Bedingt durch räumliche Gegebenheiten ist es in Produktionsbetrieben nicht immer einfach, den Produkttransport mit herkömmlichen Mitteln – zum Beispiel mit Fließbändern – zu bewerkstelligen. Fließbänder benötigen Platz, was sich in den Gebäudekosten niederschlägt. Diese Kosten fallen an, egal ob saisonal bedingt viele oder wenige Produkte transportiert werden müssen. Auch kann bei der Bewältigung großer Distanzen der Einsatz von Förderbändern unwirtschaftlich sein, wenn die Anordnung der Linien und Arbeitszellen in ihrer räumlichen Aufstellung nicht Weg-optimiert ist. In der Folge kommt es zu unnötigen Knoten- und Kreuzungspunkten. Darüber hi­naus müssen Förderstrecken teils unter der Decke montiert werden.

Demgegenüber kann eine Flotte mobiler Roboter-Plattformen mit einer Reihe von Vorteilen punkten: Sie ist skalierbar und die Einheiten der Flotte können bei Bedarf aktiviert oder deaktiviert werden. Durch ihren Einsatz lässt sich zudem manueller Aufwand reduzieren, die Ausnutzung von Platzressourcen optimieren und die Bindung von Kapital senken. Insbesondere im Vergleich zum manuellen Handling können Produkte und Leistungen mit einer mobilen Lösung schneller zur Verfügung gestellt werden – zu reduzierten Kosten und mit geringeren Fehlerquoten.

Das maximale Zuladungsgewicht des Couriers beträgt 40 kg. Dabei lässt sich das Material in einer abschließbaren Transportbox sicher verstauen.

© Adept Technology

Ein Beispiel für eine solche mobile Handling-Lösung ist der so genannte „Courier“ von Adept Technology. Es ist vor allem die Kombination aus drei entscheidenden Merkmalen, die dieses Transportsystem für Bereiche prädestiniert, in denen bislang nur manuelle Methoden ausreichend flexibel waren. Diese Merkmale sind erstens die Fähigkeit, sich zwischen beweglichen Hindernissen wie zum Beispiel Personen bewegen zu können, zweitens eine individuell verwendbare Nutzlastplattform und drittens das im Aggregat integrierte Punkt-zu-Punkt-Navigationssystem. Hinzu kommt, dass zur Navigation keinerlei Einsatz von Leitlinien oder anderen Marken erforderlich ist. Damit eröffnet sich nicht nur in Lagern, Büros und Laboratorien, sondern auch in Produktionsstätten verschiedener Ausprägung die Möglichkeit, ein kostengünstiges, automatisiertes Material­transport­system zu realisieren.

Als autonom navigierender Transporter findet der „mobile Kurier“ die effizienteste Route für ein Lieferziel völlig selbstständig und nutzt dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren. Wenn er gerade nicht benötigt wird oder seine Batterie geladen werden muss, kehrt er automatisch zu seiner Ladestation zurück. Will ein Mitarbeiter den mobilen Roboter für eine Transportaufgabe an seinem Arbeitsplatz anfordern, kann er diesen einfach über ein drahtloses Signal „rufen“. Ist der Courier beladen, kann er problemlos über Onboard-Bedienungselemente losgeschickt werden. Eine einfache Steuerung durch vorprogrammierte Druckknöpfe für Materialanforderung beziehungsweise Materialversand innerhalb von Arbeitsumgebungen ermöglicht dabei eine Bedienung selbst durch ungeschultes Personal. Die Anbindung an die übergeordnete Produktionsplanungs-Software erfolgt über W-LAN.

Die autonome Bahnplanung

Bevor ein Roboter die Bewegung zu einem zugewiesenen Ziel beginnt, errechnet er einen Pfad zum Ziel. Anders als bei gewöhnlichen Navigationssystemen werden die Dimensionen des Roboters und gewünschte Sicherheitszonen um ihn herum bei der Wegfindung berücksichtigt. Gedanklich wird hierzu die „Map“ in kleine Raster unterteilt – ähnlich einem karierten Rechenblatt – und mit ausgefeilten Rechen-Algorithmen der optimale Weg, basierend auf der Kenntnis über freie und belegte Zellen, errechnet.

Befindet sich der Roboter in Bewegung, so misst er über die Inkrementalgeber in seinen Antriebsrädern den Weg und seine rotatorische Ausrichtung über das Gyrometer. Da diese Sensor-Informationen fehlerbehaftet sind und die Abweichungen mit zunehmender Strecke größer werden, nutzt der Roboter zusätzlich einen Laserscanner. Die aktuellen Laser-Ergebnisse werden mit der bekannten Landkarte verglichen und unter Zuhilfenahme der Inkrementalgeber und Gyrometer-Informationen wird so die exakte Lage und Orientierung im Raum ermittelt.

Sollte sich die Umgebung – etwa durch herumstehende Paletten oder Kartons in einem Lager – so sehr verändert haben, dass die Mess-Ergebnisse unter eine bestimmte Wiedererkennungswahrscheinlichkeit fallen, so kann optional eine nach oben schauende Kamera als zusätzliche Sensor-Information verwendet werden. Die Kamera orientiert sich dabei beispielsweise an der Deckenbeleuchtung. Anhand von mindestens drei sichtbaren Deckenleuchten lässt sich außerdem die Position im Raum ermitteln und damit lassen sich die anderen sensorischen Informationen korrigieren.

Sicherheit hat Vorfahrt

Um die Sicherheit der Produktionsmitarbeiter zu gewährleisten, ist der Mobil-Roboter in der Lage, auf spontan auftauchende Hindernisse zu reagieren und entweder lokal einen anderen Pfad zu planen oder je nach Notwendigkeit adäquat zu verzögern. Der Bereich der „lokalen Bahnplanung“ wird abhängig von der Geschwindigkeit skaliert, das heißt, der Roboter plant bei höheren Geschwindigkeiten weiter im Voraus. Abhängig von den Umgebungsbedingungen erreicht der Courier eine maximale Geschwindigkeit von 2 m/s.

Sicherheitsrichtlinien wie die VDI-Richtlinie 4452 (Abnahmeregeln für Fahrerlose Transportsysteme) beziehungsweise DIN EN 1525 schreiben unter anderem vor, dass der Roboter nicht per Software gebremst wird, wenn er einem Hindernis nicht mehr ausweichen kann, sondern dass eine Hardware-gesteuerte Abschaltung seiner Antriebe erfolgt. Aktuelle zertifizierte Sensoren ermöglichen hierzu die Einrichtung so genannter Sicherheitsbereiche, welche durch die Messung der Geschwindigkeit über die Inkrementalgeber des Roboters entsprechend umgeschaltet werden. Kann der Roboter einem Hindernis nicht mehr ausweichen, werden die Antriebe ausgeschaltet.

Erstellung und Anpassung der Landkarte

Vor der Inbetriebnahme der mobilen Transporter muss zunächst die zu erlernende Umgebung mit einem Fahrzeug der Flotte mittels einer Joystick-Handsteuerung abgefahren werden. Der Laser ermittelt in diesem Zuge die natürlichen Merkmale des Raums und erzeugt daraus eine Landkarte, welche die Umrisse der Umgebung zeigt. Danach wird die Basis-Landkarte mit der Software „Mobile Planer“ bearbeitet. Hierbei können Linien und Flächen hinzugefügt werden, um zum Beispiel verbotene Bereiche zu kennzeichnen. Eine der Stärken der Lösung ist es, dass dies auch nachträglich und vor allen Dingen einfach per Software in der Landkarte realisierbar ist, wenn etwa in einem bisher befahrbaren Bereich in der Produktion eine neue Maschine aufgestellt werden muss. Bei ähnlichen mobilen Konzepten sind hierfür oft zusätzliche Arbeiten an der Infrastruktur nötig – zum Beispiel das Verändern von Reflektoren für eine Lasertriangulations-Navigation oder das Verändern von optischen beziehungsweise elektrischen Linien im Hallenboden bei so genannten Line Follower Automated Guided Vehicles.

Lasergeführte mobile Roboter können bis zu 90 m2 pro Minute scannen, um Karten mit allen natürlichen Merkmalen zu erstellen. Diese Daten werden per Funk an den PC gesendet.

© Adept Technology

Zusätzlich werden mit der Planungssoftware in der Landkarte Merkmale hinzugefügt, mit denen das völlig autonome Navigations-Verhalten der einzelnen Einheiten manipulierbar ist. Das heißt: Ähnlich dem menschlichen Straßenverkehr lassen sich Regeln aufstellen, die eine bestimmte Wegplanung sanktionieren oder belohnen. Das bedeudet: Der Roboter arbeitet intern mit einem Punktesystem, ähnlich ei­ner Kosten-Nutzen-Rechnung. Fährt er durch gesperrte Gebiete gibt es Punktabzug, fährt er effizient und damit kosten- und/beziehungsweise zeitsparend, erhält er Punkte. Hierdurch lässt sich das Planungsverhalten einer gesamten Flotte optimal an die lokalen Verhältnisse der Produktionsumgebung anpassen.

Die fertige Landkarte kann nun entweder in allen Fahrzeugen auf deren lokalen Rechnern abgelegt werden oder die Änderungen werden zentral auf dem Flotten-Rechner gespeichert und von dort aus automatisch an die Flotte verteilt. Die Kommunikation der Fahrzeuge untereinander oder zum zentralen Flotten-Rechner erfolgt über eine Wireless-LAN-Verbindung. Ist kein Flotten-Rechner installiert, kommunizieren die Fahrzeuge Peer-to-Peer miteinander. Ab einer Flottengröße von mehr als drei Fahrzeugen ist der Einsatz eines zentralen Rechners sinnvoll, um die Bandbreite des W-LAN-Netzwerkes optimaler zu nutzen.

Der Flotten-Rechner beherbergt die zu verwendende Landkarte für alle Fahrzeuge, dient zur Einstellung von roboterspezifischen Parametern und deren automatische Distribution an die gesamte Flotte. Des Weiteren koordiniert der Rechner die geplanten Pfade aller Fahrzeuge und greift zur Kollisionsvermeidung ordnend ein.

Autor: Uwe Behn ist Applikationsingenieur bei Adept, Dortmund.