我國物流機器人技術突破與發展方向
——訪西安電子科技大學機電工程學院胡核算教授、武漢理工大學物流工程學院李文鋒教授

文/ 本刊記者 張穎川

胡核算西安電子科技大學機電工程學院教授

西安電子科技大學教授、博士生導師。近年來，從離散事件動態系統的視角，系統地研究了事件驅動系統的精簡化、分布式、穩健型監督控制理論和方法，取得了系列性的研究成果和關鍵技術，廣泛應用于智能制造、自動駕駛、智慧物流、智慧交通、網絡安全等領域。

李文鋒武漢理工大學物流工程學院教授

武漢理工大學二級教授，博士生導師，物流與機器人技術實驗室、物聯網與物流研究中心創始人。教育部高等學校物流管理與工程類教學指導委員會委員，中國人工智能學會智能制造專業委員會常務委員。主要研究方向為智慧物流技術及裝備、物流自動化與物聯網技術、物流系統仿真與優化等。

在多方因素驅動下，我國物流機器人行業一路高歌，市場規模迅速擴大，技術發展突飛猛進，無論是產品研發還是市場應用都取得巨大突破。面對智慧物流這一必然發展趨勢，數字化、智能化、柔性化是重要目標，環境感知、多機協同、技術平臺等將成物流機器人技術創新的重要方向。

近年來，在電子商務、新零售等新興商業模式創新發展需求的拉動下，在智能制造、智慧物流等發展理念的引領下，在人工智能、物聯網、大數據等新技術的驅動下，我國物流機器人行業一路高歌，不僅市場規模迅速擴大，技術發展也是突飛猛進，無論硬件如機器人本體、驅動裝置、傳動系統等，還是軟件如控制系統、導航技術、視覺感知、調度系統等，都取得長足進步。

當然，我國物流機器人技術發展還存在一定的瓶頸與挑戰，核心及關鍵技術的原創性研究仍比較薄弱，高可靠性基礎功能部件、系統工藝應用解決方案以及主機批量生產等方面有待全面提升，核心零部件長期依賴進口局面還亟待突破，物流機器人的智能化與自適應能力還有待進一步提升。

為了進一步探究我國物流機器人技術發展情況，本期專題我們采訪了西安電子科技大學機電工程學院胡核算教授、武漢理工大學物流工程學院李文鋒教授兩位行業專家，請他們從學術研究角度對我國物流機器人的技術發展現狀、目前取得的突破性進展、面臨的瓶頸與挑戰、未來的發展方向等做了深入分享。

近年來，在多方因素驅動下，我國物流機器人取得了非常迅猛的發展，行業年均增長超過20%。與此同時，在技術創新方面也取得明顯突破，圖為2020 CeMAT ASIA展會上出現的諸多物流機器人新品

記者:首先，請二位對我國物流機器人發展的整體概況進行分析，具體呈現出怎樣的特點？

李文鋒:我國物流機器人主要應用在倉儲、運輸以及制造等行業領域，以輔助/替代人工作業，提升作業環境中自動化水平和作業效率，降低差錯率和貨損率。比如在倉儲場景中的“貨到人”揀選，在機器人的推動下迅速成為一種主流的方案，可以大大提升倉儲環節的揀選效率，提升倉儲空間利用率。這種方式，不僅誕生了以Kiva為代表的潛伏式移動機器人，也推進了無人叉車的發展。如今，擁有上百臺移動AGV的倉儲場景已經不再少見，網絡化、柔性化、智能化的物流機器人正在登堂亮相，人機協同的智慧物流場景正在走向前臺。

近年來，隨著物流學科與產業的發展，特別是在電商的帶動下，物流機器人取得了非常迅猛的發展，年均增長超20%。2020年史無前例的疫情重創了全球經濟，卻加速了機器人技術的研發和產業的發展。在抗擊新冠疫情過程中，物流機器人展現了強大的戰斗力、執行力和創造力，極大地提升了物流機器人的市場前景與預期，成為機器人的一個重要分支。2020年我國物流機器人企業吸引的主要投融資事件占機器人領域的22%，顯示了物流機器人研發與應用的巨大活力。

胡核算:目前，我國物流業正努力從勞動密集型向技術密集型轉變，由傳統的機械化、電氣化向數字化、智能化升級，伴隨而來的是各種先進技術和裝備的應用和普及。當下，具備搬運、碼垛、分揀等功能的智能機器人，已成為物流行業當中的一大熱點。

最近五年來，物流機器人的年均增長量超過20%，隨著京東、亞馬遜、阿里巴巴、申通、順豐等電商巨頭和快遞龍頭企業對分揀機器人、AGV、無人倉等大幅度加碼，智慧物流對于物流行業來說已是大勢所趨。2020年中國智能物流市場規模突破5000億元，而物流機器人作為推動智慧物流發展必不可少的重要技術裝備，正借助智慧物流發展的東風，呈現勃勃生機。

記者:物流機器人在發展與應用過程中主要涉及到哪些關鍵技術？

胡核算:物流機器人涉及的技術較多，下面主要介紹幾種關鍵技術，包括導航定位技術、運動控制技術、自動駕駛技術以及多機器人集群控制技術。

導航定位技術：綜合采用激光雷達、慣性測量單元、里程計等多種傳感器，感知環境中障礙物位置與自身運動狀態信息，結合基于多傳感融合的目標追蹤或位置估計算法對機器人進行定位，并規劃到達目標點的最優路徑。采用的導航方式主要有磁導航、激光導航、RFID (Radio Frequency Identification，射頻識別技術) 導航、慣性導航、視覺導航、GPS (Global Positioning System，全球定位系統)導航等。

運動控制技術：通過兩輪差速驅動或操舵輪控制轉向方式，并結合路徑規劃控制算法以及避障算法，使得機器人能夠按照一定的方法進行有效的障礙物躲避，準確到達目的地，提升機器人運動控制精度。

西安電子科技大學協同控制科學實驗室研究中使用的無人車、無人機

武漢理工大學物流工程學院物流與機器人技術實驗室智慧物流成果—人機協同AGV

自動駕駛技術：利用車載攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器等多傳感器感知環境信息，通過SLAM(Simultaneous Localization And Mapping，同步定位與導航) 技術繪制道路3D地形圖，并結合深度學習算法，幫助機器人實現自主運動與決策。

多機器人集群控制技術：采用多機器人集群行動控制策略，使用排它鎖或者時間窗等機制來保證多個機器人在同一時間內不會發生出現在相同位置，從而避免碰撞；選擇重疊度最低的路徑來盡可能降低多個機器人出現在同一道路上的概率；通過強制性的閉環路徑地圖設計，結合預測式死鎖避免策略，來降低甚至完全避免發生死鎖的概率。

李文鋒:物流機器人技術是機器人技術針對物流業典型需求（如裝卸搬運、抓取、揀選、包裝、配送等）的特定研發和創新。長期以來，由于物流作業場景的復雜性，物流環節一直是勞動密集型作業，對機器人的柔性化、智能化和協作能力有更高的要求。因此智能感知、精準驅動、智能控制、能源供給與柔性作業是物流機器人研發的關鍵技術。

環境感知與系統協作控制是本人的一個主要研究方向，下面我對此著重做一下介紹。目前來看，如何針對特定物流場景合理開發和選擇傳感器，敏捷高效獲取環境感知數據，并對數據進行分析處理，通過智能算法驅動和控制機器人及時響應場景需求，實時精準地完成物流作業，成為物流機器人技術發展的重要目標。如今，網絡化和智能化已經成為機器人市場的主旋律，高效人機協同已經成為領域前沿熱點，物聯網支持下的環境感知與系統協作技術，是實現物流機器人網絡化、智能化的關鍵技術途徑。另一方面，廣泛分布的智能物流機器人成為重要的物聯網節點，扮演著環境監測與控制的重要角色。而這些分布式的智能物流機器人系統，需要強大的數字化及仿真系統的支持，以便科學地分析、設計、推演其過程和功能，監控與預測其行為，最終實現物流系統的智能化運營與服務。

記者:近年來，我國物流機器人在技術發展和創新方面實現了哪些突破？市場應用情況如何？

李文鋒:我國物流機器人市場火熱，技術的研發也十分火爆，每年與物流技術裝備相關的專業展覽會上不斷有新的物流機器人產品推出，涌現出了一批物流機器人技術與科技公司，如極智嘉、海康機器人、快倉、未來機器人、海柔創新等等。一些公司如京東、菜鳥、順豐等也投入資金研制了無人配送機器人、物流無人機等新型物流機器人產品，開發了多種物流無人作業場景。

圖1 2019-2025年中國人工智能+物流市場規模情況

近年來科技部也連續發布科技專項，支持物流機器人的研發和應用，比如港口重載AGV的研發、電商倉儲物流機器人等。

另外，國內高校也積極地開展相應的基礎研究工作，一些高校先后設立了物流機器人研發/研究中心，開展物流機器人技術的前沿研究，從學術和產業應用等多個視角關注物流機器人的技術發展。如武漢理工大學物流工程學院于2004年成立的“物流與機器人技術實驗室”，便是針對物流領域的機器人發展設立起來的，后來又先后成立了“物聯網與物流工程中心”及“物聯網技術國際聯合實驗室”，目前主要分為“智慧物流”與“智能機器人技術及系統”兩個研究領域，有“物流系統建模、仿真與智能調度優化”、“多式聯運系統及其自動接駁轉運技術”、“群智能與人機物協同”、“智慧物流中的物聯網、大數據和人工智能應用”、“智能感知與協同控制”、“機器人及機電系統設計”、“人機行為分析與智能輔助技術”、“智慧物流裝備及系統”等8個研究方向。我本人在“環境感知與系統協作控制”、“物聯網與物流信息化技術”以及“物流系統仿真與優化”等方向上招收博士生和碩士生。這些都和物流機器人技術的研發密切相關。

總體來看，我國物流機器人的技術優勢主要體現在典型物流機器人裝備的研發和技術集成方面。比如針對定位、導航這種移動機器人基礎技術，在激光傳感器、視覺傳感器國產化及SLAM技術方面已經取得了顯著的進展，正由單一的傳感定位導航技術發展到多傳感器融合的智能定位導航技術，由單AGV/IGV的路徑規劃/調度技術發展到多/群AGV/IGV的智能協同路徑規劃/調度技術，實用化和穩定性得到了極大提升；針對物流機器人對能源的特殊需求，新型的清潔能源和高續航電池的研發也取得了長足進步，無人貨車、無人物流運輸機進入了實測與應用階段；再比如在港口物流裝備方面，我國的物流機器人裝備已經處于領跑或并跑階段，基于磁釘定位+GPS定位導航的AGV技術已經得到了工程驗證和運用，目前正開展基于激光+視覺+北斗+5G的IGV裝備的運營實踐，AGV/IGV裝備應用數量已經達到了近百輛，成為智慧港口的重要技術裝備。

胡核算:近年來物流企業紛紛與國內主流科技企業紛紛開展相關技術合作，努力攻克技術難題。如京東物流與中國電信一起探索了5G技術應用現場。5G的可靠性傳輸使得智能機器人設備能夠更好地用于物流儲存，實現物流自動分揀、貨物自動傳輸和自動倉庫存取。同時，5G技術也使許多智能終端設備發揮了積極作用，如使用無人機、無人車和分揀設備等提高了存儲安全性和高效性；順豐目前已經研發出第六代智能終端、機械臂，幫助快遞員在完成工作的同時提高工作效率。利用人工智能技術將多維度的內部、外部數據結合在一起，建立機器學習模型，幫助做出智慧決策；阿里研發落地末端智能物流機器人“小蠻驢”，將自動駕駛技術與物流攬收場景、即時配送場景進行結合，實現智能、高效、安全、環保的貨物流轉與投遞。

另外，人工智能技術和機器人技術的深度融合方面，許多企業也開展了相應的研究和部署。如曠視所研發的智能倉儲機器人釆用其自有的人工智能算法，實現自主學習、自主適應功能，可大幅降低工程部署難度，實現訂單的高效精準揀選和快速響應，用于倉庫物料搬運等。目前的研究表明，人工智能技術確實很有潛力幫助機器人突破傳統技術中的瓶頸，確保許多核心關鍵技術的可行性、實時性。

國內一些高校的研究團隊也實現了集群物流機器人在非結構化、動態位置環境中的自主導航和編隊運行，通過暫停等待、速度規劃等策略實現了機器人之間的自治式協調和管制，可以極大地提升運行效率并改善用戶體驗。如本人所領導的西安電子科技大學協同控制科學實驗室，主要在五個方面關注物流機器人系統的研究與發展問題，并取得一定的技術成果，具體包括：（1）物流機器人系統的分布式模型預測控制技術；（2）物流機器人系統的分布式碰撞與死鎖避免技術；（3）物流機器人系統的穩健型運動控制技術；（4）物流機器人系統的連續與離散混合控制技術；（5）物流機器人系統的信息安全分析與防護技術等。

綜合分析，我國物流機器人的技術創新和應用主要集中在以下幾個方面：從導航技術來看，越來越多的物流機器人采用激光導航，以適應復雜的開放性動態環境；從系統軟件看，機器人系統與上位調度系統融合，移動機器人工具化的趨勢日漸明顯，同時便于客戶使用和維修；再者就是人工智能、物聯網、大數據等新技術的應用，使得物流機器人在智能方面得到極大的提高；從應用場景看，末端無人配送技術成為大家關注的焦點。

記者:與工業發達國家相比，我國物流機器人技術發展的短板何在？還將面臨哪些挑戰？

胡核算:綜合來看，我國物流機器人技術發展的短板主要體現在以下幾個方面：

首先，核心關鍵技術受制于人成為產業升級的瓶頸。基礎材料、基礎零部件（元器件）、基礎工藝和基礎技術構成了整個工業的基礎能力，這些基礎環節的缺失造成我國物流機器人核心部件如精密減速機、控制器、伺服電機以及高性能驅動器等大部分還是采用進口產品，國產物流機器人的性能、質量與發達國家的物流機器人產品相比還存在較大差距。以占機器人硬件成本比例最高的減速器為例，有75%精密減速器從日本進口；另外，在伺服電機方面，日系公司約占全球市場份額的40%，西門子、博世、施耐德等德系品牌占據全球市場份額的30%左右，國內公司整體份額大約占10%左右；在驅動器方面，國內80%的驅動器從歐美和日本進口。軟件部分主要是控制算法、二次開發等，自主品牌已經解決了有無的問題，但在穩定性、響應速度、易用性等方面和國外還有差距。

其次，無序化競爭嚴重。盡管我國物流機器人發展已取得了巨大進步，但市場競爭無序，企業間互相排斥，互相打壓，陷入低價競爭的怪圈，制約了行業的健康和可持續發展。一些AGV企業為了搶占市場份額、擴大影響力大打價格戰，甚至將產品價格壓縮到原有價格的一半甚至更低，連基本的成本都無法保障，更不要說后續的服務了，長此以往，傷害的是整個行業的未來。

再者，人才匱乏也是制約我國物流機器人技術發展的一個重要因素。隨著技術進步和產業轉型升級的加快，傳統的產業工人的職業技能越來越多地融入了新的知識結構、技術技能、工藝方法，集約型增長方式下要求有大量技術工人來操作先進設備。但與發達國家相比，當前我國高技能人才總量短缺，高端領軍人才匱乏，培養投入總體不足等突出問題依然存在。

物流機器人技術發展滯后的根源，仍然是我國許多落后產業領域存在的共性問題，即重視應用領域，輕視基礎研究，重視短期效益，忽視長期效益，從而難以形成核心技術和核心產業。

李文鋒:除了在機器人核心基礎零部件和關鍵核心軟件系統方面面臨的制約和挑戰，面對物流復雜的作業場景，如何創新大數據與人工智能技術，開發高效、穩健的智能物流機器人系統，如何更好地實現智能、友好、和諧的人機交互與協同，滿足物流業多樣化的服務場景需求，以及面對物流場景中大量的輕、薄、軟、脆、危、重物品的抓取和搬運需求，如何開發高柔性、高可靠性的執行裝置等，都是智能物流機器人必須面對的技術挑戰。

此外，隨著智慧物流機器人技術的提升，智能物流機器人產品的深度應用，物流機器人技術的運營、管理、維護需求也變得日益迫切，對企業的管理制度、崗位設置等都帶來了新的變化。再加上物流作業的復雜性和物流服務特性，物流機器人運用的社會學問題和倫理問題也必將更為突出。這些都會給我國物流機器人的發展帶來新的挑戰。

記者:我國物流機器人技術發展未來機遇體現在哪里？主要發展方向是什么？

李文鋒:伴隨著我國物流智慧化發展趨勢，以及我國老齡化社會趨勢的加劇和人力成本提升等因素，我國物流機器人技術發展步入了前所未有的機遇期，特別是5G、物聯網、大數據和人工智能技術的進步，為物流機器人技術及裝備的創新及快速落地應用提供了強有力的技術支撐。近年來快速發展壯大的物流機器人技術、產品和市場已經說明了這一切。

面對我國旺盛的物流機器人市場以及正在快速成長的物流機器人技術及產品研發、制造與運用的上下游企業和科研機構，我們必須清醒認識到，我們在物流機器人技術領域的積累還不深厚，自主核心知識產權還比較缺乏，對物流機器人核心基礎零部件和核心關鍵軟件的掌握與研發能力還不強，人才還比較欠缺。我們必須上下一心，在政府、行業部門的引領和支持下，積極構建充滿活力的生態供應鏈，針對我國獨特完整的物流供應鏈生態體系和人文及自然環境特征，倡導自主創新和生態協同，在核心關鍵零部件等軟硬件領域、人機協作機器人、可穿戴機器人等領域多下功夫，以便形成我國物流機器人產品的競爭優勢和可持續發展環境。

胡核算:智能物流是物流行業技術發展的必然方向，未來物流機器人將更加智能化和柔性化，環境感知能力將會進一步增強，機器人系統、運動控制系統、調度系統將與人工智能深度融合，賦予機器人“看”和“認知”的功能，讓機器人自行完成對外部世界的探測，實現對自身及周邊環境狀態的感知，適應復雜的開放性動態環境，進而做出決策判斷并采取行動，實現復雜層面的指揮決策和自主行動，可以識別、躲避行人和障礙物，辨別紅綠燈，還能自動駕駛、路線規劃、主動換道、車位識別、自主泊車等，極大地增強機器人智能化、柔性化和精準控制能力，實現上千甚至上萬臺機器人協同及調度，大大提高整體的倉儲物流運作效率，幫助企業進一步實現數字化、智能化的敏捷供應鏈。從無人倉庫到“最后一公里”配送，貫穿于物流作業的始末，助力物流行業加速進化，形成全新的物流生態系統。

單物流機器人技術已經日趨成熟，多機器人乃至機器人群組運動控制和規劃技術將是未來研究和發展的重要方向。另外，多機器人具有高度的互聯性和開放性，在帶來高度便利性和靈活性的同時，也會帶來安全性的問題。因此，如何解決開放互聯的機器人系統中的安全性問題，也是一個值得關注的焦點問題。

對于我國物流機器人技術的未來，我認為應該從完善政策扶持體系、提升自主創新能力、完善人才隊伍建設、加強行業規范管理、開展產學研合作、拓寬投融資渠道等多個層面共同入手，切實推動物流機器人技術的創新發展。