2万多台,若按每台工业机器人的服务年限为12-15年计算,则2010年底全世界现役工业机器人保有量约为103.5-130万台。美国是机器人技术的发源地,日本率先从美国引进机器人技术,虽然起步比美国晚五六年,但日本政府十分重视机器人技术的发展,对工业机器人产业和应用实施了积极的扶植政策,目前日本在机器人的生产、出口和使用方面都位居世界榜首,荣获了“机器人王国”的美誉。截止2010年底,日本每万名工人拥有306台工业机器人,工业机器人密度达到了世界平均水平的6倍,其次是韩国的287台和德国的253台,而中国的工业机器人密度也由2006年的37台/万工人增长到105台/万工人。
  2.国内机器人发展现状
  我国的工业机器人研究始于20世纪70年代,由于当时经济体制等因素的制约,发展比较缓慢,研究和应用水平也比较低。1985年我国将工业机器人列入了“七·五”科技攻关计划,形成了中国工业机器人研究的第一次高潮。在国家的支持下,我国已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,先后研发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人,形成了一批具有竞争力的工业机器人研究机构和企业,如北京机械工业自动化研究所、新松机器人公司等。2008年我国工业机器人年销售收入达44.43亿多元,是2003年销售收入的4.96倍,年均增长37.75%。近年来,机器人作为高新技术产业,不管是在生产加工系统,还是在物流系统中都得到了长足的发展。据IFR预计,2014年我国工业机器人年安装量将超越世界上任何国家。但从总体来讲,我国机器人产业目前还很薄弱,相对于国外的先发、领先优势,我国的机器人技术研发远远落后于美、日两国,我国在智能机器人方面的研究还刚刚起步,具有中国知识产权的工业机器人较少,机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱,在机器人的应用方面仍较落后。目前我国的机器人技术仅相当于发达国家20 世纪 80 年代的水平,且主要集中在广东、江苏、上海、北京等地,其工业机器人拥有量占全国的一半以上,外商独资企业和中外合资企业是其主要用户,而从生产销售来看,我国机器人市场约88%的份额被国外机器人企业所占据。
  机器人技术在物流业中的应用现状
  在物流产业高速发展的今天,机器人技术的应用程度已经成为决定企业间相互竞争和未来发展的重要衡量因素。目前,机器人技术在物流中的应用主要集中在包装码垛、装卸搬运两个作业环节,随着新型机器人技术的不断涌现,其他物流领域也出现了机器人的应用案例。
  1.机器人技术在包装码垛作业中的应用
  企业为了提高自动化程度和保证产品质量,通常需要高速物流线贯穿整个生产和包装过程。机器人技术在包装领域中应用广泛,特别是在食品、烟草和医药等行业的大多数生产线已实现了高度自动化,其包装和生产终端的码垛作业基本都实现了机器人化作业。机器人作业精度高、柔性好、效率高,克服了传统的机械式包装占地面积大、程序更改复杂、耗电量大的缺点;同时避免了采用人工包装造成的劳动量大、工时多、无法保证包装质量等问题。国外研发的机器人已经具备足够的智能来察觉生产线上的不易处理的各种产品,并且能够基于很多的参数来做出相应的抓放动作,工业发达国家的食品、医药行业的包装作业中机器人技术已得到广泛应用。然而,在我国的绝大多数企业中,这种带有高度重复性和智能性的抓放工作只能依靠大量的人工去完成,不仅给工厂增加了巨大的人工成本和管理成本,还难以保证包装的合格率,而且人工的介入很容易给食品、医药带来污染,影响产品的质量。
  以码垛作业为例,目前欧洲、美国和日本的包装码垛机器人在码垛市场的占有率超过了90%,绝大多数包装码垛作业由机器人完成。码垛机器人能适应于纸箱、袋装、罐装、箱体、瓶装等各种形状的包装成品码垛作业。包装码垛机器人在我国物流行业中也已得到广泛应用,较典型的案例有蒙牛乳业、可口可乐、珠江啤酒等。他们借助机器人技术实现包装码垛作业的自动化,节约了成本,提高了物流效率和企业利润。但与发达国家相比,国内包装码垛机器人在研发、生产及应用方面都有很大差距。
  码垛机器人主要有:直角坐标式机器人、关节式机器人和极坐标式机器人。主要从事如下几种堆码跺作业:
  (1)码垛作业:码垛作业是由码垛机器人将封箱机封装好的成品完成在托盘上的码垛作业。 一台封装箱机对应一台码垛机器人,装封箱机出来的成品可直接进行码垛,无需进行品牌识别,但机器人利用率低; 采用一台机器人码垛两种品牌的成品,同时对两种品牌的成品进行码垛作业,需要通过条码识别器辨认品牌后,机器人再把不同品牌的成品自动码垛到相应托盘上; 此外在品种多流量小的情况下,一台机器人还可完成多种品牌的码垛作业,关键是在机器人作业范围内布置多个托盘用来码垛。
  (2)成品拆码作业:成品拆码作业是将机器人码垛好的成品托盘,在发货时由机器人来拆码。 拆码的技术难度要大于码垛,主要原因是原码垛好的托盘由于成品箱变形以及在输送过程中的振动,使成品托盘变形,造成每一个拆码成品托盘都会偏离理想位置,这就要求机器人的适应范围要大。另外,由于拆码托盘是成品箱紧靠成品箱,机器人的手爪无法插入两箱之间,使夹持成品箱成为问题。解决的办法是采用真空吸盘吸拿成品箱,因此对于成品箱的质量(如表面光滑程度、气密性、箱子的强度等)要求就提高了。
  (3)拣选作业:拣选作业是由移动式机器人来进行品种拣选,如果品种多,形状各异,机器人需要带有图象识别系统和多功能机械手,机器人每到一种物品托盘就可根据图象识别系统“看到”的物品形状,采用与之相应的机械手抓取,然后放到搭配托盘上。
  2.机器人技术在装卸搬运中的应用
  装卸搬运是物流系统中最基本的功能要素之一,存在于货物运输、储存、包装、流通加工和配送等过程中,贯穿于物流作业的始末。当前,机器人技术越来越多的被应用于物流的装卸搬运作业,从而直接提高了物流系统的效率和效益。搬运机器人可安装不同的末端执行器来完成各种不同形状和状态的工件搬运工作,大大减轻了人类繁重的体力劳动,目前已被广泛应用到工厂内部工序间的搬运、制造系统和物流系统连续的运转以及国际化大型港口的集装箱自动搬运。搬运机器人的出现,不仅可以充分利用工作环境的空间,而且提高了物料的搬运能力,大大节约了装卸搬运过程中的作业时间,提高了装卸效率。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度,超过限度的搬运必须由搬运机器人来完成。目前搬运机器人的最大负载可以达到500公斤。搬运机器人与其他机器人设备相比,在价格方面便宜很多,而且技术较为成熟,被越来越多的物流企业所接受。在国外如英国泰晤士港、日本川崎港以及荷兰鹿特丹港均规划建设了自动化运转的集装箱码头,在使用自动搬运机器人后,堆场的工作效率大幅提高。随着经济实力的增强,国内对搬运机器人的需求也在日益扩大。
  无人搬运车(Automated Guided Vehicle,简称AGV),指装备有电磁或光学等自动导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种移载功能的智能型、自动化的运输车,无人搬运车用蓄电池为其动力来源,通过电脑来控制其行进路线以及行为,或利用电磁轨道来设立其行进路线。作为一种无人驾驶工业搬运车辆,AGV在上个世纪50年代即得到了一般应用。随着现代信息技术的发展,近年来无人搬运车才获得巨大发展与应用,开始进入智能时代。现代的AGV都是由计算机控制的,多数的AGVS配有系统集中控制与管理计算机,用于对AGV的作业过程进行优化,发出搬运指令,跟踪传送中的构件以及控制AGV的路线。
  无人搬运车的引导方:式主要有电磁感应引导、激光引导和磁铁陀螺引导等方式,其中以激光引导方式发展较快,但电磁感应引导和磁铁陀螺引导方式占有较大比例。
  激光引导的工作原理利用安装在AGV上的激光扫描器识别设置在其活动范围内的若干个定位标志来确定其坐标位置,从而引导AGV运行,这种工作方式属于导航式引导。激光扫描器一般安装在AGV的较高位置,使各定位标志与激光扫描器较好地呼应,并通过系统的串行口与AGV的控制板联接。由于AGV的激光引导装置可以采用标准的器件、控制板和软件,所以与其它引导方式比较,具有容易安装、容易编程和性能价格比高等优点,在导航式引导方式中,激光引导的定位精度比较高。其缺点是比电磁感应式引导的成本高一些,且在有些使用环境中易受干扰。
  随着传感技术和信息技术的发展,AGV也在向智能化方向发展,因此也称AGV为智能搬运车。近年来,随着物联网技术的应用,在全自动化智能物流中心,无人搬运车作为物联网的一个重要组成部分,成为一个具有智慧的物流终端,与物流系统的物联网联网作业,智能运作,实现智慧物流。相信随着物联网技术发展和智能化技术的应用,一定会使AGV面临一个更广阔的发展。
  3.机器人在物流其他方面的应用
  目前,世界各国都在致力于机器人的研发,新型机器人不断涌现,并在冷链物流、医药物流及仓储作业中开始应用。德国 KUKA公司专门为冷冻食品行业的物流开发了一款能在零下 30摄氏度环境下工作的机器人,开创了机器人技术在冷链物流中应用的先河。另外,在医药物流方面,由德国 ROWA公司研发的“机械手式自动化药房”是典型代表,这种自动化药房是由一个机械手进行药盒搬运,实现药品的进库与出库,并且能实现药盒的密集存储和数量管理。我国的自动化药房的研究还处在初级阶段,但为了适应中国医院的自动化药房的要求,实现药品的快速配送和高效率的管理,自动化药房的研究还要一直进行下去。一家名为Kiva system的公司仿照电脑内存随机存取的原理,开发出一种能加快处理网上订单的机器人应用系统,商品仓库被安排成像内存芯片一样,由纵横交错的独立式货架组成网格,这些网格使得机器人可在任意时间接触到仓库中的任何物品,一个客户下完订单后,机器人在一分钟之内就可将订单上的货物交给工人进行包装,如果一个订单内包含多种物品,机器人能尽可能快地为工人整理好以便工人进行包装,一旦货物包装完成,机器人能拿起这些箱子,将它们临时存放起来或交付给适当的送货车。虽然在冷链物流、医药物流及仓储作业中出现了机器人的应用案例,但目前由于该方面机器人技术尚未成熟,因此暂未形成规模。相信随着机器人技术的进步,新型的物流用机器人不断出现,未来机器人可以更好地替代人类,出现在物流的各个作业环节,为物流的快速发展做出贡献。
  机器人技术在物流业中的应用前景
  机器人作为最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,必将对未来的生产和社会发展起着越来越重要的作用,机器人将逐渐成为自动化生产线的主要形式。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。机器人技术可以有效地提高物流效率和质量,而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本都具有十分重要的意义。近年来,机器人技术在物流业中的应用优势慢慢体现了出来,一些国内外企业由于在物流作业中应用机器人技术,不仅使企业的经营规模增大,更重要的是抢先一步,走在了现代物流行列的前列,引领了物流业未来发展的趋势。目前,越来越多的企业把引进机器人技术作为公司长远发展的重要一步,比如沃尔玛、丰田、蒙牛等。机器人技术不仅在包装和装卸搬运中得到广泛应用,随着机器人技术的不断进步和各种智能机器人的不断涌现,运输配送、流通加工、仓储和信息处理等物流作业环节中机器人也必将得到广泛应用。可以预见,随着机器人技术的不断进步和物流市场竞争的不断加剧,机器人技术在物流业中的应用范围和规模必将逐步扩大,机器人将更好、更高效地服务于物流业,从而促进 现代物流业的快速发展。

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