中国物流移动机器人核心配套件发展综述|物流机器人核心配套件专题(一)

近几年来,市场需求的不断增加,不仅推动了中国物流移动机器人产业的快速发展,也促进了国内核心配套件供应链细分市场的逐渐形成。本文站在行业高度,对组成物流移动机器人的核心配套件(硬件+软件)作了分类介绍,对其市场情况和技术趋势进行了分析,并对产业链的未来发展模式,以及如何实现健康、可持续发展提出了建议。

一、中国物流移动机器人(AGV/AMR)产业发展概述

物流移动机器人是AGV(Automated Guided Vehicle)及AMR(Autonomous Mobile Robot)的统称,是实现柔性制造、装配及自动化物流输送的关键设备之一。近几年来,随着国家“制造强国”战略及智能制造政策的不断推进与实施,提升和改造传统产业,提高装备自动化和智能化水平,已成为企业实现高质量发展的迫切需求,从而促进了物流移动机器人市场需求的不断上升,推动了产业的快速发展。

我国的物流移动机器人产业的规模化发展在2012年初现端倪,由于电商和快递业的爆发式增长,催生了产业的蓬勃发展,物流移动机器人从传统的搬运、装配扩展到了仓储、分拣、配送等各个环节;从辅助装备变身为关键工艺装备;从汽车、烟草、化工等制造行业延伸到电商、快递、停车等服务行业。

物流移动机器人产业的快速发展,一方面是促进了技术进步,新方法、新模式层出不穷;与新一代信息技术的融合,使物流移动机器人系统的感知能力、自主决策能力得以提升,智能化水平显著提高。另一方面是以政策与市场为导向的资本大量涌入,催生了大量新企业,产业规模迅速扩大。据移动机器人产业联盟(简称“联盟”)的数据显示,在2012~2020年的八年中,以融资方式进入产业的资本总额超过了80亿元,国内物流移动机器人企业由不足15家猛增到220余家,年均增速超过40%;至2019年,几乎所有的叉车企业都加入到了此行列中,很多大型企业也新建或扩充专业装备公司,来满足企业自身对该类装备的需求。中国物流移动机器人的产业规模由原来不足5亿元/年,到2020年已增至76.8亿元,年均增长率也超过了40%,且目前依然保持着强劲的增长势头,2020年生产规模超亿元的企业有24家。

从企业布局来看,大致分成了两大阵营:一类是立足行业,即从用户的实际需求出发,分析不同行业的具体工艺及装备,实现产品定制化服务,做到“吃啥有啥”,此类产品在制造业生产工艺中表现突出,但大规模发展的可能性小。另一类是立足产品,即在工艺模式上有自己的创新理念,更多是将新的工艺模式及产品理念推广给用户,实现产品标准化服务,做到“有啥吃啥”,产品在仓储物流领域的应用中表现尤为突出,易于实现大规模发展。

产业的快速发展令人欣喜,但引起的问题也不容忽视,这些问题涵盖了市场营销、产品标准、服务网络等各个方面。为此联盟在2019年提出建设标准体系,并于2020年底发布了由60余家企业参与起草的“工业应用移动机器人”6项通用团体标准,其目的就是要加强企业自律行为,促进产业健康、可持续发展,达成企业共识——加强产品规范,明确产品定位,帮助用户清晰需求范围,加强自身保护。同时也期望通过标准的贯彻实施,能够加快推动产业“从有到优”的发展步伐,实现产业的高质量发展。另外,要让更多企业逐渐形成共存、共生、共赢的意识,不仅在项目上谋求相互合作、相互兼容,也期望尽快建立完善服务网络,共同维护好产业市场。

分三步走的“制造强国”战略一直到2045年,在未来十年,传统产业转型升级的需求依然旺盛,依然是移动机器人产业发展的良好时期。笔者认为:企业整合、供应链细分将是未来的发展趋势;在国家“两业融合”政策驱动下,产品制造与设备运营一体化的商业模式会越来越明显;专注营销和产品服务的公司会越来越多;在技术层面上,依托5G技术的“云化”调度方式将会被用户逐渐接受,系统支持远程运维、预防性维护等技术将会被关注。

二、物流移动机器人核心配套件分类

物流移动机器人系统由固定部分与移动部分组成。其中,固定部分即地面系统(Stationary system),包括上位调度系统、导航系统、充电系统及通信系统;移动部分即为移动机器人单机,包括车体、驱动装置、导航装置、通信装置、车载控制系统、安全防护装置、执行机构等,如图1所示。

 

图1 物流移动机器人系统组成

物流移动机器人上位调度系统是根据业务流程对多台移动机器人进行任务优化排序,车辆动态分配、路径动态规划,在不同的应用中,采用的调度策略各不相同;地面导航系统为移动机器人提供导航定位信号,即根据不同的导航方式,在运行区域地面或周围布置相应的导航标识,机器人通过识别标识实现主动导航定位。也有不常用的被动导航系统,即由地面导航系统直接确定单机位姿;供电系统是为物流移动机器人提供或补充动力的系统,根据单机不同的供电方式进行设备数量及能力配置;通信系统是用于上位调度系统与移动机器人之间,调度系统与其他相关外围系统及设备之间的信息交互,可采用不同的传输方式(有线、无线、红外、载波等)。

物流移动机器人车体即机械本体,是移动机器人的基础构件,依据承载物料的重量、尺寸等条件设计制造;驱动装置是实现物流移动机器人行驶及转向的机械装置的统称,除电机、减速箱、驱动轮等主要传动部件外,还包括伺服控制器及其附属的传感器件;导航装置即移动机器人获取导航定位信号的传感器,不同的导航方式采用不同的传感器;车载控制系统是控制移动机器人手动或自动行驶的硬件及软件的总称,主要负责实现导航计算、路径跟踪、运动控制等功能;电源装置是移动机器人的动力源及附属装置的总称,一般是指蓄电池(铅酸、镍氢、镉镍、锂离子等)及车载充电连接装置,也有特殊应用的其他方式,如:超级电容、感应式(无接触)供电等;安全防护装置是物流移动机器人实现主动防护的关键装置,包括接触式与非接触式。

由系统组成来看,物流移动机器人核心配套件(硬件及软件)主要包含了以下部件、器件及软件:

  • 机械类:机械本体(车体)、驱动总成、执行机构等;
  • 电气类:蓄电池、无接触供电(CPS)套件、充电设备、无线通信设备、车载控制器、伺服驱动器、激光雷达、卫星定位组件、惯性导航组件、RFID读取器、二维码读取器、磁/电磁传感器等;
  • 软件类:上位调度、系统监控、车载控制、规划工具、配置工具等。

三、国内物流移动机器人核心配套件市场发展

产业的长远发展必须立足于自主创新,摆脱对国外技术和产品的依赖是中国物流移动机器人产业健康稳步发展的必经之路。近5年尤其是中美贸易战升级以来,随着国内物流移动机器人产业的快速发展,包括核心配套件在内的产业生态圈已逐渐形成,细分的供应链市场不断完善壮大,自主技术的国产配套产品已基本涵盖了整机生产各个方面。

1.发展阶段及其特点

国产自主技术物流移动机器人从一开始就走上了类似欧美的技术路线,在1990年代,开启了自主技术的研发与应用,最先被掌握的是控制软件以及少量用于磁带或电磁导航的专用传感器,再者就是能够直接被采用的国产蓄电池和充电机。限于当时的年产量,很多硬件并没有进行产品化,常以简陋的PCB板直接面对用户。而包括车载控制器、激光雷达、驱动总成、伺服控制器在内的主要部件仍然依赖进口,使整机成本居高不下。

2003年左右,随着国内汽车工业的蓬勃发展,基于日本技术理念的简易型移动机器人开始在中国市场出现,其简易的应用模式更适合汽车总装流程的原料配送,加之价格低廉、易于部署、易于操作等优势,很快被国内汽车厂采用,物流移动机器人产业规模得到了一定的发展,与之相配套的核心部件,如:差速驱动转向架(含伺服控制器)、磁带导航传感器、基于单片机的车载控制器得到发展,形成了小规模的市场。

2012年后,随着高速发展的电商对物流时效性要求不断提升,随着工业4.0成为制造业发展趋势,由于国家政策的导向,物流移动机器人从几乎不为人知的小众产品一跃成为“智能制造”新宠儿,同时在资本的驱动下,新兴公司不断涌现。据联盟2020年数据显示,在250余家核心配套件企业中,涉及激光雷达的有27家,涉及驱动部件、电机及伺服控制器的有35家,涉及通讯类产品的有7家,涉及蓄电池的有50余家,涉及充电设备的有20余家……核心配套件供应链细分市场逐渐形成。

2015年后,传统的叉车企业逐渐感受到了市场的变化,采取集成技术或自主研发的方式进入物流移动机器人领域,此类企业不仅能够提供整机产品,还可以为其他企业定制生产专业的叉车车体(机械本体),通过合理配置,将工业车辆的伺服驱动、轮系布置、液压举升等技术应用到了产品中,一举改变了叉车整机改装的局面,减少了浪费,大幅度降低了物流移动机器人企业的设计制造成本。配合叉车企业的变化,部分叉车配套厂家同样看到了机会,设计制造了各种专用驱动总成,打破了长期依赖国外(德国、意大利)进口的局面,加之低压交流电机在叉车行业的推广以及伺服控制技术的进步,使得同类产品的售价低于国外进口的二分之一。

 

进口高举升叉车整机改装

 

国产定制叉车车体

2.从主要配套件看技术进步

在移动机器人系统中,上位调度系统及车载控制系统软件最能体现系统核心技术。随着应用模式的不断增多,调度系统的应用策略也在不断完善丰富,从流程型、节拍型、到离散型的行业,从串联型、并联型、到混联型的系统,都有了切实的应用案例。随着各行业智能制造的深入推进,调度系统不再是传统意义的任务管理、车辆分配与交通管理,而是赋予了更多的内容,以促使“智能生产”与“智能物流”相互融合。为此,移动机器人企业通常会对目标行业进行深入研究,构建一套适合行业工艺特征的调度系统,成为行业技术壁垒乃至核心竞争力。也正因如此,包括国外先进公司在内,均无法提供包打天下的调度系统。近两年来,车载控制系统在硬件技术不断进步的情况下,控制水平也在节节攀升!从无反射板激光导航到视觉导航,从高位存取到多层叠放,从自动避障到自动装卸……智能化水平不断提升,部分技术超越了国外先进水平。国内还出现了以提供核心技术为主、整机业务为辅的技术型企业,以调度系统软件、车载控制硬件及软件为主要产品。

在电气类配套件中,笔者印象最深的是激光雷达和北斗卫星定位技术。2002年前应用的激光导航技术还只是基于测角,并没有飞行时间(TOF-Time of Flight)测距技术,在当时已经掌握光学原理以及测角定位算法的基础上,国内依然找不到一家企业能够生产激光雷达,无论是激光二极管、砷化镓传感器,还是高精密的码盘都达不到要求。但国内技术发展到今天,国产激光雷达产品系列丰富,单线型、多线型应有尽有,产品不仅能够满足非接触安全防护的需求,更能满足反激光导航要求,其角度分辨率与测距精度都已达到了国外同类产品的水平,彻底打破了国外垄断的局面。部分企业还根据自身产品的特性,开发集成了激光导航定位算法,降低了整机企业的开发难度。另外就是北斗卫星定位技术,2015年,仅依靠我国北斗卫星定位系统及地面差分站,笔者亲眼目睹了12米长、2.5米宽的室外重载AGV,在承载120吨的情况下,单机重复定位精度小于5cm,运行覆盖范围可达10km。国内目前至少有4家企业能够提供类似的北斗卫星地面导航系统及其硬件产品。二十年前,一个用于导航的进口单轴压电晶体陀螺(Gyroscope)比控制器还贵,而在今天,惯性器件(IMU-Inertial Measurement Unit)完全能够集成在控制器中,而整个控制器的价格仅为当年进口陀螺的1/3左右。

 

北斗卫星导航应用在室外AGV

 

国产大功率驱动总成应用在重载 AGV

在通信技术方面,从4800bps的射频(RF-Radio Frequency)通信发展到了百兆计的WiFi通信,又发展到了目前的5G通信,无论是在数据量和实时性上都有了极大的提升,再也不用为AP切换、无线漫游、通信丢失等非本专业问题而苦恼了。在复杂项目实施时,还能够得到专业通信公司提供的帮助,大大降低了系统部署难度。

除以上谈及的主要配套件外,其他的配套器件在技术上也都取得了长足进步,如:UWB无线定位技术能够解决人机混行交通安全问题;无接触的充电技术能够解决洁净区域的充电问题;驱动装置的承载能力和牵引能力也不断攀升,蓄电池的能量比也越来越高……,硬件技术提升以及成本降低,更加拓宽了产品应用范围。

总体来看,国内核心配套件市场逐渐趋于完善成熟,核心技术自主可控,产品质量不断提升,销售价格稳中有降,从根本上推动了物流移动机器人产业的快速发展。

四、从产业视角看核心配套件技术发展趋势

产业发展到今天,其实很多核心配套件企业已经不仅仅是传统意义的供应商了,他们的技术在向下游延伸,更像是整机企业的技术支持者:驱动总成企业可以根据移动机器人的承载指导设计选型,运行速度、转向角度也可以由伺服控制器独立完成,其精度及响应时间都优于来自车载控制器的闭环控制;导航产品企业更是能够根据自身产品的特性,开发导航定位算法,将位姿信息直接提供给车载控制系统,控制器不再需要进行复杂计算,降低了车载控制系统的复杂度……种种迹象表明,未来移动机器人产业会像汽车、叉车产业一样,不仅是简单的产业细分,更是会向着“让专业的企业做专业的事”这个方向发展,整机生产企业或许会更像总装厂,不再需要掌握全部技术,这就会极大降低生产制造的技术门槛。同时,这也将给传统移动机器人企业带来新的挑战。

笔者认为,随着产业规模的继续扩大,物流移动机器人必然会以标准化、可配置化的产品来应对定制化的市场。为此,核心配套件的硬件接口将更加标准,控制软件将更加可配置,业务层的数据传递及表达将更加统一,核心技术也将更加细分。这些变化,一方面能够聚集多方力量,减少研发风险,提升产品质量,降低生产成本,增强应对市场的能力;但另一方面,产品同质化的风险将会加剧,市场竞争更加激烈,利润空间会被进一步压缩。

总之,前景可期,但道路依然坎坷!笔者建议:中国物流移动机器人产业的发展需要更多的专业人才,加大技术及技能人才培养应该成为高校、企业的长期规划;所有企业都应重视标准的贯彻执行,这是控制产品质量与成本的重要手段,也将成为用户手中的“尺子”;应高度重视产品运行的安全性和可靠性,共同维护好产业信誉;应尽快建立起完善的售后服务体系,实现类似汽车4S店模式的本地化服务;系统的智能化水平仍需继续提升;应对非常规环境(无法满足人类活动的作业环境,如防爆、辐射、高低温等)的产品技术有待提高。

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文章来源|云南昆船智能装备有限公司、中国船舶集团高级专家杨文华

 

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