基于多样性包装规格冷链货品堆垛机器人的研发设计及其能效分析

基于多样性包装规格冷链货品堆垛机器人的研发设计及其能效分析

李晓华 

广州拜尔冷链聚氨酯科技有限公司

摘要：冷链物流作为现代供应链管理的关键组成部分，其效率和成本控制一直是研究的重点。传统的人工操作方式在处理多样性包装规格的冷链货品时面临着诸多挑战，如操作效率低下、成本高昂以及对环境条件的严格要求。随着技术的进步，堆垛机器人成为了解决这些问题的有效工具。本文着重研究了堆垛机器人在冷链物流中的应用，并通过人机效益对比分析其能效表现，旨在提供一种既节能又经济的解决方案。

关键词：冷链物流、堆垛机器人、多样性包装规格、人机效益对比、能效分析

1. 堆垛机器人在冷链物流中的应用现状

在当前的冷链物流领域，堆垛机器人的应用正处于一个快速发展阶段。随着技术的进步和市场需求的增长，这些机器人已经成为了提高仓库操作效率和准确性的关键。在处理冷藏或冷冻商品时，特别是在食品和医药行业，堆垛机器人展现出了其独特的价值。它们能够在低温环境下稳定运行，减少人工操作中的错误和延误。此外，这些机器人通过精准的定位和快速的移动，有效提高了货物的处理速度和仓库的存储密度。值得注意的是，堆垛机器人在保证操作精准度的同时，还降低了能源消耗和操作成本，这在传统的冷链物流系统中是难以实现的。总体来看，堆垛机器人在冷链物流中的应用现状不仅展示了其技术进步，还预示着未来物流自动化的发展趋势[1]。

2. 多样性包装规格冷链货品的特性与挑战

2.1 多样性包装规格冷链货品的特性

冷库中的货物主要以纸箱为主，少数为麻袋或铁桶，我们将忽略后者，专注考虑纸箱包装。不论货物内部包含什么，重要的是如何有效地在标准卡板（长1.2米，宽1米）上摆放不同尺寸的纸箱，以容纳最大数量的箱子，同时确保它们相邻的两层堆放具有不同的布局方式，以提高整板堆垛的稳定性。

2.2 冷链货品的尺寸、重量和尺寸的多样性挑战

冷链货品的多样性包括尺寸和重量的多样性，这构成了物流上的一系列挑战。不同尺寸的货物需要不同的存储空间，而不同重量和尺寸的货物则影响了搬运和运输的效率。对于较重或不规则尺寸的货物，可能需要特殊的搬运设备和额外的人力，从而增加了操作的复杂性和成本。此外，这种多样性要求物流系统具备高度的灵活性和适应能力，以适应各种不同类型的货物。这不仅对设备设计提出了挑战，也要求操作者具备相应的技能和知识。

2.3 冷链货品的温度和湿度敏感性

冷链货品的温度和湿度敏感性是其最显著的特点之一。许多产品，如生鲜食品、生物医药产品，甚至某些化学品，对温度和湿度的变化极为敏感。微小的温度或湿度波动都可能对产品的质量和安全性产生影响。因此，维持恒定的环境条件对于冷链物流至关重要。这要求物流系统不仅需要在运输和存储过程中保持严格的温湿度控制，还需要能够快速响应环境变化。这种敏感性提高了对设备和技术的要求，也增加了监控和管理的复杂性。

3. 堆垛机器人的研发设计

3.1 机器人结构设计

在堆垛机器人的研发设计中，机器人的结构设计扮演着至关重要的角色。这一设计需考虑到机器人在冷链物流环境中的特定需求，例如在低温条件下的稳定运作和对不同尺寸、重量货物的处理能力。一个有效的结构设计不仅要使机器人具有足够的机械强度来承载重货，还要保持足够的灵活性和敏捷性，以适应快速变化的操作需求。此外，考虑到冷链物流对环境敏感性的特点，机器人的结构材料和设计也需确保良好的绝缘性能，以防止温度波动对货物造成损害。这种结构设计的目标是创造一个既坚固又灵活、既高效又环境友好的机器人，能够在各种冷链物流场景中发挥最佳性能[2]。

3.2 感知系统设计

堆垛机器人的感知系统设计是实现其高效自动化操作的关键。这一系统通常包括多种传感器，如视觉、触觉和温度传感器，它们共同工作，使机器人能够准确识别和定位货物。在冷链物流中，感知系统的设计必须能够适应低温和高湿度环境，同时保持高度的精确性和可靠性。例如，视觉传感器不仅需要在不同光照条件下工作，还要能够识别各种尺寸和尺寸的包装。此外，感知系统还需要能够实时监测环境温度和湿度，以确保货物在整个物流过程中保持在最佳状态。这种多功能、高效能的感知系统设计是确保堆垛机器人在复杂冷链物流环境中顺利运作的关键[3]。

3.3 运动控制系统设计

在堆垛机器人的研发设计中，运动控制系统的设计至关重要。这一系统确保机器人在搬运和堆垛过程中的准确性和效率。运动控制系统的核心在于其精确的协调和同步能力，能够精确控制机器人的每一个移动，无论是在水平还是垂直方向。这不仅包括快速而准确地达到目标位置，也包括在复杂的操作环境中保持稳定性。此外，考虑到冷链物流中货物的多样性，运动控制系统还必须具备适应不同重量和尺寸货物的能力。高效的运动控制不仅提高作业速度，还能降低由于操作错误导致的货物损坏风险，从而提高整体物流效率。

4. 案例分析

4.1 案例背景

本案例分析聚焦于一家采用堆垛机器人技术进行货物装卸作业的冷链物流公司。该公司面临的主要挑战是提高作业效率，同时降低操作成本。考虑到冷链物流中货物多样性和环境敏感性的特点，传统的人工作业方式在成本和效率上都存在限制。因此，公司决定引入工业机械臂码垛机器臂，以期通过技术创新实现作业流程的优化。

4.2 技术引入与投资

公司对比了采购工业机械臂码垛机器臂和维持传统人工装卸的成本与收益。工业机械臂的采购成本预估为27万元，相比之下，传统人工装卸的初始投资成本较低。然而，从长期运营角度来看，机器臂的引入预计将带来更高的效率和更低的运营成本。

4.3 比较和结论

在操作效率方面，机器臂能够持续稳定地执行码垛作业，按照每小时1000件货物计算，每天能够处理相当于14板货物的量。从成本分析来看，虽然机器臂的月折旧、电费和维护费用构成了固定支出，但由于减少了人工成本（尤其是在长期运营中），整体成本效益比传统人工作业更优。引入工业机械臂后，尽管初始投资较高，但通过提高作业效率和降低人工依赖，公司能够实现更好的经济效益。具体来说，与传统人工装卸相比，采用机器臂的操作模式在收入与支出的差额上表现出更高的利润空间。本案例分析证明，尽管堆垛机器人技术的引入需要较大的初始投资，但其长期的运营效益显著。通过减少人工成本和提高作业效率，堆垛机器人不仅能够应对多样化包装规格的挑战，还能在维持冷链物流中产品质量和安全的前提下，实现成本节约和效率提升。此外，机器人技术的应用还展现了物流自动化的未来趋势，为行业提供了一种可持续发展的解决方案。

5. 结语

综上所述，本研究通过对基于多样性包装规格的冷链货品堆垛机器人的研发设计和能效分析，展示了机器人技术在冷链物流领域的应用潜力。实验结果证明，相比于传统的人工作业，机器人不仅能提高作业效率，还能显著降低综合人力成本。未来的研究应进一步优化机器人的设计，增强其在极端环境下的适应能力，以实现更广泛的应用。

参考文献

[1] 顾聪聪.高速重载堆垛机器人末端执行器结构设计及试验研究[D].中国矿业大学,2022.

[2] 郭世杰.进口冷链产品核酸采样机器人系统设计[J].物联网技术, 2023, 13(11):109-111.

[3] Bacidore M .Why warehouses can't be virtual[J].Control Design: For Machine Builders, 2022(4):26.