Parkroboter von Stanley Robotics fährt einen PKW durch die Gegend

Damit das Auto nicht von der Roboterplattform rutscht, schwenken Greifarme aus und fixieren die Räder des PKWs. (Bild: Stanley Robotics)

Bevor ein neu produziertes Auto an ein Autohaus ausgeliefert wird, steht es in der Regel tage- oder sogar monatelang zusammen mit tausenden anderen Fahrzeugen auf einem großen Parkplatz. Der Umschlag dieser Fahrzeuge ist mit zeitaufwendigen Tätigkeiten verbunden: Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter starten jedes Auto, stellen es auf einem vorgegebenen Platz ab, notieren seinen Standort – und müssen es für die Auslieferung dann schnell wiederfinden.

Auch Autohäuser, Flughäfen, Autovermietungen und andere Unternehmen, die große Mengen an Fahrzeugen lagern und schnell wiederfinden müssen, kennen diese Problematik. Das manuelle Parken von Fahrzeugen ist eine ineffiziente Nutzung des Raums; es besteht dabei Unfall- und Verletzungsrisiko für das Personal und es verbraucht außerdem Kraftstoff.

Vielen ist nicht bewusst, dass es eine Alternative gibt, die sogar für herkömmliche Parkplätze funktioniert: automatisiertes Parken. Das französische Unternehmen Stanley Robotics, ein Anbieter von Robotern für die Fahrzeuglogistik, hat eine autonom gesteuerte Ladeplattform entwickelt, die ein Auto findet, anhebt, bewegt und auf einem zugewiesenen Platz parkt.

Am Fahrzeug angekommen, erkennt der Roboter mithilfe von Lidar-Sensoren (Light Detection and Ranging) dessen genaue Position, die Stellung sowie den Abstand der Räder und fährt seine Plattform darunter. Sobald das Fahrzeug mit der Plattform ausgerichtet ist, übernehmen elektrische Linearantriebe die Aufgabe, das Fahrzeug auf der Plattform zu fixieren und anzuheben.

Hydraulische oder elektrische Aktuatoren?

Als Stanley Robotics 2015 seinen Roboter der ersten Generation entwickelte, verwendete das Ingenieursteam Hydraulikzylinder, um die Greifarme der Plattform in Position zu bringen. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Hydraulik für diese Anwendung nicht die ideale Technik ist. Für ihre nächste Produktgeneration zog das Unternehmen daher elektrische Aktuatoren in Betracht.

„Bei der Hydraulik kam es immer wieder zu Leckagen, außerdem war sie sehr wartungsintensiv. Ihre hohe Tragfähigkeit war ein Vorteil, aber sie sind langsamer als elektrische Antriebe und benötigen zusätzliche Komponenten wie Schläuche und Pumpen. Zudem lassen sie sich viel schwieriger in einen Roboter integrieren als elektrische Aktoren. Und nicht zuletzt verbrauchen hydraulische Systeme mehr Energie. Das ist entscheidend, denn wir müssen den Batteriestrom nutzen und möglichst viel davon in Bewegung umsetzen“, erklärt Thomas Ravasi, leitender Ingenieur bei Stanley Robotics.

Nach umfangreichen Leistungsvergleichen mit Konkurrenzmodellen, Integrationstests in 3D-fähigen CAD-Konstruktionssystemen und zahlreichen Berechnungen entschied sich Stanley Robotics für den elektrischen Linearaktuator Electrak HD von Thomson.

Elektrischer Linearaktuator Electrak HD von Thomson
Die integrierte „Bordelektronik“ und optionale CAN-Bus-Unterstützung des Linearaktuators macht separate Steuerungseinheiten in der Regel überflüssig. (Bild: Thomson Industries)

Wie sichert der Roboter das Auto auf der Fahrt?

Bevor das Fahrzeug angehoben werden kann, muss es sicher auf der Plattform fixiert werden. Der Roboter verwendet dazu Greifer, die sich unter jedem Rad schließen. Wenn er die Plattform unter das Fahrzeug schiebt, sind alle Greifer bis auf die beiden, die dem Roboterkopf am nächsten sind, eingefahren, sodass die Plattform zwischen die Räder passt.

Parkroboter von Stanley Robotics
Acht Greifer hat die Plattform; zwei davon sind starr, die restlichen sechs Greifer kann der Roboter ein- und ausklappen. (Bild: Stanley Robotics)

Die beiden Greifer in der Nähe der Vorderräder sind starr und werden daher nicht betätigt. Sobald der Roboter erkennt, dass die Vorderräder diese starren Greifer berühren, klappen die Aktuatoren die beiden Greifer im verstellbaren hinteren Teil nach hinten aus, bis sie die Vorderseite der Hinterräder berühren (Abbildung 4). Sobald die Greifer die Vorderseiten aller Räder berühren, gibt der Roboter den Aktuatoren das Signal, die übrigen vier Greifer auszufahren, um alle Räder zu fixieren. Für diese kritische Funktion verwendet der Hersteller sechs Electrak-HD-Aktuatoren.

Elektrische Aktuatoren von Parkroboter von Stanley Robotics
Die elektrischen Aktuatoren sind dafür zuständig, die Greifer auszuklappen. (Bild: Stanley Robotics)

„Wenn wir das Fahrzeug anheben, lastet das gesamte Gewicht auf den Greifern. Diese Last übt Druck auf die Aktuatoren aus, die die Greifer halten. Dank ihrer hohen statischen Belastbarkeit sind elektrische Aktuatoren glücklicherweise in der Lage, wie eine Bremse zu wirken, um die Last in der richtigen Position zu halten“, erklärt Eric Cabrol, Leiter der Roboterentwicklung bei Stanley Robotics.

„Wir nutzen die Fähigkeit der Aktuatoren, ihre Bewegung automatisch zu stoppen“, fährt er fort. „Die Software weist die Aktuatoren an, die Greifer so weit wie möglich auszufahren. Und wenn diese die Räder berühren, erhöhen die Aktuatoren die Kraft, bis sie ihre maximale Tragfähigkeit erreicht haben und automatisch stoppen. Unsere integrierte Software überwacht diesen Prozess, indem sie die Stromaufnahme der Aktuatoren und den Winkel der Greifer überwacht. Wenn der Winkel weit genug geöffnet ist und der Strom einen vorgegebenen Sollwert überschreitet, geht das System davon aus, dass die Räder ausreichend fixiert sind.“

Sobald die Räder fixiert sind, heben zwei weitere Electrak-HD-Aktuatoren die Plattform um etwa 120 mm vom Boden ab.

Wie wird der Roboter gesteuert?

Diese Aktuatoren verfügen über eine integrierte Elektronik, die es ihnen ermöglicht, in programmierte Abläufe eingebunden zu werden und mit anderen Aktuatoren und Geräten zu kommunizieren.

„Die Software, die wir in das System integrieren, haben wir selbst entwickelt. Durch die Integration in unsere Sensorarchitektur können wir die auszuführenden Bewegungen genau berechnen und Befehle an die Aktuatoren senden. Unser PC sendet die Befehle über Ethernet, und CAN-Signalkonverter leiten diese Ethernet-Telegramme an die Aktoren weiter. Die intelligenten Thomson-Aktuatoren verfügen über all diese Fähigkeiten sowie über eine exakte Positionsrückmeldung über den gesamten Hub. Bei einem Hydraulikzylinder müssten wir das aufwändig nachrüsten“, erklärt Cabrol.

Was passiert mit dem Roboter bei Überschwemmung?

Die Aktuatoren arbeiten in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C. Das ist besonders im Sommer wichtig, weil die Roboter meist auf schwarzem Asphalt arbeiten, der die Wärme absorbiert. Cabrol berichtet, dass bereits Temperaturen von bis zu 60 °C gemessen wurden.

„Der IP-Schutzgrad des Electrak HD ist ebenfalls sehr interessant“, fährt er fort. „Wir hatten Situationen, in denen die Roboterplattformen komplett unter Wasser standen. Natürlich würden wir sie nie unter Wasser betreiben, aber sie müssen wieder voll einsatzfähig sein, wenn das Wasser zurückgeht.

Braucht der hydraulische oder der elektrische Roboter mehr Strom?

Die Kugelumlaufspindel-Technologie der Aktuatoren ist energieeffizient. Die Mitarbeitenden können mit einer Batterieladung mehr Fahrzeuge bewegen als mit dem hydraulischen Vorgängermodell. „Da die elektrischen Aktuatoren nicht ständig eingeschaltet sein müssen, verlieren wir auf diese Weise weniger Batteriestrom“, erklärt Cabrol den Vorteil. Andererseits, so Cabrol weiter, arbeiten die Roboter an einigen Standorten rund um die Uhr, und auch hier ist die Batterieeffizienz von Vorteil.

Parken Roboter besser als Menschen?

Eric Cabrol, Leiter der Roboterentwicklung bei Stanley Robotics, erklärt: "Unsere Roboter können an den meisten Standorten die Flächennutzung um bis zu 50 Prozent verbessern, weil wir die Fahrzeuge enger parken können, ohne die Türen öffnen zu müssen. Außerdem können wir die Zufahrtswege vereinfachen, weil unsere Software genau weiß, wo sich jedes Fahrzeug befindet und wann es ein- und ausgeparkt werden muss. Und das alles, ohne den Motor zu starten und ohne Benzin zu verbrauchen, was sich letztlich positiv auf die CO2-Bilanz auswirkt."

Thomson Industries

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