基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统及输送方法与流程

本公开涉及仓储领域，具体涉及一种基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统及输送方法。

背景技术：

最近几年，多层穿梭车仓储系统受到广大电商平台的青睐，多穿系统以其高存储密度和高拣选效率，展示出不同于自动化立体仓库的独特优势。

现有的多层穿梭车仓储系统由货架、穿梭车、提升机以及输送线系统组成，每一层均有一辆穿梭车。以执行出库作业为例，该层穿梭车水平运行到相应出库货位，利用自身货叉取出库存箱，然后水平运行至该层首列向提升机申请调度服务，提升机响应该调度服务请求，垂直运动至该层，进而与穿梭车完成库存箱交换，再由提升机将货物单元运送到i/o站台，由输送线将货物运至拣选台。主要优势是可以灵活分配不同数量的穿梭车和提升机，主要缺点是持续的垂直和水平行进的流动路径。当出入库频繁时，连接提升机i/o台和拣选台的输送线，经常由于提升机任务过多或输送线自身故障造成堵塞，再加上服务设备等待时间，导致作业时间增加。

综上所述，目前对于如何避免输送线堵塞产生的等待时间，减少设备的等待时间的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统及输送方法。

本公开所采用的技术方案是：

一种基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统，该系统包括：用于存放货物的立体仓库、用于运输货物的仓储机器人以及用于实现货物存取控制的仓储智能控制系统。

进一步的，所述立体仓库由多层仓库构成，每层仓库包括货架、位于货架一侧的巷道、位于货架上的若干个存储单元和位于货架每个存储单元上的库存箱，所述立体仓库的下部设置有i/o站台；每层仓库的每条巷道上配置有穿梭车。

在每列货架上设置有用于货物入库的入库提升机和用于货物出库的出库提升机，在每层仓库与入库提升机的衔接处设置有入库缓存区，在每层仓库与出库提升机的衔接处设置有出库缓存区。

进一步的，所述仓储机器人包括机器人主体以及设置在机器人主体上的控制装置，所述机器人主体包括底盘和设置在移动底盘上的货架；所述货架包括纵向伸缩臂和固定安装在纵向伸缩臂两侧的两组货位。

所述控制装置包括：用于控制所述仓储机器人工作的中央处理器；依据所述中央处理器的命令驱动所述仓储机器人工作的电机驱动单元；用于引导所述仓储机器人沿目标轨迹移动的红外传感器；用于识别底层缓冲区的条码数据的条码读取器；用于检测仓储机器人行进中的障碍物位置的超声波传感器；用于为仓储机器人提供工作电源的电源管理单元，用于判断货架上的货位是否空置的压力传感器，和用于建立仓储机器人与外部控制所述仓储机器人的仓储机器人驱动模块之间的通信连接无线通信单元；所述红外传感器、超声波传感器、压力传感器、电源单元和无线通信单元分别连接至所述中央处理器。

进一步的，所述仓储智能控制系统包括仓储控制服务器、穿梭车执行模块、提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块；所述仓储控制服务器通过通信单元连接穿梭车执行模块、入库提升机驱动模块、出库提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块，用于向穿梭车执行模块、入库提升机驱动模块、出库提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块发送任务信息。

一种基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送方法，该方法包括以下步骤：

根据操作指令生成拣选任务信息；

对拣选任务信息进行处理，解析出对应的穿梭车任务信息、对应的提升机任务信息和对应的仓储机器人输送任务信息；

检测穿梭车是否处于空闲状态，若穿梭车忙碌，将穿梭车任务信息存储到穿梭车任务列表中，等待穿梭车；若空闲，穿梭车响应请求，穿梭车执行模块控制相应的穿梭车从停靠处运行至穿梭车任务请求的地址，进行取货操作，取出库存箱后，将库存箱运送至出库缓存区，若出库缓存区已满，穿梭车等待缓存区留出空位，否则穿梭车将出库箱放在缓存区；穿梭车搂取入库缓存区的库存箱运至指定回库地址并放下。

检测出库提升机是否处于工作状态，若出库提升机空闲，出库提升机响应请求，控制出库提升机将出库缓存区库存箱送至i/o站台的缓存区，若i/o站台的缓存区已满，出库提升机等待缓存区留出空位，否则出库提升机将库存箱放在缓存区，等待仓储机器人作业；

检测所有待仓储机器人是否处于工作状态，若存在仓储机器人空闲，仓储机器响应请求，控制仓储机器人将行驶至任务请求所在的i/o口处，将i/o站台的缓存区的库存箱送至拣选台。

进一步的，还包括：

建立开环排队网络模型，计算订单服务时间和设备等待时间。

所述设备等待时间的计算方法为：

将开环排队网络分为穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台四个队列；

计算穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台的订单到达到率和服务率；

采用allen方法计算穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台的平均队列长度；

根据利特尔公式计算每个服务机构的平均等待时间，包括穿梭车服务订单产生的平均等待时间，提升机服务产生的平均等待时间，仓储机器人服务产生的平均等待时间，拣选台服务产生的平均等待时间。

进一步的，还包括：

通过改变订单到达率和仓储机器人数量，分析不同场景下订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率，得到仓储机器人的数量最优值。

本公开的有益效果是：

(1)在系统出入库能力有限的情况下，本公开的基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统具有较大的灵活性，可以通过使用仓储机器人并在一定范围内增加仓储机器人数量降低订单服务时间，提高拣选效率；

(2)本公开的多层穿梭车仓储输送系统中当订单到达率(单位时间订单达到量)不变时，仓储机器人数量存在最优值，当达到最优时，仓储机器人数量的增加对系统效率不会产生影响。

(3)本公开建立开环排队网络模型，分析订单服务时间、设备等待时间、设备利用率等系统性能，并总结订单到达率、仓储机器人数量对系统性能的影响规律，从而在满足订单时效要求的情况下，达到效率与成本的平衡。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。

图1是多层穿梭车仓储输送系统的结构图；

图2是多层穿梭车仓储输送方法的流程图；

图3是开环排队网络模型的结构图；

图4是a场景仓储机器人数量变化对订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率的影响示意图；

图5是b场景仓储机器人数量变化对订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率的影响；

图6是c场景仓储机器人数量变化对订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率的影响。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术介绍的，目前的多层穿梭车仓储系统存在输送线拥堵，导致库存箱在输送线上的停留时间较长的问题，为了解决该技术问题，本公开提供一种基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统及输送方法，解决输送线带来的拥堵问题，减少库存箱在输送线上的停留时间，提高拣选效率。

一种或多种实施例提供一种基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统，如图1所示，该系统包括立体仓库1、穿梭车2、入库提升机3、出库提升机4、仓储机器人5和仓储智能控制系统。

具体地，所述立体仓库1由多层仓库构成，每层仓库包括货架、位于货架一侧的巷道、位于货架上的若干个存储单元和位于货架每个存储单元上的库存箱，每层仓库内的货物存放在库存箱中，每层仓库的每条巷道上配置一辆穿梭车2，穿梭车2行走于巷道中，用于货物的入库和出库。

在本实施例中，所述存储单元可为货位。

所述货架为5—20层，每一层货架上具体2—100个货位，每一列货架具有10—100个货位。

在每列货架上设置有用于货物入库的入库提升机3和用于货物出库的出库提升机4，入库提升机3与出库提升机4位于货架同一侧，入库提升机3将货物提升至每层仓库的入库缓存区，出库提升机4将出库缓存区的库存箱运至i/o站台。通过上升提升机3和下降提升机4实现库存箱跨层移动。

在每层仓库与入库提升机的衔接处设置有入库缓存区，入库缓存区包含1—4个货位，在每层仓库与出库提升机的衔接处设置有出库缓存区，出库缓存区包含1—4个货位。

所述仓储机器人，用于将i/o站台的库存箱输送至拣选台。所述仓储机器人包括机器人主体以及设置在机器人主体上的控制装置，所述机器人主体包括底盘和设置在移动底盘上的货架，仓储机器人的底盘可以360度全方位旋转，将目标货位旋转至目标方位；所述控制装置包括：用于控制所述仓储机器人工作的中央处理器；依据所述中央处理器的命令驱动所述仓储机器人工作的电机驱动单元；用于引导所述仓储机器人沿目标轨迹移动的红外传感器；用于识别底层缓冲区的条码数据的条码读取器；用于检测仓储机器人行进中的障碍物位置的超声波传感器；用于为仓储机器人提供工作电源的电源管理单元，和用于建立仓储机器人与外部控制所述仓储机器人的plc控制柜之间的通信连接无线通信单元；所述红外传感器、超声波传感器、电源单元和无线通信单元分别连接到所述中央处理器。

仓储机器人的货架由纵向伸缩臂和1—6个货位组成，纵向伸缩臂位于机器人本体中间，货位平均分配于纵向伸缩臂两侧，伸缩臂每侧固定设置有1—3个货位，每个货位由辊式输送线组合而成，通过纵向伸缩臂的上下伸缩实现货位上下移动。当机器人运行至i/o站台或拣选台处时，将货位通过纵向伸缩臂调整到i/o站台或拣选台高度，实现库存箱在水平面上从i/o站台到仓储机器人货位或仓储机器人货位到提升机的输送。在每个货位上分别用于判断货位是否空置的压力传感器，所述压力传感器和纵向伸缩臂分别与中央处理器连接。

在仓储搬运机器人即将前进的运行轨迹上，可以事先设置黑条带，便于红外传感器识别路径，这样可以降低仓库的前期轨迹布局难度。在至少一个实施例中，所述红外传感器的数量为4个，且感应距离的调节范围在3cm至80cm，这4个红外传感器可均匀分布在仓储机器人的前端，保证仓储机器人寻迹准确。

当该超声波传感器检测到仓储搬运机器人行进前方有障碍物时，及时告知中央处理器，以便中央处理器及时控制电机驱动单元改变运行线路，避免撞上障碍物。

在至少一个实施例中，所述电机驱动单元包括伸缩电机驱动模块，用于抬升库存箱以实现库存箱的搬运；减速电机驱动模块用于驱动仓储机器人运动。

通过无线通信单元可以较方便地实现仓储机器人与外部控制器之间的通讯，完成启动、停止和目标信息交互等功能。在至少一个实施例中，无线通信单元具体采用cc2530的zigbee无线模块，有利于进一步提升操作者操作外部控制器时的自由度，扩大控制范围。

所述电源单元用于给仓储机器人供电。在至少一个实施例中，所述电源单元包括主电池和备用电池，中央处理器监测主电池的电量，判断所述主电池电量是否低于预设值，若主电池电量低于预设值，则启动备用电池供电，并向仓储智能控制系统发送充电请求，仓储智能控制系统将空闲的且电量满足要求的充电位置信息发送给仓储机器人的中央处理器，中央处理器控制电机驱动单元驱动仓储机器人移动到充电位置。

在至少一个实施例中，中央处理器1具体采用单片机，有利于进一步提高智能化控制程度，进一步提高工作效率。

在至少一个实施例中，该仓储机器人为轮式仓储机器人。

所述仓储智能控制系统包括仓储控制服务器、穿梭车执行模块、提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块。

所述仓储控制服务器，通过通信单元连接穿梭车执行模块、入库提升机驱动模块、出库提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块，用于向穿梭车执行模块、入库提升机驱动模块、出库提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块发送任务信息。

穿梭车执行模块，用于接收仓储控制服务器发送的任务信息，解析出穿梭车任务信息，控制相应的穿梭车对货物进行存货或取货操作。

提升机驱动模块，用于接收仓储控制服务器发送的任务信息，解析出提升机任务信息，控制相应的入库提升机对入库缓存区的货物进行存货操作；以及控制相应的出库提升机对出库缓存区的货物进行取货操作。

仓储机器人驱动模块，用于接收仓储控制服务器发送的任务信息，解析出仓储机器人输送任务信息，控制仓储机器人对i/o站台缓存区的货物进行取货操作。

在至少一个实施例中，所述通信单元采用以太网交换器，所述穿梭车执行模块、入库提升机驱动模块、出库提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块分别采用plc控制柜。

在上升提升机、下降提升机和仓储机器人上分别设置有条码读取器，用于识别货物上的条码。

如图2所示，本实施例提出的基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统的工作方法为：

s101，仓储控制服务器下发拣选任务信息，穿梭车执行模块、提升机驱动模块和仓储机器人驱动模块接收拣选任务信息，解析出对应的穿梭车任务信息、对应的提升机任务信息和对应的仓储机器人输送任务信息。

s102，穿梭车执行模块检测穿梭车是否处于空闲状态，若穿梭车忙碌，将穿梭车任务信息存储到穿梭车任务列表中，等待穿梭车；若空闲，穿梭车响应请求，穿梭车执行模块控制相应的穿梭车从停靠处运行至穿梭车任务请求的地址，进行取货操作，取出库存箱后，将库存箱运送至出库缓存区，若出库缓存区已满，穿梭车等待缓存区留出空位，否则穿梭车将出库箱放在缓存区。

穿梭车在执行出库作业的同时会执行入库作业，即将出库箱放在缓存区后，搂取入库缓存区的库存箱送回至指定回库位置。

所述步骤102的具体实现方式为：

s102-1，寻址过程：穿梭车响应任务请求，检索任务请求的地址，由停靠处运行至商品存储位置；

s102-2，输送过程：穿梭车到达任务请求的地址后，进行取货操作，取出库存箱后，运送至出库缓存区；

s102-3，回库过程：穿梭车从入库缓存区搂取库存箱，进行存货操作，运送至相应的货位处。

s103,提升机驱动模块检测出库提升机是否处于工作状态，若出库提升机空闲，出库提升机响应请求，控制出库提升机将出库缓存区库存箱送至i/o站台的缓存区，若i/o站台的缓存区已满，出库提升机等待缓存区留出空位，否则出库提升机将库存箱放在缓存区，等待仓储机器人作业。

所述步骤s103的具体实现方式为：

s103-1，寻址过程：出库提升机由停靠处(一般为i/o站台)运行至任务请求层；

s103-2，输送过程：出库提升机将出库缓存区的库存箱送至i/o站台的缓存区。

s104，仓储机器人驱动模块检测所有待仓储机器人是否处于工作状态，若存在仓储机器人空闲，仓储机器响应请求，控制仓储机器人将行驶至任务请求所在的i/o口处，将i/o站台的缓存区的库存箱送至拣选台。

本实施例还提出一种基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统的开环排队网络模型，通过开关排队网络模型分析订单服务时间和设备等待时间。

所述开环排队网络模型由穿梭车系统、提升机系统、仓储机器人系统和拣选台系统组成，如图3所示。

通过开关排队网络模型求解穿梭车系统、提升机系统和仓储机器人系统的订单服务时间的步骤包括：

(1)穿梭车系统的服务时间

考虑设备速度和加速度等机械特性，穿梭车在第一阶段的运行时间公式为：

其中，i为任务起始位置，j为任务终止位置，cd表示穿梭车加速到最大速度经过的列数，tp表示取货或放货的时间，ws为单个存储货位的宽度，av为穿梭车的加减速度，为穿梭车的最大速度，c为存储列数。

由于订单任务随机，货位随机，因此所有列以相同概率成为该阶段起始终止位置，则穿梭车第二阶段和第三阶段服务时间相等，即：

则穿梭车系统的服务时间为：

同理，仓储机器人系统服务时间的求解方法与穿梭车系统的服务时间一致，在本实施例中不再赘述。

(2)提升机系统的服务时间为：

由于任务请求的随机性，提升机两阶段的服务时间相等，所以提升机的服务时间由以下公式表示：

其中，i为任务起始位置，j为任务终止位置，td表示提升机加速到最大速度经过的层数，tp表示取货或放货的时间；hs为单个存储货位的高度；al为提升机的加减速度；为提升机的最大速度。

通过开环排队网络模型求解设备等待时间的步骤包括：

(1)将开环排队网络分为穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台四个队列。

(2)计算穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台的订单到达到率和平均服务率；

穿梭车的订单到达率为：

其中，a为系统存储巷道数，t为存储层数，λ为订单到达率(单位时间订单达到量)。

穿梭车平均服务率与自身的服务时间分布有关，为：

提升机和仓储机器人的订单到达率分别为：

其中，a为系统存储巷道数，m为仓储机器人数量，λ为订单到达率(单位时间订单达到量)。

提升机和仓储机器人的平均服务率由各类型订单到达率加权得出：

拣选台的订单到达率与提升机的订单到达率相同，为：

拣选台的服务率与拣选工作人员的效率有关，因此拣选台的利用率为：

穿梭车、提升机、仓储机器人的利用率为订单达到率和服务率的比值。

(3)计算穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台的的平均服务时间变异系数

(4)计算穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台的的订单到达间隔时间变异系数

(5)采用allen方法计算穿梭车、提升机、仓储机器人和拣选台的平均队列长度q；根据利特尔公式计算每个服务机构的平均等待时间，包括穿梭车服务订单产生的平均等待时间提升机服务产生的平均等待时间仓储机器人服务产生的平均等待时间拣选台服务产生的平均等待时间

本实施例还通过改变订单到达率和仓储机器人数量，分析不同场景下订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率。图4是a场景仓储机器人数量变化对订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率的影响。图5是b场景仓储机器人数量变化对订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率的影响。图6是c场景仓储机器人数量变化对订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率的影响。

通过改变订单到达率和仓储机器人数量，分析不同场景下订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率的具体实现过程如下：

(1)订单服务时间分析

由图4中(a)、图5中(a)、图6中(a)可知，相同场景下，当订单到达率较低，增加仓储机器人数量对订单服务时间的影响较小；当订单到达率逐渐上升，增加仓储机器人数量，能够有效降低订单服务时间和仓储机器人等待时间，且降低率随着订单到达率的增加呈上升趋势；当仓储机器人数量越来越多，仓储机器人数量对订单服务时间的影响越来越小，最后趋于0，此时再增加仓储机器人数量对系统而言没有价值，主要原因是当仓储机器人可以满足当前订单到达率的需求时，再增加仓储机器人数量会增加仓储机器人空闲时间，降低仓储机器人利用率，而不会减少订单等待仓储机器人产生的仓储机器人等待时间。

在a场景中，由图3中(a)可知，随着订单到达率的增加，2台仓储机器人相对于1台仓储机器人所减少的订单服务时间越来越多，若继续增加仓储机器人数量，订单服务时间下降率越来越低并趋于0，此时订单服务时间为最小值，若只考虑订单服务时间最小原则，仓储机器人数量达到最优。

同理，场景b中当订单到达率处于800—1000个/h时，6—12台仓储机器人对应的订单服务时间相差不大，且降低率基本不变；当订单到达率处于1000—1400个/h时，7台仓储机器人比6台仓储机器人节省的订单服务时间随订单到达率的增加而增加，使用8—12台仓储机器人和使用7台仓储机器人的订单服务时间相差较小并趋于一致。

场景c中当订单到达率处于1800—2000个/h时，14—18台仓储机器人对应的订单服务时间相差不大，且降低率基本不变；当订单到达率处于2000—2200个/h时，15台仓储机器人比14台仓储机器人节省的订单服务时间随订单到达率的增加而增加，使用15—18台仓储机器人的订单服务时间相差较小，且降低率基本一致；当订单到达率处于2200—2300个/h时，15台仓储机器人比14台仓储机器人节省的订单服务时间随订单到达率的增加而增加，16台仓储机器人比15台仓储机器人节省的订单服务时间也随订单到达率的增加而增加，使用16—18台仓储机器人的订单服务时间相差较小，且降低率基本一致。

(2)仓储机器人等待时间分析

由图4中(b)、图5中(b)、图6中(b)可知，当订单到达率越来越大，仓储机器人数量不变，仓储机器人等待时间随之上升，主要原因是当订单任务量增多，订单等待仓储机器人产生的仓储机器人等待时间增加；当订单到达率不变，仓储机器人等待时间随仓储机器人数量的增加不断减少。

(3)仓储机器人利用率分析

由图4中(c)、图5中(c)、图6中(c)可知，当订单到达率越来越大，仓储机器人数量不变，仓储机器人利用率随之上升；当订单到达率不变，由于仓储机器人数量的增加导致仓储机器人空闲时间增多，仓储机器人利用率不断降低。

根据订单服务时间、仓储机器人等待时间和仓储机器人利用率分析，可以得出以下结论：

当订单任务增多，订单到达率上升，基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统可以通过不断增加仓储机器人来降低系统的订单服务时间，提高系统效率，避免传统多穿系统出现的由于输送线堵塞产生的拣选瓶颈，极大程度增加多穿系统的灵活性，系统存储容量越大，订单到达率越高，仓储机器人的优势越明显，但当仓储机器人增加到一定数量，订单服务时间降低率达到饱和，此时不能再依靠增加仓储机器人数量来提高拣选效率。

在系统出入库能力有限的情况下，基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统具有较大的灵活性，可以通过使用仓储机器人并在一定范围内增加仓储机器人数量降低订单服务时间，提高拣选效率。

从以上的描述中，可以看出，上述的一种或多种实施例实现了如下技术效果：

(1)在系统出入库能力有限的情况下，基于仓储机器人的多层穿梭车仓储输送系统具有较大的灵活性，可以通过使用仓储机器人并在一定范围内增加仓储机器人数量降低订单服务时间，提高拣选效率；

(2)多层穿梭车仓储输送系统中仓储机器人数量存在最优值，当达到最优时，仓储机器人数量的增加对系统效率不会产生影响。

(3)建立开环排队网络模型，分析订单服务时间、设备等待时间、设备利用率等系统性能，并总结订单到达率、仓储机器人数量对系统性能的影响规律，从而在满足订单时效要求的情况下，达到效率与成本的平衡。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。