基于智慧物流的AGV叉车及其系统设计

01设计背景

进入二十一世纪后，全球经济发增长，人们对商品的需求量激增，生产规模也随之扩大。原材料和商品的大量流通极大地刺激了对物流的需求。在短短二十年时间里物流就对生产消费产生了巨大影响，而在对供应链产生巨大影响的物流体系中，仓储这一环节所占比例最大，最为重要。仓储对供应链各个环节---生产各环节，生产和销售，运输等部分，是供应链的接合部分，因此，仓储环节决定这库存这一物流核心元素，是连接消费者消费需求和生产调节的重要一环。要想供应链达到最佳状态，这些环节的配合均衡极为重要，这就凸显出仓储的重要性。在仓储这个环节中，表现出物流环节整合的所有问题。对仓储系统进行优化和干预就可以极大地影响整个物流的运作能力。而在仓储系统中，存储空间，设施设备和管理系统是最主要的要素，这三者互相配合支撑着整个仓储系统的运行，其中存储空间是载体，设备是运行单位，管理系统则是连接二者的纽带。当今的物流需求使得对仓储系统的要求相应提高，需要更快的吞吐速度并且保证一定量的吞吐单位和库存量，仓储柔性是主要趋势。现状是，除去几家大型物流公司外，占据市场的其他大部分中小型仓储企业的仓储空间较小。考虑到对物流系统建设整合的速度需求，中小企业的重要性不言而喻，他们就像物流系统的毛细血管，虽然小，但作用不容小觑。而中小物流企业的资金和场地，人力资源等一系列条件的限制，它们的发展方式不能和大企业一样，需要另辟蹊径。既要保证吞吐柔性，又要考虑到成本等限制因素，做到了这些，才能使其顺利升级，从而在宏观上加速整个物流行业的整合发展和转型升级，使行业重新洗牌的过程真正做到“软着陆”。在仓储系统内，设备和系统是主要的突破点，这两者本质一个是硬件实施，一个是信息处理。而在当下科技高速发展，互联网技术普及等背景下，利用最为合适的方式和手段，如自动导引（即AGV）技术和互联网技术，可以优化仓储系统的硬件和信息处理能力。为了适应更多的小企业，硬件和系统也需要有较大的普适性并保证一定的柔性以适应不同的差别。综合所有现状和要素，发现需要一个低成本高柔性的仓储设备和系统相搭配的设计来使转型升级效果最大化，受众最广。

为了设计出符合这样要求的系统和硬件，需要大量的前期准备和调研。首先调研了解当下已经存在的各种物流设备和系统，了解它们的特点和与其最为合适相对应的服务对象和环境条件，以及实现这些对象所需要的条件，并结合所需要的设计系统和设备的最终效果，选定基本的类型和范围，缩小并明确设计目标。最终选定把非常窄道工作环境下的智能的全自动导引电动叉车以及与其相匹配的整合了仓储控制系统（WCS）和仓储管理系统（WMS）的软件作为设计对象。明确了设计目标和设计对象之后，需要进一步对产品进行定义。由于叉车只是仓储系统众多设备中的一个，为了确保整个物流系统中各部分的稳定配合和良好运行，以及得到最大的优化，需要同时对系统中其它配套设备进行比较和匹配，选择最优的组合方案，对其他设备进行粗略的定义和设计，以得到以仓储节点为单位的系统的最优方案。最终，对产品进行较为详细和深入的定义和设计方向。得到详细目标后，需要对产品的实现进行规划，对相应的技术实现进行调研和试验，得到一个理论可行性通过的设计方案。得到相应的技术方案后，利用已经定义的结构作为技术，接合叉车的工业美学，对叉车的外观进行初步的设计。技术实现和外观定义完成后，开始制作验证模型，对结构的合理性进行检查，并优化。根据验证模型的结果对设计方案进行修改后制作缩小比例高保真模型。因为叉车属于比较复杂的工业产品，为了减少对人力物力的浪费以及节省成本，需要进行多次迭代，并且考虑到时间和成本以及技术的因素，只做到最初的模型验证阶段，在功能上达到95%的保真度，结构上达到50%的保真度的高保真缩小比例模型。模型具有所有成品叉车的功能，包括自动驾驶和手动驾驶两种模式，三段式升起门架，自动三段式货叉以及平滑驾驶，自动避障，以及和WMS系统相配套的自动拣货盘点，货物信息自动录入等功能。有了高保真模型，对最后的实际开发工作会提供极大的方便，既能方便获取初步的数据，又可以利用它和用户进行更好的交流，得到更为真实的建议，有利于和客户以及团队的内部沟通，对设计进行更好的检验，提高迭代设计的速度和质量。

自动化叉车在一些大的物流仓库里比较常见，因为成本比较高，中小企业承受不起，并且技术较为复杂，只有少数厂商可以生产，这就不利于AGV的推广。国内的AGV大多是大型快递企业和大的生产企业，并且多是模仿国外的技术，比如天猫的分拣机器人就是仿照亚马逊的KIVA机器人。并且国内的普及的自动化物流机器人多存在于快递等小型配送，对于大型货物的叉车比较少。国外在这方面的经验比较丰富。但对于超级窄道的堆高车大多还是轨道式的堆高车，对仓储条件有很严格的要求，并且成本高。本设计将二者接合起来，一方面能提高仓库的垂直空间的空间利用率能力，又可以降低安装难度和成本。

02前期调研与分析

A服务与环境——仓储系统现状和趋势

现在我国的物流的总体成本仍然维持在一个较高的水平，占整体国民生产总值的16%，通过信息化智能化改造是现在的趋势和需要。国内物流的附加服务也比较贫乏，缺少了附加值的利润，物流行业的发展也收到了一定阻碍。利用互联网的信息化优势，提高生产消费等供应链的配置精度，从而使仓储成本大大下降，提高仓储企业的竞争优势。另外，由于国内中小物流企业众多，市场份额及其分散，并且各个企业的形态不同，资金来源，客户，模式不同，缺乏一个整体的规范标准。效率高，实力强的企业内部物流开始从生产中独立出来，逐渐变为专业性强的，专门为某一类型的工况服务，成为专业的第三方物流。物流行业整体向规模化，科技化和专业化的方向发展。由于需要物流的生产企业的要求都各不相同，所以只靠几个大型的企业支撑整个物流业的任务是不现实的，仍然需要靠广大的中小物流企业，只有他们成功转型升级，才能带动生产领域更快更好的发展。

快运，第三方物流和物流平台和细分的物流产业链是未来物流业扩张的主要方向，物流行业细分程度将因为生产活动的精细化，精益化而相应提高，专业性得到加强。

我国的人均仓储面积也处于末端，才只有美国的十分之一，想要大力发展仓储，无限制提高仓储用地是不现实的，必须从仓储利用率着手，提高仓储密度和周转速度。提高整个系统的信息化程度和自动化程度也是重要手段，利用互联网的技术来提高信息流动能力，使用自动化智能技术提高设备的效率，提高系统内设备的利用率，比如降低车辆空载率，优化路线和仓储空间的布局等从而加大整体承载率。

B明确用户和大致设计方向

着眼于广大的有发展力的中小企业，通过改进流程与设备，提高其物流业务能力，培养成为未来巨型供应链型物流的末端重要组成部分，降低行业重组投入，加快物流业发展。主要任务是让中小物流企业高效完成转型升级，利用现有的技术为他们打造与物流模式配套的自动化仓储系统，形成专业高效的物流服务系统,提高竞争力，同时提升物流行业总体自动化程度，运作精度和运作能力。并且以此拉动相应的商品经济和生产活动的效率和利润。

C获取设计研究的基础信息----仓储系统的结构流程与性质

这一部分主要对仓储系统本身进行剖析和研究，找出其中的关键性因素，为下一步寻找突破口来改进仓储效率和速度打下基础。仓储系统和普遍的系统相同，都有输入通过转化方式变为输出的过程本质，其转化方式具有自己的一套流程。其中和我们所需要改进的对象，即物流设备和系统相关的流程是研究的重点。在所有类型的仓储中，入库，储货，拣货是共同都有的流程部分，并且这三个部分的和物流设备交互最为紧密，获取的信息最为重要。

入库作业中包括作业计划，入库准备，接运卸货，检查验收及交接，入库信息采集和整理，最后组织入库的过程。其中入库信息准备是后期对库存组织和对仓储结构优化所需要的元数据的获许，而组织入库则是在物理层面上利用物流设备对货物进行组织，是实现仓储结构的过程。货品供应商及货品的运输方式，入库作业的组织管理都会对入库作业产生影响，但影响最大的是商品种类，特性与数量等商品的硬件软件信息，商品类型直接影响后续的库存方式，储存周转周期等宏观仓储能力参数，并且对仓储相应匹配的仓储设备提出要求。

储货和入库及拣货不同，它是一个以时间和空间分配的流程，而不是另外二者所采用的逻辑顺序分配。这个部分依然以元数据为基础，依靠自动的仓储管理系统运算处理后输出的数据来进行操作。拣货也同样地依赖系统生成的工作指示数据工作。所以综合看来，系统中最重要的部分是货物信息的接受和处理计算以及设备和系统间的信息交互。而这两者都可以利用当今最为普遍的互联网和自动化技术解决。由于信息的录入和处理速度非常快，故而拣货作业中消耗时间最多的是设备实施系统指示，即仓储设备的行走和搬运。这部分可以通过系统对多设备的路径的拓扑和优化解决。其他如拣取完毕后货物分类集中的工作可以通过自动化较低的设备来完成。拣货方式由于效率的需求，多采取批量拣取的工作方式，分为“人到货”和“货到人”两种主要方式。其中人到货由于需要人的操作，故而自动化程度相对另一种方式而言较低，并且由于人的限制，拣取的货物数量和体积不能太大，导致工作柔性虽然有所提高，但工作效率和强度也随之下降。货到人的方式适合配送量较大的订单，但小量的订单也可以轻松完成。出库方式分为先入先出FIFO和先入后出FILO两种方式，其中FIFO的优点是减少货损，并且货物快，流动储量大，符合当今大部分生产和商品流通的需求特点。

D竞争分析，寻找痛点

在结构上面，由于仓储是一个庞大的系统，需要各个部分相互配合，在这里将它简化为硬件和软件两个部分。硬件部分包括存储空间，各类输送设备以及一些配合的周边设备，软件是整合了WMS和WCS的仓储控制中心。这一部分将对现有的仓储设备进行调研，从其在整个仓储系统各个流程---搭建，维护，入库，储存，盘点，拣货，分拣，装载等环节中的属性表现，衔接度，成本，通用性，存取性，速度，载荷等方面进行评估和比较，得出系统中各环节所需的设备类型。

大多数仓储空间都配备存储单元中最为常见的设备，和货架产生交互的流程包括入库，拣取以及每隔一段时间进行的货物盘点。货架的种类很多，普通的有有横梁式货架PALLET RACK，悬臂式货架，具有时序功能，即堆栈能力的有贯通式货架以及半自动的重力和流利式货架，利用叉车和重力进行作业的后推式货架以及自动化的的穿梭式货架和旋转式货架。

普通的横梁式和悬臂式除去在承载货物类型方面的区别（后者在没有搁板是适合堆放棺材等长型和不规则物料）外，二者共同特点是结构比较简单，因而可靠性高，成本较低。由于是侧面出货进货，货物之间没有干涉，故而存储货物不受到空间上和时间上的限制。对物流中比重极大的托盘货物的支持最好，和叉车配合紧密，柔性高，适合叉车存取的仓储模式。并且由于其组成模块化的特点，对各类仓库的适应性极强，高度可达12米，可塑性和通用性强，在多品种小批量和少品种大批量条件下都能很好的工作。综上看来，普通梁式货架在衔接度，成本，通用性，存取性上都有很好的表现，这与现今大多数企业都采用这种货架的实际情况也相符合。

具有时序堆栈功能的贯通式（需要和叉车配合），重力式，流利式等货架由于货物之间可以相距很近，提高了仓储的水平利用率，但是由于货物之间干涉较强，不能随意的存储，必须符合先入先出或先入后出的原则，降低了存储柔性，对于少品种大批量支持较好，简化了仓储信息的处理和进出货时间，但其不适于货品种类较多的状况。而且由于结构上的特点，这类货架的垂直高度大多不能超过10m，牺牲了垂直方向上的仓储能力。而旋转式货架只适合货物小并且对安全性要求苛刻的情况，对仓储系统的自动化要求很高，需要相对应的配套设施，成本高而且客户群较为狭窄。

仓储中的搬运设备主要有叉车，堆垛机，传送带等。堆垛机是全自动仓储系统中的非常重要的用于起升货物的仓储设备，工作速度快，运行平稳准确，巷道宽度很小。缺点是同一巷道只能存在一个工作队列，并且每个巷道要配备一台设备，成本较高。当堆垛机出现故障时，也无法取出该排货物。工作范围也受到轨道的限制，需要配备出入库设备。叉车是仓储中最为常见和通用性好的仓储设备，使用范围广并且灵活多变。从能源上来分类，主要有电动和内燃两大类，由于电能属于清洁能源，不仅节省能源，且更容易与现在的物联网等智能化控制相结合，提高自动化水平。从结构上来说，有普通的无特殊功能的平衡重式，垂直提升高度较大的前移叉车，和三向堆高车。前移叉车的起升高度较大，但缺点是回转半径增大，货架之间的间距也需要随之变大，即垂直密度变大，水平仓储密度降低。三向堆高车可以在货架之间直接搬运货物，无需转弯，但是由于货叉结构的原因，存取货物时间较长。自动化的仓储系统相对应的设备是AGV自动导引车，它和普通叉车的区别就是可以在无人干预的情况下全自动行驶和存取货物，并且可以搭载货物信息检测系统，和WMS形成对接，减少人工获取信息产生的错误。使仓储流程更加规范有序，提高运输效率。缺点是成本较高。除此之外，为了避免短板效应，相应的还有全自动的输送链系统，如板链输送机，以及周边设备如仓库监测设备火灾报警器，监控设备等，也可以给物流工人配备手持终端设备方便随时谁地和信息系统进行交互。

和仓储设备相对的还有数字化拣货系统，它是WMS仓储管理系统的重要组分。它包括了WCS仓储设备的控制系统，对AGV智能搬运车进行实时控制，同时与整个WMS系统进行信息交换，以提高拣货效率。同时降低作业的错误率。由于对仓储的合理规划，降低了整体作业处理成本，并且降低了工人的工作强度。

03设计过程

A痛点分析

通过前面的调研和初步分析，对影响用户行为的关键因素进行筛选个研究，找出系统中的痛点。从物流企业的角度上来看，衔接度，成本和通用性是最主要的因素。在转型升级中为了做到软着陆，即流畅无缝的完成新技术与旧系统的对接，新系统衔接度非常重要，它与旧的仓储系统，硬件以及业务的兼容程度决定了其强壮程度和生存能力。对物流工人来讲，叉车等物流设备的可靠度，舒适度，易用性是最重要的，因为在劳动过程中，工人是作为用户来看待的，他们最为关心与自己最为紧密的流程与产品，注重产品的体验。二队客户来讲，他们是物流产品的直接消费者，物流系统的吞吐速度，灵活性，业务范围即货品的规格品种数量，还有价格成本也是考量因素之一。

B产品定义

将设计目标定位通用性高，高效可靠，易于学习，并且与现有系统有一定兼容性的成本适中的和中小型自动化仓储系统相匹配的超级窄道工作环境下的全自动叉车。叉车具有灵活性高，转弯半径小，货道内无需转弯即可取货存货并且小型轻量的特点。和本叉车向匹配的工作环境是中小型的封闭式仓库，面积在1000平方米左右，层高10以下，储货区采用横梁货架搭建，使用有堆垛功能的全自动导引超级窄道叉车来进行货物的存取工作。收货区使用可靠性强的辊子输送机，暂存区可以使用流式货架也可使用普通的横梁货架搭建，根据各仓储单位的具体情况进行调整。分减去使用堆积是滚筒输送系统，装载区采用自动装车机来进行装卸工作。物流工人配备便携式的手持终端设备。此外，还有仓库内的安全监测系统和货物信息录入系统，并与ERP，外单系统等其他物流系统，WMS等相配合，形成一个分工明确精细的全自动仓储生态圈。

AGV超级窄道叉车的功能结构包含地图系统，任务调度系统，定位导航装置，运动控制系统，运动驱动系统，以及货物监测系统。车上还搭载相关的安全硬件保证作业的安全性，包括障碍扫描，自动避障，警示灯和报警系统等，并配备提高交互舒适度和操作性的信息显示和操作界面。

C技术分析准备与定义

本小节主要讨论AGV,WCS和WMS的相关技术实现，对于系统中的其他相关硬件，由于技术相对比较成熟，可以采用已有的产品即可达到设计要求，故不再再赘述。

由于本叉车的垂直起升高度在5-6米左右，即大多数中小仓储的最大允许堆高高度，和轻量化的考虑，采取堆垛机的起升机构。因为电动叉车的起升结构体积较大并且起升速度较慢，还不到普通堆垛机的1/3。堆垛机的结构较为简单，制造成本相对较低，并且故障率由于结构简单也随之下降。

叉车的转向与驱动模式使用四轮转向，大大减少转弯半径，提升叉车驾驶的灵活度。减少所需要的回转面积，进而提高了仓储的真实面积，提高仓储利用率。

AGV的导向技术多种多样，外导式有电磁导向，超生导向，激光导向，光学导向和标线导向，内导式有坐标识别，惯性导航和自主导航。按线路分类有有线式和无限式两种，有线式包含电磁线路，磁带线路，色带线路，网格线路和标线线路，无线式则有超生导向，激光导向，坐标识别，惯性导航和自主导航几种。从技术角度对几种定位方式进行评估，分别有以下几个方面,可靠度即技术成熟度和应用占比；适应能力是对地面和空间的要求和对光电等环境干扰的响应；路径柔性是更改路径设定的难易程度，运行速度是在保证导航精度的前提下的最大行驶速度。导航稳定度是指为了使自动导引车辆沿着规划好的路线在单位行驶周期内进行的纠偏转向控制的频度和幅度。定停精度是AGV在停车时与预定计划的位置和真实位置之间的偏差，有距离偏差和方向偏差两种。信息容量是获取的位置的信息量，可以相应提高路径导向的柔性。技术成本是开发和制造的成本。通过对比以上参数得出以下对比结果以及预计的AGV参数。

WMS+WCS系统功能具有多工作站并行工作，数据实时更新 ，利用无线局域网/TCPIP协议连接设备 ，使用可视化、图表化地反映信息。在路径规划上使用最短消耗算法来合理调配各台AGV的忙闲程度。

WMS+WCS系统模块包含以下模块

系统功能设定模块：自定义整个系统的管理规则，包括定义管理员及其操作口令的功能 。2.仓库管理模块。3.产品入库：入库单号，货品信息（名称，尺寸，重量，分类，信息）录入 。4.入库管理：根据库内情况，分配库存。5.产品出库：生成出库单号，决定出库方式。6.库存管理：出入库时自动进行信息录入，随时查看库存信息，并进行库存调动分配。7.盘点管理：随时可以盘点仓库，自动生成盘点单据 。8.AGV管理：像AGVs下达任务，并时刻监测AGVs状态，监测仓库状态，像仓库人员配备的便携式终端设备发送任务信息。

D制作快速验证原型

利用乐高等模块化的搭建工具快速搭建验证模型，可以降低每次迭代的时间，加快迭代速度，经过多次验证来敲定结构。

E 产品外观定义

根据前面所决定的功能，定义产品结构，根据产品结构定义产品外观，使之符合形式追随功能的原则。

F技术实现

使用arduino等快速搭建相对应的电子控制部分实现叉车的自动化控制。

G产品原型

利用前面的验证模型，进一步对设计进行改进，利用快速成型技术制作高保真原型，最终通过评估改进以及进行后期的设计和迭代。

04设计作品展示与说明

A 草图与技术定义

B高保真原型

使用参数化建模软件pro/Enginner来建立叉车的数字模型，并进行有限元检测，最终使用3D打印来快速成型。利用Arduino等快速硬件原型工具实现硬件功能。

05结论与展望

A结论

设计达到了预先设计的要求，但离实际生产还存在一定距离，可以利用现有的高保真模型来对后续的设计进行具体的指导。有了高保真模型，和客户交流更为方便，设计的工作量和效果也一目了然。

B不足之处及未来展望

本设计的高保真模型在结构上和真实大小的叉车仍有一定距离，但仍然具有很大的参考意义，由于开发时长限制，相配套的管理系统没有完成，这将在后续的工作中继续开发。利用高保真模型到实际企业中进行实地调研取得更有价值的建议发掘问题，继续对设计进行进一步的改进。

致谢

这个项目中曹老师给了我很多关心和帮助，为我提供了优质的学习和硬件资源。项目期间和C310工作室兄弟姐妹们一起玩耍工作的场景至今历历在目，这些经历对我来实在有趣而又宝贵，希望我们这些好家伙以后都能更好的发展:) yeah!