Autonome Transportroboter: Mobil, flexibel und smart

Sie gehören zu den Unscheinbarsten unter den Robotern. Auf den ersten Blick sind typische Vertreter nicht mehr als kompakte rollende Plattformen. Und doch mischen sie den Markt bereits kräftig auf: Autonome mobile Roboter (AMR) für Logistik-Anwendungen – von selbständig agierenden Unterfahrplattformen bis zum mobilen Kleinteilelager mit integriertem Greifer. „Automatisierung ist in Summe das Geschäftsfeld, in dem wir die größten Wachstumsraten erwarten. Innerhalb der Automatisierung sind es die mobilen Roboter, die mit Abstand am stärksten wachsen. Insofern glauben wir, dass ein großer Teil der Zukunft der Intralogistik genau hier liegen wird“, sagt Dr. Tobias Harzer, Vice President Mobile Robots des Intralogistik-Spezialisten Jungheinrich.

Roboterplattformen in der Intralogistik nehmen zu

Die ‚Neuen’ im Portfolio der Flurförderzeughersteller können innerhalb der ihnen zugeteilten Bereiche frei navigieren und sie sind kleiner und wendiger als übliche Flurförderzeuge. Die rollenden Transportplattformen werden üblicherweise beladen oder nehmen ihre Lasten selbständig auf, in dem sie darunter fahren und sie dann anheben. Sie transportieren Paletten, einzelne Güter, Kleinteile oder ganze Kleinteilelager, können Hindernisse umfahren und kommen auch mit Menschen zurecht, die ihren Weg kreuzen. Stapler mit KI-Unterstützung folgen im Assistenz-Modus ‚ihrem’ menschlichen Kommissionierer selbständig von Regalplatz zu Regalplatz.

Rollende Kleinteiletransporter wie SOTO von Jungheinrich-Tochter Magazino transportieren Kleinladungsträger (KLTs) in verschiedenen Größen und Höhen direkt an die Montagelinie. „Die SOTO Roboter nehmen die KLT eigenständig am automatischen Kleinteilelager (AKL) auf und jeder Roboter bringt bis zu 18 Behälter auf einmal an die einzelnen Montagelinien. Dabei arbeiten sie in der gleichen Umgebung mit den Menschen und auch anderen mobilen Robotern.

An der Fertigungslinie geben die SOTO Roboter die aktuell zwöf Kilogramm schweren Behälter direkt in die Regale ab. Auf der gegenüberliegenden Regalseite können Werkerinnen und Werker dann bequem auf die Einzelteile für die Montage zugreifen. Leergut können die SOTO Roboter ebenfalls autonom aufnehmen und zur zentralen Sammelstelle bringen", beschreibt Magazino-Projektleiter Markus Ruder den Zielprozess eines gemeinsamen Projekts mit Nutzfahrzeughersteller MAN.

Was unterscheidet autonome Roboter von automatisierten Systemen?

„In Produktionsumgebungen sehen wir bereits viele Mobile-Robots-Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie zur Belieferung der Produktionslinien“, berichtet Harzer. „In der klassischen Lagerlogistik ist die Automatisierung mit mobilen Robotern noch nicht so weit fortgeschritten, aber das ändert sich gerade. Auch Bereiche wie Wareneingang oder Ein- und Auslagerungsvorgänge in Regalanlagen rücken zunehmend in den Fokus und werden wo es möglich ist in Anwendungen mit mobilen Robotern überführt“, ist seine Beobachtung.

Die Übergänge vom manuellen zum automatisierten bis hin zum autonomen Betrieb können dabei fließend sein: Ein klassisches Flurförderzeug, das im Schmalgang auslagert, gibt beispielsweise am Ende des Schmalgangs die Palette an einen autonomen mobilen Roboter ab und dieser bringt sie an den Bestimmungsort. Oder umgekehrt, der Stapler nimmt die Palette vom AMR auf und lagert sie im Schmalgang ein. „Dieses Szenario ist einer unserer aktuellen ‚Bestseller’“, berichtet Harzer.

Die Ansprüche, die Roboter an ihre Arbeitsumgebung stellen, sind freilich eigene und längst nicht alle Prozesse lassen sich automatisieren. Etwa das Abladen eines Lkw oder wenn viele unterschiedliche Ladungsträger in Gebrauch sind oder die Bedingungen zum Aufnehmen oder Abgeben der Ladungen generell stark variieren. „Wollen Unternehmen automatisieren, egal ob mit oder ohne Roboter, ist meist die größte Herausforderung, dass sie ihre Prozesse anpassen und verändern müssen, damit diese überhaupt automatisiert werden können“, so Harzer.

Flexibilität und Autonomie beeinflussen Durchsatz

Autonome mobile Roboter sind nicht unbedingt die optimale Lösung für eng durchgetaktete Prozesse: „Die meisten Kunden fordern von uns ein fixes Durchsatz-Versprechen. Beispielsweise eine bestimmte Anzahl von Paletten pro Stunde von A nach B zu transportieren. Im Gegenzug verpflichtet sich der Kunde, die Transportrouten frei zu halten“, berichtet Louis Vieira, Head of Sales Automation and Intralogistics bei Linde Material Handling. Freie Bahn zu haben ist für die klassischen fahrerlosen Transportfahrzeuge (FTF) ebenso wichtig wie für autonome mobile Roboter.

Treffen automatisierte Fahrzeuge auf Hindernisse wie zwischengeparkte Paletten, vergessene Mülleimer oder Menschen, bleiben sie stehen und nehmen die Fahrt erst dann wieder auf, wenn das Hindernis entfernt ist. Autonome Fahrzeuge haben zusätzlich die Option, um Hindernisse herum zu rangieren. Immer vorausgesetzt, es ist sicher möglich und ausreichend Platz vorhanden. In jedem Fall kosten Stopps und Ausweichmanöver wertvolle Zeit.

Welche Aufgaben übernehmen autonome Transportroboter in der Intralogistik?

„Ob ein Fahrzeug automatisiert oder autonom fährt, spielt für die meisten Kunden am Ende des Tages nur eine untergeordnete Rolle“, stellt Vieira fest. „Hindernisumfahrung ist eher ein emotionales Thema. Jeder Kunde wünscht es sich, aber vor allem ist dem Kunden wichtig, dass er auf seinen Durchsatz kommt.“ Perspektivisch gehe die Entwicklung jedoch weg von fixen Wegen. „Anstelle fester Transportwege werden für die Fahrzeuge Zonen definiert und die Fahrzeuge erkennen selbst, wann wo eine Palette steht und wie sie diese am besten von A nach B bringen“, ergänzt er. „Wie solche Zonen definiert werden und wie groß sie sind, hängt letztlich vom Layout der Halle ab und davon, wie der Prozess aussieht.“

Arbeitsaufträge und andere wichtige Informationen erhalten AMR ebenso wie FTF beziehungsweise Automated Guided Vehicles (AGV) per Funk von den jeweiligen Leitsteuerungen, die ihrerseits mit dem Lagerverwaltungssystem verbunden sind. Bislang arbeitete jeder Fahrzeughersteller mit seiner eigenen Leitsteuerung. Allerdings: Sollen autonome mobile Roboter am Ende ihr volles Potenzial ausschöpfen, wäre es von Vorteil, wenn die einzelnen Fahrzeuge nicht nur mit einer übergeordneten zentralen Leitstelle kommunizieren können, sondern auch untereinander. Egal, von welchem Hersteller sie stammen.

Neue VDA 5050-Schnittstelle verbessert Kommunikation

Dafür soll künftig die von der deutschen Automobilindustrie initiierte VDA 5050-Schnittstelle sorgen, die kurz vor der Fertigstellung steht. „Aktuell ist es so, dass jeder Hersteller mit seiner eigenen Leitsteuerung arbeitet. Die Idee hinter der VDA 5050 ist, zwischen dem Lagerverwaltungssystem des Kunden und den verschiedenen proprietären Leitsteuerungen für die Fahrzeuge eine Schnittstelle zu implementieren“, berichtet Vieira. Erste Unternehmen fordern die Schnittstelle nach VDA 5050 bereits ein. „Unsere Kunden wollen flexibel sein, vor allem in der Automobilindustrie. Aber auch andere Branchen werden bald folgen“, erwartet er.

Im nächsten Schritt könnten autonome mobile Roboter dann sogar ganz ohne zentrale übergeordnete Intelligenz auskommen. Sie könnten sich Aufträge untereinander zuspielen oder sich gegenseitig über unvorhergesehene Hindernisse informieren. „Der Schwarm organisiert sich selbst und sorgt dafür, dass alle Aufgaben, die natürlich weiterhin in einem Auftragspool zur Verfügung gestellt werden müssen, bearbeitet werden“, skizziert Thomas Albrecht, Leiter Fahrerlose Transportsysteme am Fraunhofer IML, ein mögliches Szenario. Dafür benötigen AMR jedoch mehr Autonomie als bisher und Voraussetzung für mehr autonomes Handeln sind Informationen.

Wie erhöhen neue Sensoren die Autonomie von Robotern?

Auch und vor allem solche, die AMR selbst im laufenden Betrieb von ihrer Umgebung sammeln. Schlüsselelement hierfür ist die Sensorik. Eine große Hürde ist noch immer, dass AMR momentan eher kurzsichtig sind. Gängige Sensorik ist darauf ausgelegt, Hindernisse auf eine Distanz von wenigen Metern zu erkennen, um rechtzeitig bremsen zu können. Dafür reichen die etablierten 2D-Laserscanner aus. Sie erkennen jedoch nicht auf größere Entfernungen, etwa vor Einfahrt in eine Regalgasse, ob im hinteren Bereich der Gasse der Fahrweg blockiert ist. Auch Hindernisse ohne Bodenkontakt, die sich oberhalb der Scann-Ebene befinden, bleiben leicht unentdeckt. „Den gültigen Sicherheitsvorschriften genügen 2D-Scanner. Letztlich brauchen wir jedoch eine weiterreichende 3D-Sicherheitssensorik “, betont Albrecht.

3D-Sensorik ist der Schlüssel zu mehr Autonomie

Eine Möglichkeit wären 3D-Kamerasysteme mit PMD-Sensoren (Photonic Mixing Device). Photomischdetektoren messen über das Lichtlaufzeitverfahren (Time of Flight – TOF) die Zeit, die das vom Laseremitter der Kamera ausgesandte Licht vom Sensor bis zum Objekt und wieder zurück benötigen und ermitteln daraus die genaue Entfernung. Gut etabliert sind bereits Ultraschallsensoren. Sie seien für viele Anwendungen jedoch nicht genau genug, so Albrecht, und auch bei Radar-Systemen sieht er noch viel Entwicklungsbedarf.

Dazu kommt, dass 3D-Sensoren erheblich mehr Daten liefern als 2D-Sensoren und diese Datenflut muss sinnvoll aufbereitet und analysiert werden. „Die Analyse der 3D-Daten, die dafür notwendigen KI-Algorithmen und letztlich die Entwicklung der Applikationssoftware ist derzeit noch so eine Art Grauzone. Ob das die Sensorhersteller, die Hersteller der Fahrzeuge oder Dritte wie wir übernehmen, bleibt abzuwarten. Insgesamt ist die 3D-Sensorik im Moment noch eine ganz große Baustelle und es gibt auch nur wenige Hersteller“, bedauert der Fraunhofer-Forscher.

Potenzielle Abnehmer für 3D-Sensorik stehen dagegen bereits in den Startlöchern. „Neben 2D-Sensoren werden wir bei Still vermehrt 3D-Systeme, wie 3D-Scanner und 3D-Kamerasysteme einsetzen, die Hindernisse noch präziser erkennen und unterscheiden können und zudem wie eine Art Vorhang die komplette Fahrzeugkontur abdecken“, verrät Erik Düwel, Senior Director Product Management Automation bei Still.

„Darüber hinaus wird auch unter Sicherheitsaspekten künstliche Intelligenz immer relevanter. Das Ziel ist klar: Es gilt, automatisierte Fahrzeuge immer ‚menschlicher’ werden zu lassen, so dass sie Risiken oder Veränderungen beispielsweise auf der Route oder im Regal noch prädiktiver erkennen und verstehen sowie entsprechende Aktionen einleiten und Learnings ableiten können“, ergänzt er.

Mehr Autonomie ist nicht automatisch besser als Automatisierung

Allerdings hat das seinen Preis. „Die durch die Autonomie gewonnene Flexibilität bringt einen entsprechend höheren Kostenaufwand mit sich, da mehr Sensoren zur bestmöglichen Erfassung der Umgebung benötigt werden. Gleichzeitig sinkt mit der Autonomie auch die Umschlagsleistung, da AMR für den Umgang mit Gegebenheiten, die Flexibilität erfordern, mehr Zeit benötigen“, räumt er ein.

Darüber hinaus gewöhnten sich Menschen schnell daran, dass AMR fehlertolerant sind. „Sie machen also weiterhin diese ‚Fehler’, anstatt ihr gelerntes Verhalten zu ändern und somit die Prozesse zu optimieren“, stellt Düwel immer wieder fest. Eine Automatisierung mit festen Regeln und weniger Flexibilität kann dann sogar von Vorteil sein.

Warum sind flexible Arbeitsumgebungen entscheidend für den Robotereinsatz?

Automatisierung in der Intralogistik bedeutet deshalb nicht zwingend, überall autonome mobile Roboter einzusetzen. AMR eröffnen jedoch neue Einsatzfelder und ermöglichen Dinge, die mit konventionellen, eher starren Lösungen nicht möglich sind – etwa die Umstellung der Produktion von Linien- auf Inselfertigung.

„Aber das heißt nicht, dass AMR immer die beste Lösung sind oder etwa Fahrerlose Transportfahrzeuge über kurz oder lang ablösen. Denn in vielen Applikationen – bestehenden wie zukünftigen – ist autonomes Verhalten gar nicht nötig. In manchen Fällen stört es möglicherweise sogar mehr, als dass es nutzt. Und dann sind bewährte Anwendungen wie FTF nach wie vor die effizienteste Lösung“, ist sich Thomas Albrecht sicher.

ROI ist im Zwei- oder Drei-Schicht-Betrieb schnell erreicht

Stimmen die Voraussetzungen jedoch, rechnet sich der Einsatz von AMR. „Im Zwei- oder Drei-Schicht-Betrieb ist der Return on Invest sehr schnell erreicht“, betont Louis Vieira. Eben weil Roboter konstant durcharbeiten und weder Urlaub, noch Pausen brauchen. Dazu kommt ein weiterer Faktor, der für die meisten Unternehmen der Hauptgrund ist, sich mit Robotern im Speziellen und mehr Automatisierung im Allgemeinen zu beschäftigen: der zunehmende Fachkräftemangel.

„Kompetente Gabelstaplerfahrer zu finden wird immer schwieriger und das stellt viele unserer Kunden vor echte Probleme“, berichtet Tobias Harzer. „Automatisierung ist eine wesentliche Möglichkeit, diese Personalengpässe zu lösen.“

überarbeitet von: Dietmar Poll