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中国物流机器人软硬件技术发展现状与未来趋势（王建新）
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中国物流机器人软硬件技术发展现状与未来趋势
近年来，中国物流机器人品牌的软硬件实力得到全方位提升，应用场景不断拓展，在全球范围内的影响力和话语权明显增强。本文主要介绍了物流机器人的类型、用途、系统组成和关键技术，并重点对我国物流机器人的市场格局与竞争优势以及未来发展趋势进行了深入分析。
作者：王建新
青岛蚂蚁机器人有限责任公司
物流机器人在提高生产效率、降低人力成本、提高作业安全性等方面作用显著，有助于提高物流行业的智能化水平，提高物流方案的柔性化，提高物流效率和准确度，降低物流成本和建设成本，同时解决人力资源短缺和高劳动强度等问题，具有明显的经济效益和社会效益。随着中国物流机器人软硬件技术的迭代升级和不断成熟，物流机器人的应用领域愈加广泛，为整个物流行业带来全新的变革。
物流机器人是指利用机械结构、运动控制、导航定位、安全避障、车辆调度、软件算法和人工智能等技术，可以自主地完成物料取放、搬运、存取、拣选、配送、拆码垛、装卸、上下料等任务的智能化物流设备。
在快速迭代升级之下，物流机器人的品类不断扩充，可从以下几个维度进行分类：
根据设备功能来分，可以分为搬运、存取、拣选、配送、拆码垛、自动装卸、自动上下料等类型的物流机器人。
根据外形结构来分，可以分为潜伏式、移载式、叉取式、牵引式、复合式等类型的物流机器人。如图1。
图1 不同外形结构的物流机器人
根据搬运对象来分，可以分为托盘、料箱、卷料、盘料、重载、异型件等类型的物流机器人。
根据走行机构来分，可以分为双差速轮物流机器人、单舵轮物流机器人、双舵轮物流机器人、多舵轮物流机器人、麦克纳姆轮物流机器人等。
根据导航定位方式来分，可以分为自动导引物流机器人（Automatic Guided Vehicle，AGV）、自主移动物流机器人（Autonomous Mobile Robot，AMR）。
当前，物流机器人不仅产品类型丰富，应用领域也十分广泛，覆盖工厂线边、原料仓库、半成品/成品仓库、物流配送中心、电商履约中心、厂区跨厂房转运、机场、港口码头等场景，并实现以下用途：（1）物料搬运，替代人工搬运作业的行走动作；（2）立体存取，比如使用料箱机器人进行出入库、存取和拣选作业；针对托盘类重载物料，可以使用叉取式物流机器人进行出入库和存取作业；（3）物料或订单拣选作业，实现“货到人”“料箱到人”等订单拣选；（4）与机台高精度对接和上下料；（5）自动拆码垛，跟自动包装、缠膜、贴标设备一起配合，完成整个单元化物料的全自动化包装作业；（6）自动装卸车。
物流机器人虽然外形结构各异，但是具有相似的结构和基础技术。从软硬件角度，物流机器人系统主要由机械本体、电控系统、导航系统、车辆控制系统、安全防护系统、通讯系统、供电系统和调度系统等八大部分组成。
1.机械本体
包括机器人底盘、走行机构、转向机构、升降机构、传动机构、叉取机构和移载机构等。
2.电控系统
即电气控制系统，通过激光雷达、摄像头、超声波传感器等传感器对数据进行采集和处理，将其传输到控制系统进行处理，使物流机器人能够在工作区域内自主运行、执行任务。
3.导航系统
实时定位并将位置信息上传给车载控制器，从而确定物流机器人和识别图像在地图中的位置，实现物流机器人的准确自主导航。
4.车辆控制系统
物流机器人的单机控制系统，在收到上位控制系统的指令后，负责物流机器人单机的导航、导引、路径选择、车辆驱动、装卸操作等功能。目前主要有PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）和IPC（Industrial Personal Computer，工控机）两种方式。
5.安全防护系统
包括安全传感器、光电开关、安全护边、急停按钮、声光报警等，能够最大程度地保证车辆安全、货物安全和人员安全。
6.通讯系统
用于物流机器人与上位控制系统交互通讯，包括无线通讯模块和操控面板等，目前主要有5G和Wi-Fi两种方式。物流机器人之间的通讯，可以实现任务分配、协调运动和安全避障等功能，通过通讯系统，物流机器人可以实时交换位置、速度和状态信息，以实现无缝协作、混合调度和集群调度。
7.供电系统
为物流机器人提供电力供应，包括车载电池和固定式充电桩，并配有通讯系统，实时获取电量，及时进行自动充电和闲时充电。
8.调度系统
调度系统（Robot Control System，RCS）能同时对多辆物流机器人进行监管、控制和调度，主要功能包括任务调度、路径规划、交通管制、与设备对接、与上层管理系统对接等。调度系统能够很好地解决物流机器人的分配与控制问题，强大的调度系统能够实现无人化的多机完美配合，协同作业，提升整体物流效率。
目前，国内关键零部件发展逐步成熟与崛起，物流机器人零部件的国产化程度越来越高。机械本体、电控系统、车载控制系统、通讯系统、供电系统、调度系统等已经实现完全的国产化，导航系统和安全防护系统的国产化率已经超过50%。
物流机器人的关键技术，包括运动控制技术、环境感知技术、导航定位技术、安全避障技术、混合调度技术、集群调度技术、数字孪生技术、自动充电技术和车辆调度技术等。如图2。
图2 物流机器人关键技术
1.运动控制技术
运动控制系统主要控制物流机器人各执行机构的动作和稳定运行，负责物流机器人的启动、停止、加减速、紧急制动等基础控制功能，从而控制整个物流机器人的运动，实现物流机器人的运动控制和位置反馈。运动控制系统是物流机器人系统的核心部件，运动控制器接收任务指令后，将其转化成各个电机的旋转速度，然后下发给伺服驱动器，驱动电机旋转，从而控制物流机器人本体运动。同时，运动控制器接收来自物流机器人各个传感器的反馈信号，对接收到的信号信息进行分析处理。运动控制器按照嵌入式的程序指令、车辆运行状态以及周围环境感知反馈信息等做出运动决策，使物流机器人高效、精准、稳定地执行动作。
运动控制系统可根据机器人调度系统RCS给定的任务指令控制车辆的运动，运动控制系统可分为速度轨迹生成（Velocity Trajectory Generation，VTG）和速度轨迹跟随（Velocity Trajectory Tracking，VTT）两大部分，速度轨迹生成部分针对机器人调度系统制定的“任务”，根据物流机器人的当前位置、当前速度、目标点位置和目标点速度，为物流机器人规划一条从“当前点”到“目标点”的最优的速度轨迹；速度轨迹跟随部分控制物流机器人的驱动机构，实时控制物流机器人的速度跟随生成的速度轨迹，使物流机器人完成自身规划的各种位置和姿态等目标。
2.环境感知技术
环境感知与识别是实现物流机器人智能化作业的关键核心技术，物流机器人通过感知周围环境和识别作业对象，从二维到多维信息的感知和融合，实现快速、精准的环境感知和目标识别，结合智能规划算法和自适应控制等方法，为机器人控制系统发送相应的控制命令，使物流机器人做出相应的动作和反应。随着深度学习、大数据、智能控制等技术的快速发展，物流机器人通过各种传感器，获取周围环境信息，并利用软件算法，将这些信息转化为物流机器人可以处理的数字信号，从而实现物流机器人对周围环境的感知和理解。
环境感知技术的核心是传感器技术，主要有光学传感器、声学传感器、力学传感器等。这些传感器可以获取诸如颜色、形状、大小、声音、光线等信息，在机器人控制系统内部进行分析处理，从而能够对周围环境进行感知和理解。同时，环境感知技术还可以结合机器视觉技术、机器学习技术、语音识别技术和自然语言处理技术等，实现机器人与人类的交互和合作。
机器人感知技术是智能化物流中不可或缺的一个环节，它可以让物流机器人更加精准、高效和安全地执行任务，最大限度地提高物流系统的生产效率和准确度。随着机器人技术不断发展，机器人感知技术也会不断地得到升级和完善，从而实现更加智能化和自动化的物流系统。
3.导航定位技术
导航定位技术是指移动机器人确定自己在地图参考系中的坐标后，自动规划出通往地图参考系中目标点位的路径，并沿着该路径到达目标点位的技术。导航定位技术主要解决了移动机器人三大核心要素：当前所处位置、目的地位置、如何到达目的地位置。“当前所处位置”是移动机器人导航系统的定位及其跟踪问题，“目的地位置”和“如何到达目的地位置”是导航系统的路径规划和运动控制问题。导航定位技术包括：实时定位、路径规划、运动控制和地图构建。
目前，物流机器人常用的导航定位方式有磁条导航、二维码导航、激光SLAM导航、视觉导航、混合（复合）导航等。如图3。
图3 物流机器人常用导航定位方式
二维码导航多用于潜伏式物流机器人，激光有反导航多用于叉取式物流机器人，这两种导航方式因为技术成熟和较高的性价比而被广泛应用。
激光SLAM技术能够实现高精度的机器人定位和导航，对机器人在未知环境中的自主移动提供准确的位置信息和路径规划，在汽车及零部件、机械制造、仓储与物流、3C电子、光伏、锂电等领域均有广泛的应用，是目前主流的物流机器人导航技术。
视觉导航是通过车载视觉传感器来获取运行区域及其周围的图像信息，需要安装下视摄像头、补光灯和遮光罩等硬件设备，通过物流机器人在行走过程中摄像头拍摄的地面纹理进行自动建图，再将在行走过程中获取的地面纹理信息，与自建地图中的纹理图像进行配准对比，由此估计物流机器人的当前位姿，实现物流机器人的正确定位，硬件成本相对较低。但是当在大面积的场地进行运行时，视觉导航地图的绘制时间比激光导航长，相对来说视觉导航的技术还不够成熟。
混合导航指应用两种或两种以上导航方式实现自动导引车运行的方法，导航精度高，效果好，但成本和设计安装难度较高。
4.安全避障技术
安全避障技术是利用安全雷达、传感器和算法，使物流机器人能够自主感知并回避周围的障碍物，实现安全和高效地行走、避障和绕障。安全避障技术通过实时检测和分析环境中的障碍物，确定最佳路径并采取相应的避障措施，以确保物流机器人的安全行驶和任务完成。其工作原理为：传感器感知与数据采集——障碍物识别与分类——路径规划与动态避障——避障决策与动作执行。如图4。
图4 避障决策与动作执行
物流机器人调度系统具备预检测和预规划功能，可提前监测道路的占用和障碍物，根据任务提前规划通道；同时结合弧度算法，设置多种取卸货策略，从而在调度层面实现任务实施过程的安全保障。
车载控制系统具备货物超重监测、倾斜监测、车体姿态监测、速度自适应检测功能，通过自适应算法可实时避免因货物超重、货物倾斜、车体姿态不当、速度过快等造成的安全隐患。并且，车载控制系统具备上百种错误自诊断及监测功能，从而避免因错误导致的安全问题。
5.混合调度技术
每个物流机器人厂家都有自己的接口规范，针对不同厂家物流机器人分别开发的工作量非常大，而建立合作共赢的物流机器人生态圈，需要一种统一的接口规范。混合调度技术可实现不同品牌、不同车型、不同导航方式的物流机器人在同一个工作环境下实现协同作业，采用一套地图，实现统一管理，可节省客户时间、空间管理成本。如图5。
图5 物流机器人混合调度
通过多品牌混合调度系统的实施，企业可以充分利用不同品牌物流机器人的优势和特长，提高物料搬运的效率、准确性和灵活性。这将极大提升仓库和工厂的物流运作水平，降低人工成本，提升竞争力。多品牌物流机器人混合调度系统在物流业、制造业等领域具有广泛的应用前景。
6.集群调度技术
大规模集群调度系统通过人工智能算法，针对多点取料和多点送料过程进行智能调度与优化，多任务排程，保证最优效率，通过后台集中调控，能够实现单一场景下更高的机器人密度、更复杂的路径调度，同时实现最优的任务分配、科学的路径规划和完善的交通动态管理。如图6。
图6 大规模集群调度
调度系统架构将从单体式向分布式转变，分布式调度系统以去中心化的方式实现多个服务器资源的统一管理，原来由一台服务器完成的工作可交由多台服务器共同完成；利用互联网、人工智能、大数据等新一代信息技术为移动机器人提供更加智能化的调度支持；各个行业的客户需求和应用场景存在较大的差异性，这就要求调度系统能够根据多样化的需求自由扩展和自由定制；未来调度系统必将加速与5G、云计算、人工智能、大数据等技术的融合。
7.数字孪生技术
数字孪生是以数字化的方式建立物理实体的虚拟模型，实现物理世界数字化，借助历史数据、实时数据和算法模型，实现对物理实体的分析预测和改善优化，具有实时性和闭环性。
数字孪生系统将现实中的物理对象和过程通过数字化手段呈现在计算机中，以便进行模拟和优化，通过对整个AGV物流系统进行建模和优化，包括AGV的运行轨迹、货物的储存和搬运过程等，可以实现移动机器人设备进场之前进行虚拟调试，模拟运行，提前发现实施过程中的问题，预先解决，并缩短现场调试周期、实现快捷交付。如图7。
图7 数字孪生技术
8.自动充电技术
物流机器人的自动充电系统，包括电池管理系统（Battery Management System，BMS）、车载电池、车载充电机、地面充电桩等。物流机器人自动充电过程包括充电站检测、自动导航、对接充电、充电控制和充电管理等，此充电方式可以提高物流机器人的工作效率，减少人工干预，提升物流和生产线的整体运行效率。
物流机器人的充电方式主要包括接触式充电和非接触式充电（无线充电），而其电池寿命受多种因素影响，如电池类型、容量、充放电次数、工作温度等。如图8。
图8 自动充电技术
目前，无线充电方式的充电效率已和接触式充电系统相当，且因其无触点磨损、智能化程度较高，非常适合在线充电。这种充电方式需要在工作区域内布置无线充电设施，物流机器人车辆上也需要安装相应的接收器，虽然前期投入较大，但由于其无需人工干预，操作简单，因此在某些应用场景中可以大大提高生产效率。
9.车辆调度技术
机器人调度系统RCS是整个物流机器人群体的调度管理系统，向上对接制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）、仓库管理系统（Warehouse Management System，WMS）、企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）等工厂上层管理系统的工作指令，向下控制所有物流机器人，配合激光导航和混合调度，实现多种车型、跨区域跨场景的调度。如图9。
图9 系统控制架构
机器人调度系统RCS实现物流机器人的地图模型建立、多路径最优规划、多任务负载均衡以及多机器人交通动态调度管理（如图10）等功能，主要分为以下几部分：（1）机器人配置服务：主要完成系统配置、任务配置、控制调度、任务管理、告警管理、日志管理等功能，同时提供对外接口；（2）机器人控制服务：与AGV进行通信，完成机器人的任务分配、路径规划、充电管理等功能；（3）告警管理服务：查询和统计告警日志、设备运行数据、设备标定数据；（4）监控客户端：完成对所有设备的运行监控、控制干预、告警监控、任务监控以及异常时进行人工干预控制；（5）呼叫客户端：根据实际业务需求，对接机器人控制服务，实现调度任务下发。
图10 物流机器人交通管理系统
1.物流机器人市场规模持续增长
近年来，我国移动机器人（AGV/AMR）市场规模呈现持续增长的态势，移动机器人在工业自动化、智能工厂、物流仓储和光伏新能源等领域的应用正在不断扩大。随着中国制造业转型升级加速以及智能物流技术发展，物流机器人市场将会迎来更多的发展机遇。
2.物流机器人市场竞争格局形成
目前国内物流机器人企业数量众多，但品牌竞争格局已基本形成，主要有三种主力玩家：专业物流机器人厂家、传统叉车厂家和物流系统集成商。
其中，以海康机器人、极智嘉、海柔创新、快仓等为代表性的专业物流机器人厂家，基于领先的机器人产品和人工智能技术，可实现高度柔性和智能的物流自动化解决方案；杭叉、合力、中力、诺力等传统叉车厂家，具有强大的生产加工能力和销售渠道，主要将物流机器人作为传统业务的补充，实力也不容小觑；今天国际、昆船智能、兰剑智能、井松智能等物流系统集成商，通过组建物流机器人事业部或者子公司的方式，都在积极研发制造各种物流机器人，并主要用于自身物流系统集成项目的配套，也占有一定的市场比例。
3.软硬件实力与竞争优势提升
国产移动机器人的软件实力和硬件实力逐渐增强，并得到国内外市场验证和客户认可。
在软件方面，从机器人控制系统RCS、导航算法、集群调度到混合调度，各移动机器人厂家均可实现自研，并不断升级迭代，来满足更高、更快、更智能的客户需求。
在硬件方面，机械本体几乎完全实现国产化，从而带动舵轮、双差速轮和液压系统供应链的发展和完善，也基本实现国产化。车载控制器也从最初的依赖国外进口到目前的自研自制，头部移动机器人厂家都具备自研能力，也有体量较小的移动机器人厂家集成国产品牌。导航激光和安全雷达技术领域也不再是国外品牌的天下，国产品牌市场占有率超过50%，国内市场的高速发展，也培育出一些优秀的国产品牌，比如万集、兴颂、雷神、科力等。
相较而言，国产移动机器人的竞争优势明显，主要体现在以下三个方面：
（1）高性价比
与国外友商相比，在同样产品和同样性能的前提下，国产移动机器人一定是价格最低的，而且是比欧美友商的价格低2～3倍，大幅缩短了客户的投资回报周期。
（2）客制化强
针对客户的需求和痛点，国产移动机器人厂家可进行软件定制和硬件定制，比如同一场地不同品牌移动机器人的混合调度软件，针对小件电商包裹的分拣机器人，针对室外跨车间转运的牵引机器人，针对锂电池极卷搬运的双举升机器人和单悬臂机器人，针对码头集装箱转运的重载移动机器人等等。
（3）快速迭代
移动机器人导航技术，从磁钉磁条和二维码的固定导引，到激光SLAM导航，再到视觉导航，在短短十年内经历三次迭代升级。在国内市场，可以看到各种导航方式的移动机器人在各个车间内外自动完成物料的搬运作业，同时也带动着产业链上下游的快速发展与迭代。
随着我国工业智能化步伐加快，物流机器人的应用水平得到飞速提升，在电商物流、汽车及零部件、新能源、3C电子及食品医药等行业表现较好，特别是以光伏和锂电为主的新能源行业市场增长较快。而伴随物流机器人技术发展和应用场景不断拓展，物流机器人的应用前景也将更加广阔。展望未来发展趋势，主要体现在以下几方面：
1.基于物联网和人工智能技术的机器智慧
物流机器人装备需要具备三方面能力：状态感知、实时决策和准确执行，而物联网技术、人工智能技术和机器人技术恰好可以对应“感知”“决策”和“执行”这三个方面。
未来的高性能物流机器人一定不仅仅是单纯的硬件升级，而是集上述三种技术的综合体，让数据自由地流动，让算法指挥硬件发挥最大的效能。如基于机器视觉和深度学习的导航技术，利用激光雷达和机器视觉对周边环境进行扫描，生成点云图像数据，通过深度学习算法对图像或视频数据进行训练，实现物流机器人对环境的感知和自主导航，利用多种传感器融合技术，实现物流机器人对环境的全方位感知和检测，利用自然语言处理技术，实现人机语音交流与交互，提高人机交互效率。人工智能技术的发展，也将为物流机器人提供更加精准的决策支持，提高物流机器人的自主性和适应性。
未来的物流机器人将越来越具备感知和学习能力，通过传感器、相机等设备获取数据，通过机器学习和深度学习等技术进行数据处理和分析，提高物流机器人的感知能力和学习能力，使其更加智能和自主，具备拟人化的机器智慧。
2.基于混合调度的大规模集群调度能力
在企业发展的过程中，因为发展阶段和使用场景的原因，导致同一企业会在不同车间使用不同品牌的物流机器人产品，随着企业规模扩大和生产工艺调整，需要在同一场地内使用同一套调度系统实现对不同品牌、不同型号的物流机器人进行调度，这就要求调度系统具有混合调度能力和大规模集群调度能力。特别是在具有行业垄断地位的头部企业，这种需求更加明显。
当一个应用场景存在多类型、多品牌的产品共同作业时，每个供应商都有各自特定的调度管理软件，这导致应用厂家不仅前期需要花费大量的人力物力投入，而且在使用中互操作性差，同时也会遇到后期维护成本加大等一系列问题。推动多机协作、多品牌调度，已成为行业发展大趋势，也是未来中国物流机器人在全球竞争中脱颖而出的关键突破口。这就需要机器人能够不断学习、不断修正自身策略，人工智能算法将在其中扮演重要角色，让整个系统不断优化，群体智能化程度越来越高。
3.基于大规模定制模式下的柔性生产
在大规模定制化生产模式下，物流机器人可为企业带来诸多实际效益，主要包括：（1）搬运效率的大幅提升。在智能工厂利用物流机器人实现自动化搬运，可提升生产物流效率，消除运输作业失误，物流机器人内置的安全装置可防止危险事件发生的同时不会影响其他交通；（2）节省投入和运维成本。使用物流机器人进行重复的物料搬运可大幅降低产品、材料和场地方面的损耗，并保证作业环境安全，无人搬运作业可减少劳动力成本投入，并可减少库内照明、温度调节等产生的能源消耗；（3）柔性化搬运，适应多场景。在离散型制造工厂和复杂的仓储作业环境中，柔性化的智能物流搬运解决方案更有优势，物流机器人不仅能满足点对点自动搬运，还能实现对接多个生产环节、物流运输设备、无人化仓储等作业要求。
物流机器人具有自动化程度高、安全、灵活、高柔性、离散化等特点，不仅能够改变传统的物料输送形式，代替部分传统输送和搬运设备，还可通过与WMS、MES等信息系统集成，实现自动化搬运管理，提高生产物流环节的效率与灵活度，同时降低劳动力强度与人工成本，助力生产型企业实现车间和工厂的智能化升级改造。因此，在大规模定制化生产模式下的智能工厂，物流机器人将成为厂内物流的主力军。
4.基于国内供应链的国际化市场开拓
近年来，众多物流机器人生产商的入局，推动物流机器人技术快速迭代及应用领域不断拓展。纵观全球，我国有着丰富的物流机器人应用场景，可以培育更多的机器人技术与产品。
目前，我国的物流机器人技术与工程应用已在全球范围内处于领先地位，仅产业链上游的某些核心零部件（如导航传感器和激光雷达等）还与国外品牌有些差距。随着国内厂家开始大量使用国产替代品牌并取得令人满意的使用效果，中国物流机器人已具备长足发展的各类条件，并且越来越多的核心器件、软件和系统正在加速国产化，补足“短板”之后的中国物流机器人，在国际市场上的话语权将进一步提升。
海外市场的广阔，是驱动国内物流机器人“走出去”的直接因素；而技术的逐渐成熟，则是物流机器人企业走向海外的基础。伴随物流机器人在国内的规模化应用，大部分企业已经积累一定经验并沉淀出自己的技术体系，这样更有利于在国外市场的规模化应用。
编辑、排版：罗丹
本文内容源自《物流技术与应用》2024年机器人增刊(点击可查看掌上电子刊)，有删改。
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