編者按：本文是2020年6月尹軍琪董事長應(yīng)《起重運輸機械》雜志邀請，為《回眸物流工程40年》一書而撰寫的專題文章，《起重運輸機械》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)四個方向（前、后、左、右）穿梭運行的存儲機器人，主要是區(qū)別于傳統(tǒng)的兩向穿梭車（前進和后退）而言的。與AGV相比較，穿梭車機器人需要在軌道上運行，這是它的劣勢，也是其優(yōu)勢。即在固定軌道上運行時，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。

        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，可以實現(xiàn)高密集存儲等，但缺點是增加了貨架的成本，因而在實際應(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換層，事實上它可以在3維空間中靈活運行，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)特點和應(yīng)用范圍做詳細(xì)論述。

        2 技術(shù)要點

        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作業(yè)時間內(nèi)是不變的。

        小車如果要變化層時，大多數(shù)是通過巷道外的提升機來完成的。小車自動駛?cè)胩嵘龣C后，提升機提升到所需要的樓層，就完成了換層。在實際應(yīng)用中，提升機有兩種作業(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，提升機僅僅提升貨物單元，帶車作業(yè)時，每次作業(yè)，小車與貨物同時進入提升機，這時其實不需要換層提升機。顯然，不帶車提升時，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是每臺車都可以抵達(dá)倉庫每一個貨位，因此，從理論上講，如果沒有出入庫能力要求的話，一個倉庫布置1臺小車即可以完成整個倉庫的出入庫作業(yè)。這對于出入庫頻率較低的系統(tǒng)，具有很大優(yōu)勢。

        作為一個系統(tǒng)來說，四向穿梭車需要與貨架（軌道）、提升機、輸送系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、充電系統(tǒng)組成一個完整的系統(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

        無論是托盤式或料箱式，其技術(shù)都有一些共性的特點。這些特點如貨架、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，這是四向穿梭車的特點，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，因為在固定軌道上運行，穿梭車不需要導(dǎo)航系統(tǒng)。

        通訊：如何在密集的貨架中實現(xiàn)通訊，其實是需要經(jīng)驗和技巧的。選用什么樣的天線和通訊技術(shù)，對項目的穩(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，一個作業(yè)區(qū)域往往會有多臺車同時作業(yè)，如何提升系統(tǒng)的總體效率，需要對小車進行作業(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，理論上人員可以進入貨架內(nèi)部進行操作。而料箱式穿梭車則不然，因此，一方面，要盡量避免進入貨架中，另一方面，則在設(shè)計中要考慮進入貨架內(nèi)部的可能，這是其重要差別。

        2.3 非共性技術(shù)特點

        托盤式四向穿梭車

        移載：對于托盤式穿梭車來說，運輸?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。這一做法可以很容易實現(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：提升機負(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，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，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，其售價有時高達(dá)10萬元以上。

        提升機：有兩種典型的結(jié)構(gòu)，帶車提升機和不帶車提升機。帶車提升機主要用于穿梭車的換層，有時，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。不帶車提升機會有較大的提升能力，有時還可以采用雙工位的提升機，每小時的提升能力達(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，因為采用夾抱裝置，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。對提升機來說，提升速度一般也會達(dá)到4~6m/s，以匹配整個系統(tǒng)的效率。（以上數(shù)據(jù)參考北京伍強科技的紅蟹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，這是其主要特點。

        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，并可實現(xiàn)自動化作業(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比。作為存儲來說，AS/RS更受人歡迎，自動化比較低的場合，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，多層穿梭車的價格優(yōu)勢將比較明顯。

        集貨與排隊：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。它與托盤的不同之處在于，料箱可以直接對接伸縮皮帶機，從而更加直接的完成裝車工作。對于具有多個發(fā)貨目的地的情形，穿梭車還可以扮演排隊的角色，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。四向穿梭車從目前的應(yīng)用看，還有進一步柔性化的空間。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有意義的研究課題。即將AGV，提升機，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，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，就對系統(tǒng)的效率會產(chǎn)生很大的影響。此外，小車的運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，對于系統(tǒng)的正常運行也有大的影響。所有這些工作都是未來需要不斷提升的。

        更高性價比：四向穿梭車的穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常高效運行的關(guān)鍵。從目前的應(yīng)用看，還有待進一步提升。與AGV（kiva）和多層穿梭車相比，料箱式四向穿梭車因為結(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)。從伍強科技的經(jīng)驗看，因為要給每一項新產(chǎn)品搭建試驗臺，新產(chǎn)品的試驗不僅耗時耗力，而且也影響產(chǎn)能。

        參考文獻

        [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[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