編者按：本文是2020年6月尹軍琪董事長(cháng)應《起重運輸機械》雜志邀請，為《回眸物流工程40年》一書(shū)而撰寫(xiě)的專(zhuān)題文章，《起重運輸機械》2020年11期全文刊登。本次轉載，略作修改。

        1 概述

        狹義的定義：四向穿梭車(chē)是指能在平面內四個(gè)方向（前、后、左、右）穿梭運行的存儲機器人，主要是區別于傳統的兩向穿梭車(chē)（前進(jìn)和后退）而言的。與AGV相比較，穿梭車(chē)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(shí)，小車(chē)的速度將更快，定位將更加準確，控制又相對簡(jiǎn)單，這都是AGV系統做不到的。

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

        托盤(pán)式四向穿梭車(chē)：主要用于托盤(pán)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，可以適應任何復雜的倉庫結構，可以根據入出庫的需求增加或減少小車(chē)的數量，可以實(shí)現高密集存儲等，但缺點(diǎn)是增加了貨架的成本，因而在實(shí)際應用中形成優(yōu)勢互現的現象。即在大多數情形下，AS/RS表現出更大的成本優(yōu)勢，但在有些極端的情況下，四向穿梭車(chē)更為合適。如倉庫不高，倉庫形狀不規則，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(chē)更能發(fā)揮其優(yōu)勢。

        料箱式四向穿梭車(chē)：這是一種用于料箱存取的機器人。其對應的技術(shù)包括Miniload與多層穿梭車(chē)等。Miniload是一種專(zhuān)用于料箱存取的AS/RS系統，與托盤(pán)式AS/RS相比較，Miniload更加輕巧、快捷，但高度一般不會(huì )很高，載荷一般在50kg以?xún)?；多層穿梭?chē)是一種運行于貨架內的往復式存取設備，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(chē)具有Miniload不可比擬的優(yōu)勢，被廣泛應用于貨到人揀選系統之中。料箱式四向穿梭車(chē)則是一種更加柔性的產(chǎn)品，與托盤(pán)式四向車(chē)類(lèi)似的是，它具有廣泛的適應性，既可以適用于各種倉庫型式，也可以靈活的通過(guò)增減小車(chē)數量以匹配實(shí)際的需求。尤其在貨到人揀選系統中，由于小車(chē)可以通過(guò)提升機換層，事實(shí)上它可以在3維空間中靈活運行，因此，國外更形象的稱(chēng)其為3D Satellite Shuttle car，這是Miniload和多層穿梭車(chē)所不能比擬的。

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

        2 技術(shù)要點(diǎn)

        2.1 工作原理

        四向穿梭車(chē)一般具有兩套輪系，其一套負責X方向行走，另一套負責Y方向行走。小車(chē)在軌道上運行，遇到轉彎處，是通過(guò)更換輪系來(lái)完成的。因此，貨物單元的方向在整個(gè)作業(yè)時(shí)間內是不變的。

        小車(chē)如果要變化層時(shí)，大多數是通過(guò)巷道外的提升機來(lái)完成的。小車(chē)自動(dòng)駛入提升機后，提升機提升到所需要的樓層，就完成了換層。在實(shí)際應用中，提升機有兩種作業(yè)模式：其一是帶車(chē)作業(yè)，其二是不帶車(chē)作業(yè)。不帶車(chē)作業(yè)時(shí)，提升機僅僅提升貨物單元，帶車(chē)作業(yè)時(shí)，每次作業(yè)，小車(chē)與貨物同時(shí)進(jìn)入提升機，這時(shí)其實(shí)不需要換層提升機。顯然，不帶車(chē)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(chē)作業(yè)時(shí)系統會(huì )簡(jiǎn)單很多，每層的端部也簡(jiǎn)單很多，但效率也會(huì )低很多，這是要注意的。

        四向穿梭車(chē)的最大特點(diǎn)是每臺車(chē)都可以抵達倉庫每一個(gè)貨位，因此，從理論上講，如果沒(méi)有出入庫能力要求的話(huà)，一個(gè)倉庫布置1臺小車(chē)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，具有很大優(yōu)勢。

        作為一個(gè)系統來(lái)說(shuō)，四向穿梭車(chē)需要與貨架（軌道）、提升機、輸送系統、通訊系統、充電系統組成一個(gè)完整的系統才能工作，當然，有關(guān)管理、監控、調度和控制的軟件系統也是必不可少的。

        2.2 共性技術(shù)特點(diǎn)

        無(wú)論是托盤(pán)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(chē)系統相對于傳統的立體存儲系統來(lái)說(shuō)，貨架是其最大的變化。小車(chē)經(jīng)過(guò)的所有路徑均需要鋪設軌道，轉折路口還要有特制的轉接板，以及每輛小車(chē)均需要有充電點(diǎn)，這是四向穿梭車(chē)的特點(diǎn)，也是使得成本增加的主要原因。相對來(lái)說(shuō)，穿梭車(chē)系統對于貨架的加工精度及安裝精度都比傳統貨架要高，這樣又會(huì )增加加工和安裝的成本，目前國內能夠生產(chǎn)穿梭車(chē)貨架的企業(yè)不是很多。尤其對于料箱式穿梭車(chē)貨架，要求更加嚴格。

        定位：穿梭車(chē)的定位一般采用條形碼和端點(diǎn)開(kāi)關(guān)定位。定位精度要求達到3mm以?xún)?。比AGV簡(jiǎn)單的是，因為在固定軌道上運行，穿梭車(chē)不需要導航系統。

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

        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的作業(yè)，這對于車(chē)的配置來(lái)說(shuō)，會(huì )有比較大的差異。路徑越長(cháng)，需要的電容器越大。電池只能作為輔助供電，避免小車(chē)在中途停電或電壓過(guò)低而無(wú)法工作。

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

        調度系統：對四向穿梭車(chē)來(lái)說(shuō)，一個(gè)作業(yè)區域往往會(huì )有多臺車(chē)同時(shí)作業(yè)，如何提升系統的總體效率，需要對小車(chē)進(jìn)行作業(yè)調度。調度的內容包括：車(chē)況識別，選用什么車(chē)，路線(xiàn)規劃等。車(chē)越多，調度越重要。難度也越大。

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

        2.3 非共性技術(shù)特點(diǎn)

        托盤(pán)式四向穿梭車(chē)

        移載：對于托盤(pán)式穿梭車(chē)來(lái)說(shuō)，運輸的貨物單元是托盤(pán)，重量一般會(huì )達到500~1000kg，因此，小車(chē)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(guò)駛入貨架，將托盤(pán)放置在貨架軌道上，這是托盤(pán)穿梭車(chē)的特點(diǎn)。這一做法可以很容易實(shí)現密集存儲，但帶來(lái)的問(wèn)題是作業(yè)效率會(huì )下降，而且貨架的成本會(huì )增加。

        提升機：提升機負責貨物托盤(pán)的入出庫作業(yè)。是四向穿梭車(chē)系統的關(guān)鍵輔助設備。托盤(pán)式的提升機，既可以提升托盤(pán)，也可以提升穿梭車(chē)，并且兩者可以共用。  

        速度和加速度：空載穿梭車(chē)速度可以達到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(chē)

        移載：相對來(lái)說(shuō)，料箱式穿梭車(chē)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(jiǎn)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(chē)最重要的部件。歐洲的專(zhuān)業(yè)公司開(kāi)發(fā)的貨叉，其售價(jià)有時(shí)高達10萬(wàn)元以上。

        提升機：有兩種典型的結構，帶車(chē)提升機和不帶車(chē)提升機。帶車(chē)提升機主要用于穿梭車(chē)的換層，有時(shí)，為了簡(jiǎn)化系統，也可以采用每次都帶車(chē)作業(yè)，但作業(yè)效率會(huì )大打折扣。不帶車(chē)提升機會(huì )有較大的提升能力，有時(shí)還可以采用雙工位的提升機，每小時(shí)的提升能力達到250~500次。

        速度和加速度：為了提高作業(yè)效率，小車(chē)的速度會(huì )高達5m/s，因為采用夾抱裝置，小車(chē)的加速度則可達到2m/s2，這樣大大提升了小車(chē)的作業(yè)效率。對提升機來(lái)說(shuō)，提升速度一般也會(huì )達到4~6m/s，以匹配整個(gè)系統的效率。（以上數據參考北京伍強科技的紅蟹I號四向穿梭車(chē)）

        3 應用領(lǐng)域探索

        3.1 托盤(pán)式

        托盤(pán)式四向穿梭車(chē)的應用，主要是在密集存儲方面，尤其是冷鏈物流系統。在冷鏈系統，尤其是-18°C及以下的冷鏈系統，采用四向穿梭車(chē)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系統來(lái)說(shuō)，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(chē)來(lái)說(shuō)，密集存儲的效率也很高，其與四向穿梭車(chē)的類(lèi)似，但四向穿梭車(chē)更加靈活、柔性，適應性強，這是其主要特點(diǎn)。

        在其它應用領(lǐng)域，四向穿梭車(chē)還有很多，如采用四向穿梭車(chē)系統作為發(fā)貨暫存就是一種很好的應用，可以大大節約空間，并可實(shí)現自動(dòng)化作業(yè)。此外，采用四向穿梭車(chē)代替輸送系統完成長(cháng)距離輸送應是一種選擇，但這方面的應用目前并不多。

        總體來(lái)說(shuō)，托盤(pán)式的四向穿梭車(chē)應用還受限制，其主要原因在于性?xún)r(jià)比。作為存儲來(lái)說(shuō)，AS/RS更受人歡迎，自動(dòng)化比較低的場(chǎng)合，則采用穿梭板更為節省。但四向穿梭車(chē)畢竟是一種高柔性的技術(shù)，其應用在未來(lái)會(huì )有較大的發(fā)展空間。

        3.2 料箱式

        相對于托盤(pán)式四向穿梭車(chē)應用受限，料箱式的四向穿梭車(chē)的應用則非常廣泛。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(chē)的高效率，是其備受歡迎的重要原因之一。其主要應用概述如下：

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

        集貨與排隊：與托盤(pán)四向車(chē)一樣，料箱式四向穿梭在發(fā)貨過(guò)程中也常常用于集貨與排隊。它與托盤(pán)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(chē)工作。對于具有多個(gè)發(fā)貨目的地的情形，穿梭車(chē)還可以扮演排隊的角色，解決以前關(guān)于裝車(chē)順序問(wèn)題。

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

        4 發(fā)展趨勢

        四向穿梭車(chē)無(wú)疑是一項具有里程碑意義的技術(shù)。其應用還處于初級階段，未來(lái)的發(fā)展還有很大的空間。從技術(shù)上來(lái)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的應用即充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。四向穿梭車(chē)從目前的應用看，還有進(jìn)一步柔性化的空間。如可自行升降的四向穿梭車(chē)和可在地面行走的四向穿梭車(chē)即是兩個(gè)有意義的研究課題。即將AGV，提升機，穿梭車(chē)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(chē)在用于拆零揀選時(shí)，小車(chē)的調度對效率的影響非常大。越大的系統，智能化的效果越能體現。比如各種路線(xiàn)優(yōu)化與排隊，就對系統的效率會(huì )產(chǎn)生很大的影響。此外，小車(chē)的運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測，對于系統的正常運行也有大的影響。所有這些工作都是未來(lái)需要不斷提升的。

        更高性?xún)r(jià)比：四向穿梭車(chē)的穩定性是保證系統正常高效運行的關(guān)鍵。從目前的應用看，還有待進(jìn)一步提升。與AGV（kiva）和多層穿梭車(chē)相比，料箱式四向穿梭車(chē)因為結構復雜，成本要高出不少，如何不斷優(yōu)化，降低成本，提升性?xún)r(jià)比，對于市場(chǎng)的接受是有幫助的。

        標準化與系列化：目前主要以標準尺寸的穿梭車(chē)為主，未來(lái)會(huì )有一些變化。

        盤(pán)式四向穿梭車(chē)：主要適應于1200*1000標準托盤(pán)，承載能力為1000kg，未來(lái)的系列化會(huì )從托盤(pán)尺寸和承載能力兩方面考慮。如載荷會(huì )有500/750/1000/1250幾個(gè)等級，以滿(mǎn)足市場(chǎng)不同的需求。尺寸方面，系列組合的會(huì )更多一些。

        料箱式四向穿梭車(chē)：主要適應于600*400標準箱，承載能力為50kg，未來(lái)的系統主要從尺寸、貨叉型式方面尋求系列化，以適應市場(chǎng)需求。

        標準化和系列化是產(chǎn)品發(fā)展的必由之路，但由于每一臺穿梭車(chē)在出廠(chǎng)前均要經(jīng)過(guò)嚴格的測試，而每個(gè)型號的新車(chē)都要經(jīng)過(guò)嚴格的定型測試，這些工作會(huì )給系列化帶來(lái)挑戰。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(shí)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)與應用，2012.6

        [2] 尹軍琪，物流倉儲設備和系統的柔性化設計[J]，物流技術(shù)與應用，2014.10

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

        [4] 尹軍琪，漢諾威CEMAT2016觀(guān)展記[J]，物流技術(shù)與應用，2016