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(资料图片仅供参考)
食品饮料行业自动装卸车技术方案及其应用（褚佳 杭州娃哈哈集团有限公司）
智能装车系统建设与应用（陆名伟 昆山同日工业自动化有限公司机器人装车事业部）
从产业视角看自动装卸车技术发展（本刊记者 江宏）
食品饮料行业自动装卸车技术方案及其应用
在各种包装方式中，纸箱自动装卸车方案的市场需求最大，技术难度最高。娃哈哈作为国内饮料行业的代表性企业之一，在装卸自动化技术领域积极探索并取得了实质性突破。本文基于食品饮料行业物流特点，介绍了国内外纸箱自动化装卸车解决方案发展现状，通过应用案例呈现了自动装卸系统的作业流程，并对自动装卸车系统的技术难点与发展方向进行了简要分析。
作者：褚佳
杭州娃哈哈集团有限公司
食品饮料行业物流特点与装卸自动化需求
食品饮料行业作为快消品行业中的重要分支，其物流特点可以大致概括为：产品发货量和卸货量非常大，通常单个工厂装卸量可达每日数万箱甚至数十万箱；产品通常采用瓦楞纸箱或裹膜包装，相互间摩擦力相对较小，运输过程中容易晃动挤压变形，需优化码放布置，或者通过增加辅助保护措施提高垛型稳定性；车型种类多，尺寸不一，自动化实现难度较大；目前大部分企业仍采用人工装卸方式，人员劳动强度大，企业存在招工困难和人工装卸费用高企等问题。因此，如何实现大批量高效装卸车，并避免产品发生损伤和变形，对食品饮料生产企业来说十分重要，是亟待解决的行业难题。
如果仅从物流作业的角度来看，最容易实施的大批量、高效率装卸作业形式是托盘化整体装卸，即产品在从生产线下线到抵达客户的搬运、装车、运输、卸车等环节中始终放在托盘上，通过叉车等设备对托盘货物进行搬运。这一方式也确实在一些大型物流企业得到了广泛使用，甚至通过采用RFID等技术实现了托盘与产品的跟踪。然而，该方案在食品饮料行业的实施中却存在较多困难，主要原因如下：
一是客户的地理分布特别分散，托盘的及时回收存在诸多困难，自营回收成本过高，依赖托盘物流产业链企业则存在市场暂不成熟、托盘供应不及时等问题；二是流通托盘的材料、工艺、外形存在差异，只有部分可与仓储系统及自动装卸系统配合使用，也增大了货物在运输车辆上整齐堆放的难度；三是采用托盘减少了车辆装货量，而且为保证结构稳定需要对整垛产品裹膜，进一步增加了物流成本。
鉴于上述原因，食品饮料企业对无托盘装卸技术仍有很大需求，可以预见在未来较长一段时间内，托盘化整体装卸还不能完全取代无托盘化装卸，这两种装卸技术对应的方案将长期并存。
了解和掌握更多的自动化装卸方案，将有利于企业因地制宜选择合适的方案。为此，本文对国内外纸箱自动化装卸车解决方案的发展现状和未来发展趋势进行概述和简要分析，并介绍了国内饮料行业的代表性企业——娃哈哈在装卸自动化领域的探索。
自动装卸车解决方案分析
食品饮料行业自动装卸车解决方案的分类方式多种多样。例如，根据车辆形式的不同，现有技术方案可分为：敞篷车装卸和厢式车装卸等；根据装卸产品的粒度，可分为多垛装卸、单垛装卸、整排装卸和单箱装卸等；根据是否运输托盘，可分为带托盘装卸和无托盘装卸；根据使用机器人的类型，可分为固定多级伸缩臂、移动多级伸缩臂、移动直角关节臂等；按末端工具形式，可以分为吸盘、抓手、推板和滑板皮带等。本文仅从三个应用场景展开介绍。
1.面向敞篷车装卸的大型桁架机器人装车方案
图1 典型的敞篷车桁架装车系统
与石化、粮食等行业较常见的敞篷车软袋装卸有较大不同，食品饮料行业虽然也常用大型桁架机器人或龙门机器人，但是由于纸箱不适合像软袋一样自由下落，所以更倾向于采用专用手爪进行整垛或整排形式的货物搬运。典型的系统构成如图1所示，主要采用三坐标式桁架机器人结构，并配套末端执行器手爪，手爪在完成相对缓慢而准确的定位之后，将整垛或整排产品在指定位置码齐。由于整机成本较高，敞篷车装卸很少采用单箱装卸形式。对于装车效率要求不高的企业，采用带长导轨的关节机械臂也是可选方案。典型解决方案可参见娃哈哈、常州金石、美国Sage等公司的产品。
2.面向厢式车装卸的各种机器人方案
图2 典型厢式车装车机器人
面向厢式车装卸的方案，主要可分成伸缩滑板皮带方案、伸缩臂方案和移动机器人方案。
伸缩滑板皮带方案（典型的方案如图2a所示），通常是先脱去托盘，将产品码垛或拼垛成与车厢宽度一致的垛型，然后将整垛产品搬运至车厢内部。其搬运的基本原理是：滑板在车厢地板上滑动，下方通常设有支撑轮以承重和减小阻力；货物搬运到位之后，滑板后撤的同时皮带向前，使得整垛不动而滑板可以抽回。典型解决方案供应商有荷兰Ancra公司、美国Actiw公司、娃哈哈、上海沃迪等，其中Ancra公司、Actiw公司等的自动整体装卸方案实现了整车一次整垛一次装车，达到最高效率。Ancra公司制定了标准化的集装箱货车与仓库无缝对接方案，通过卡车箱体内气动升降的滚轮、轨道或链条等输送装置与仓库内的货物运输轨道相连，将仓库内提前堆垛好的产品自动输送至货车内，实现整体装卸。
伸缩臂方案（典型的方案如图2d所示）最常见的形式，是剪刀式输送装置加上末端推抽机构或滑板皮带机构。丹麦FLSmidth的FFL-4C产品则采用桁架结构制作了超长的直线式推送机构（方案结构如图2c所示），有利于提高定位精度和作业效率。
机器人方案（典型的方案如图2b所示）由于具有易于生产部署、对车厢尺寸适应能力强、智能化程度高等优点，近年来得到更多关注，相应的专利数量也最多。目前较为知名的两个方案是美国波士顿动力公司的Strech机器人以及美国Bastian公司的深蓝机器人，日本Mujin以及国内的浙江微通、安徽擎天、山东兰剑等多家公司也开展了类似产品的研发。Technica公司将Kuka关节机械臂、第七轴以及履带移动底盘结合实现末端的大范围定位，完成自动装卸车。荷兰Copal公司推出的自动卸车机械臂采用了独特构型，具有较高的卸车效率，但由于该公司专注卸车应用，在自动装车方面还没有被推广。针对深蓝机器人鹅颈平台大臂较长、振动抑制较难等问题，Mujin公司采用碳纤维材料制作桁架式大臂实现减重，国内合肥泰禾、苏州澳昆、哈尔滨博实等公司则提出了将机器人操作单元前置的方案。例如，合肥泰禾的两段式装车机，哈尔滨博实的麦克纳姆轮移动平台方案等，但这些方案相对复杂，适应性仍有待改善。
3.面向不确定场景的半自动装卸车方案
上述全自动装卸车方案可以覆盖大部分应用场景，但是现阶段半自动装卸车方案仍然有一定的市场需求，特别是半自动装卸车设备具有成本较低、维护简单、对现场条件要求较低、设备故障易修复等优点。因此，仍有必要研究和推广高效的半自动装卸车方案，其中比较知名的方案是丹麦Caljan公司早在1967年就推出的伸缩输送带。在经典产品基础上，Caljan 公司进一步推出了各种选项，如液压俯仰单元、铰接前置输送带、输送带过渡单元等。在前置输送带位置提供上下左右前后调节按钮，据统计，可使搬运效率提升30%，作业强度下降70%。
图3 传统伸缩输送带（上）与最新铰接前置输送带（下）对比
在典型的自动装卸车系统中，除了处于核心的装卸机器人，通常还涉及若干辅助系统，其中车厢扫描系统最为重要，其作用是当货运车辆进入指定停泊位置时，通过机器视觉技术或激光雷达等技术提取车厢坐标位置和车厢空间参数，将数据提供给智能装车控制系统。前述的Stretch 机器人和深蓝机器人均采用了跟随机器人移动的测量杆，其上安装激光雷达和工业相机/工业3D相机。随着近几年激光雷达和工业3D相机成本的快速下降，以及抗环境光性能的提升，实时车厢扫描测量的技术研发难度大大降低，逐渐激光雷达和工业3D相机成为各类自动装卸车系统中的基本配置。
应用状况
娃哈哈研发和部署了大型桁架式敞篷车装车机器人，以及多级伸缩输送机构的厢式车装车机器人，下面结合案例简要介绍其作业流程与应用效果。
在敞篷车装车方面，娃哈哈先后开发了有效负载300kg的小型桁架式装车机器人和窄跨距的龙门装车机器人，并进一步开发部署了有效负载2t、横向跨距12m的大型桁架式装车机器人（如图4所示），有效满足了生产基地每日10余万箱发货量的需求。
图4 娃哈哈工厂仓库使用的桁架式装车系统
在厢式车装车方面，娃哈哈对整车一次装车滑板皮带方案和伸缩臂设计均进行了设计，最终选择多级伸缩输送式方案进行了实施，既控制了成本，也取得了预期的效果。该方案已在娃哈哈部分分公司测试推广。
大型桁架式装车机器人采用整垛抓取及装车的方式，以四自由度的桁架机器人作为主体实现空间搬运的功能。智能化自动装车工作站主要包括：桁架机器人，整垛抓取器，整垛输送系统，托盘（铲板）整理及回收系统，车厢扫描系统，装车方案及排列规划软件，小件补充装车设备或人工工位等部分。其中，整垛输送系统具有拆垛与重新排垛能力，并实现托盘与产品分离；桁架机器人末端的整垛抓取器根据车厢扫描系统返回的车体测量信息进行移动，整垛抓取器上还安装有多个监控相机以及接触式伸缩测杆，以确保可靠性和定位精度。
图5 智能化自动装车工作站工作流程示意图
智能化自动装车工作站作业流程如图5所示，限于篇幅，具体细节不再赘述。
技术难点
食品饮料行业自动装卸车技术经过近几年的快速发展，已经有较多的方案落地，但仍然存在若干技术难点制约着相关装备的普及应用。主要技术难点如下：
1.复杂工况下的车厢扫描系统及智能规划算法
理想化的车厢扫描系统，要求能对各种车体的视觉及点云信息进行语义识别和精确测量，对即将装卸的单箱/整排/整垛产品的位置尺寸进行单次测量甚至实时测量，根据车厢、机器人和产品的相对位置规划机器人动作，并最好能预测最终作业精度。实际应用时，需要考虑到车体振动、机器人本体振动、视觉传感器振动、机器人末端执行器及产品抖动、视觉传感器视角范围、视线阻挡、环境光影响、人员走动等因素，设计一套满足复杂工况的车厢扫描系统具有较大挑战。
2.厢式车装车机器人的机械臂轻量化设计及抑振技术
例如，鹅颈平台大臂较长，既要保证刚度，又要减轻重量，目前仅从结构设计和材料选择方面入手难以完全解决末端抖动问题。需要从振动模态分析、结构阻尼设计、主动或被动抑振等方面，开展更深入的技术研究。
发展方向
笔者认为，食品饮料行业自动装卸车方案的发展方向主要有两个：
一是对于大型桁架机器人，主要发展方向是低成本化改造与多桁架机器人升级。例如，在大型钢梁上安装多对窄跨距导轨，采用轮轨代替高精度导轨滑块，横梁及升降结构件采用桁架结构代替箱框结构等。每对窄跨距导轨上的桁架机器人可独立装卸车，从而增加吞吐量。
二是对于中小型机器人，主要发展方向是数字孪生、远程遥控操作与AI自学习。例如，通过虚拟环境下与物理环境下的作业场景高真实度映射，可以预先充分测试装车机器人的适应能力，加速产品研发与现场部署；采用远程遥控操作硬件，通过5G通信技术实时传递现场视觉及接触力等信息，在出现突发工况或难装卸产品时，从自动模式切换到遥控模式，减少停机时间；通过AI自学习，不断提升机器人与智能装车系统的智能水平，最终实现装卸货流程完全无人化。
编辑、排版：罗丹
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