折疊式堆垛柱器具物流場景下無人叉車的設計與應用研究

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從事汽車物流的企業，在其物流作業中，可折疊堆垛柱器具廣泛應用于零部件轉運包裝中。這類器具承載的零部件往往體積大、重量大、價值高，所以通常具有作業頻次高、作業專注度高等特點。因作業頻次高，不僅使得人工工時多，且易造成作業疲勞，進而導致工作失誤甚至安全事故。經充分研究，針對該場景作業特點，規劃了一套采用無人叉車的自動化解決方案。

近年來，自動化搬運已獲得較大發展，無人叉車則是自動化搬運得以實現的重要物流裝備，在行業內的應用已相對廣泛，也涌現出諸多成功案例，但適用于可折疊堆垛柱點對點堆垛的應用場景并不多見，主要受限于堆垛難度和運行效率。針對折疊式堆垛柱器具作業的特點，對無人叉車進行了專門設計，使其能夠滿足作業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景

1.折疊式堆垛柱器具及其堆垛

在某型號變速箱物流作業中，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。在存儲區內規劃以6層堆垛存儲（由器具設計載重等因素決定）。滿載時，堆垛柱豎立并進行堆垛，如圖3所示。器具返空作業時，將堆垛柱折疊并進行堆垛，如圖4所示，可大幅減少器具體積，節省大量搬運與運輸空間。

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，對堆垛作業造成挑戰。這是由于堆垛柱為可活動設計，豎立時往往不是絕對垂直，而是存在一定偏移，在堆垛時易發生不到位情況，堆垛柱偏移示例如圖5所示。此外，不同批次生產的器具也存在一定程度的誤差，這給無人叉車應用帶來困難。

圖5 堆垛柱偏移示例

2.應用無人叉車前作業流程

應用無人叉車前的作業流程如圖6所示，包含以下5個步驟：

圖6 應用無人叉車前作業流程圖

（1）卸貨?？ㄜ嚨截浐螅瑢⒆兯傧湫敦浿翙z驗區。

（2）質檢。質檢并掃描入庫。

（3）投貨。將檢驗完成的變速箱按入庫單指定庫位入庫。

（4）備貨。按備貨單指令至指定巷道備貨，轉運至備貨待發區。

（5）裝車。將備貨待發區零件裝車。

3.應用無人叉車后作業流程及布局

應用無人叉車進行入庫、出庫作業，區域內設置檢驗區、交接區、存儲區、出庫區四個功能區域，面積約2000平方米，作業流程和區域布局如圖7所示。作業流程包含以下4個步驟：

圖7 應用無人叉車后作業流程及布局圖

（1）人工叉車將變速箱卸貨到檢驗區。

（2）質檢后，人工叉車將變速箱叉運到交接區。

（3）無人叉車將交接區變速箱叉運到存儲區，到存儲區需要堆垛成6層。

（4）有出庫需求時，無人叉車將變速箱從存儲區叉運到待發區，待發區為2層堆垛。

三、無人叉車關鍵技術應用與設計

目前，無人叉車常見有磁條導航、二維碼導航、激光導航、視覺導航等多種導航方式。經研究，本案例選擇視覺導航無人叉車，叉車額定載重為1.5噸，正常搬運速度不低于1.5米/秒。為滿足物流作業需求，對叉車部分關鍵技術進行了有效應用及設計，主要包括視覺導航、自適應、極限高度堆垛、安全化、控制系統－可視化窗口等5個方面。

1.視覺導航

采用安裝在無人叉車上的相機抓取環境圖像，提取圖像自然特征信息，建立自然特征地圖，并結合地圖和少量二維碼，獲取高精度、高穩定性的全局位置和姿態信息，從而實現高效、高精度、高穩定性的自主定位、運動控制和導航功能?；谝曈X的導航模塊集成了感知、定位、控制、通訊、安全防護五大功能。

2.自適應

基于核心傳感器及輔助傳感器（叉尖碰撞、到位檢測、壓感檢測等），實現對物與環境的多重感知。

（1）叉取器具感知。可感知并識別器具，為自適應叉取提供精確的位置信息，保證在無機械限位情況下依然能夠精確叉取。

（2）器具到位檢測。在叉臂抬升過程中，自動檢測器具位置，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。放貨流程前檢測庫位空間是否足夠，消除撞貨風險。

采用激光檢測傳感器檢測庫位是否有貨物，當貨物擺放左右存在偏差時無人叉車可以調整運行姿態，對擺放出現偏差的器具進行正確叉取，橫向偏移矯正可達5%，縱向偏移矯正達100毫米，實現小角度調整能力，調整精度±10毫米，自適應功能示意圖，如圖8所示。

圖8 自適應運行示意圖

3.極限高度堆垛

堆垛高度達2.5米時，已接近所選規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，利用自適應功能，使門架上激光探測儀掃描四個支腿和四個柱杯位置，通過計算路徑及距離實現點對點堆垛。

圖9 堆高作業圖

圖10 叉臂加固

4.安全化

（1）避障設計

設置一套專門的安全控制處理單元，當某一項安全功能觸發后，將主動控制叉車減速停車。無人叉車在避障方面采用三重安全防護。

一重安全防護：采用激光安全傳感器（檢測范圍0～270度，適當距離）組成安全防護裝置，檢測到障礙物體時剎車停止。當檢測到障礙物進入安全警示區域時，叉車減速并發出警示聲。當檢測到障礙物進入危險區域時自動停車，障礙物移走后自動恢復運行。

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

三重安全防護：設置緊急停止按鈕，安裝在叉車兩側門框上，如發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

設計一套防傾倒裝置，在叉臂安裝4個到位檢測開關以檢測器具是否處于水平狀態，如圖11所示。當器具正常取放時，叉臂到位檢測于水平方向在相對平面正?；貜椀皆O置位置。當非正常取放時（一個或多個腳杯未放置到位時），則叉臂在下降過程中會出現一個或多個到位檢測與正常檢測開關不在一個水平面上的情況，叉車報警并停止動作，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，通過設置以下規則進行安全控制。

①采用雙通道布局，對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后借道超車。

③人工叉車叉取貨物后退至通道時，采用指差確認方式，確認周邊環境，按人工叉車避讓無人叉車原則，確認安全后通行。

④在視覺盲區加裝凸面鏡，輔助作業人員判斷周邊環境。

⑤無人叉車具備聲光功能，作業行駛時以聲光警示，提示作業人員注意安全。

此外，對作業人員進行叉車避障原理、叉車運行軌跡、急停與啟動等必要的安全應急培訓。

5.控制系統－可視化窗口

開發中控系統，集成圖形監控、任務管理、車輛調度、設備管理、交通管制、貨物管理、倉庫管理、通訊管理等功能。

控制系統對接上層系統，實現信息管理自動化與智能化。倉庫管理人員通過調度系統可了解每臺叉車的位置以及運行狀態，發布指令指揮叉車運行，僅需1人便可對多臺叉車進行調度。

建立可視化平臺，無人叉車可視化模塊可實現實時地圖監控、設備狀態監控、倉儲管理監控、任務監管等功能。

四、應用效果

本項目自2020年下半年立項，經歷一年多的場景應用和技術研究、聯合開發、面向運行環境開發優化及調試等階段，逐步解決了各類問題，于2022年上半年正式運行。

項目針對變速箱物流作業流程，規劃了一套應用無人叉車代替人工叉車作業的物流方案，對物流流程和布局進行了重新設計，同時形成了一套基于無人叉車應用的作業管理制度。

根據作業要求，對選取的特定類型規格無人叉車的部分技術（如視覺導航、自適應等）進行了有效應用；同時，設計了多項適用于折疊式堆垛柱器具物流場景的技術，以應對極限高度堆垛、安全、可視化控制需求，相關技術已獲實用新型專利授權1項。其中，可視化系統界面，如圖12、圖13、圖14、圖15所示。

圖12 地圖監控界面

圖13 任務管理界面

圖14 存儲管理界面

圖15 設備管理界面

基于視覺導航、自適應、極限高度堆垛等技術的綜合應用，無人叉車一次堆垛成功率可達98%以上，通過持續對器具、環境等因素的改善，堆垛成功率正在進一步提升。基于安全、可視化控制技術的綜合應用，未出現碰撞、傾倒事件，故障響應及解決及時率達100%。

通過無人叉車在變速箱物流作業投備貨環節的應用，替代現有投貨備貨人工作業，降低了崗位勞動負荷，實現了作業少人化，節省變速箱作業全流程人工作業約50%，投資經濟性良好，該案例的成功落地產生了良好的示范效應。

五、總結

隨著汽車物流行業競爭日益激烈，業內企業都在持續減少物流非增值環節，優化作業，同時引進物流新技術以降低成本，提高自動化、智能化水平，以期獲得更好的競爭優勢。本研究結合實際，選擇某型號變速箱這類點對點堆垛場景，利用無人叉車替代傳統人工作業，使作業更高效、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。

當前，無人叉車的類型越來越多，應用越來越廣泛，應用場景越來越豐富。隨著無人叉車技術不斷迭代，其產出效率、穩定性將大幅度提升，作業過程亦將日趨柔性化、高精度化。復雜多變的物流場景對無人叉車的作業有著不同要求，需根據場景特點進行一定程度的適應性開發，如本案例中通過技術設計實現對折疊式堆垛柱器具的點對點堆垛。

在“人－機”協同物流系統中，除對技術本身進行創新研發和應用，還需創新管理模式，如要專門設置自動化裝備與人員交叉場景的管控規則，這樣才能創造一個更加協調共生的運行系統，有效發揮技術效能，并取得整體效果最大化。