Mobile Roboter als Bindeglied der smarten Produktion

Nachfolger der Heinzelmännchen

Zwei zentrale Forderungen von Industrie 4.0 sind Autonomik und individualisierte Fertigung. Um aber in Losgröße Eins zu produzieren, gilt es, die bisherige lineare Produktionslinie durch die modulare Fabrik zu ersetzen. In der Smart Factory werden die einzelnen Zellen nichtlinear mit den benötigten Komponenten versorgt. Deren Handhabung und Transport übernehmen intelligente mobile Roboter, die sich autonom durch die Fertigung bewegen.

Intelligente mobile Roboter fungieren als Bindeglied zwischen den einzelnen Fertigungsabschnitten. (Bild: Omron Electronis GmbH)

In der Fabrik der Zukunft mit ihren verteilten Zellen und komplexeren Materialflüssen entsteht ein erhöhter Aufwand an Gütertransporten. Im derzeitigen Übergangsstadium werden die intralogistischen Herausforderungen noch häufig von Menschen mit Handwagen oder Gabelstaplern überbrückt. Dieses Vorgehen ist jedoch nur begrenzt effizient und läuft außerdem der Forderung nach einer autonomen Fertigung im Zeichen von Industrie 4.0 entgegen. Es stellt sich zunehmend die Frage: Welche andere Lösung kann als Bindeglied zwischen den einzelnen Fertigungsabschnitten fungieren? Eine Antwort sind intelligente mobile Roboter. Intelligent deshalb, weil sie anders als ihre Vorgänger nicht nur festgelegte Wege zurücklegen, sondern sich auf dem Shop Floor (relativ) autonom bewegen. Sie verfügen über eine Karte der Umgebung und berechnen auf dieser Basis die beste Route zwischen zwei Punkten. Möglich wurde die neue Generation von Transportsystemen durch zwei entscheidende technologische Fortschritte: Auf der einen Seite erlaubt die heute verfügbare Prozessorleistung die Implementierung komplexer Algorithmen für künstliche Intelligenz, und auf der anderen Seite wurde die LIDAR-Technologie so weiterentwickelt, dass die entsprechenden Sensoren heute eine sichere Steuerung der Roboter ermöglichen. Omron arbeitet seit geraumer Zeit an autonomen mobilen Robotern und hat vor kurzem die LD-Serie der Autonomen Intelligenten Vehikel (AIVs) vorgestellt. Zur Inbetriebnahme wird der Roboter mit einem Joystick durch die Fabrik geführt, um die Umgebung mit seinem LIDAR-Hauptsensor zu scannen. Dann führt er die Informationen zusammen, um eine vollständige statische Karte des Arbeitsplatzes in einer Höhe von 20cm zu erstellen. Diese Karte beinhaltet z.B. Informationen über Regale, Maschinen, Mauern und Türen. Der Roboter verwendet die Karte, um die beste Route zwischen zwei Punkten zu berechnen. Um die Zusammenarbeit von mehreren Robotern in einer Fabrik effizient zu gestalten, übernimmt eine Software die Koordination der AIVs, indem sie mit ihnen und sämtlichen Maschinen laufend kommuniziert.

Umfelderkennung und Koordination per Software

Um den Sicherheitsansprüchen im Fertigungsumfeld zu genügen und z.B. Kollisionen zu vermeiden, gibt der Hauptsensor dem AIV ein 220°-Blickfeld, das es ihm ermöglicht, Objekte, die sich auf seinem Weg befinden, zu umfahren und seine Geschwindigkeit in Echtzeit an die Umgebung anzupassen. Ein weiterer, vertikaler LIDAR-Sensor an der Seite des AIV unterstützt den Hauptsensor. Beide Sensoren prüfen laufend, ob der Weg frei ist von Hindernissen, die das AIV eventuell behindern, z.B. verschüttete Flüssigkeiten oder überhängende Gegenstände, wie etwa die Gabeln eines Gabelstaplers oder offene Schubladen. Für die unterschiedlichen Fertigungsweisen und Produktionsumfelder auf dem Shop Floor gibt es verschiedene Anpassungsmöglichkeiten für die mobilen Roboter der LD-Serie. Der Sockel des AIVs bleibt dabei gleich, die Oberseite kann jedoch verändert werden, damit sie zur jeweiligen Anwendung passt. Es gibt verschiedene Grundeinstellungen: z.B. flache Oberseite, Förderband und Wagentransporter. Die AIVs mit flacher Oberseite arbeiten halbautomatisch, das heißt sie werden manuell be- und entladen. Für medizinische Anwendungen kann z.B. eine verschlossene Kiste auf dem AIV platziert werden, um gefährliche Substanzen innerhalb einer Einrichtung zu transportieren. Die Förderband- und Wagentransporter-AIVs arbeiten dagegen autonom. So kommuniziert ein AIV mit Förderband-Oberseite per WLAN oder optischem Datentransponder mit einer Maschine, um die Position zu bestätigen und eine Ladung aufzunehmen oder abzuliefern. Darüber hinaus entwickeln Systemintegratoren weitere Varianten mit von vorn oder seitlich zu beladenden Förderbändern, Doppelförderbändern, Rollen oder Riemen.

Omron bietet für die mobilen Roboter der LD-Serie verschiedene Anpassungsmöglichkeiten. Es gibt drei Grundeinstellungen: flache Oberseite, Förderband und Wagentransporter. (Bild: Omron Electronics GmbH)

Tragkraft, Trajektorien und vorausplanende Steuerung

Wie werden sich die mobilen Roboter zukünftig weiterentwickeln? Um in dynamischen und engen Umgebungen zu arbeiten, müssen AIVs in der Lage sein, komplexe Laufbahnen zurückzulegen und dabei den gesamten Umriss des Fahrzeugs zu berücksichtigen – einschließlich der Ladung. So werden z.B. Blockierungen in engen Kurven vermieden. Auch kleine Verbesserungen der generierten Trajektorien führen zu Effizienzsteigerungen, da dadurch die gesamte Flotte der Fahrzeuge beweglicher wird. Ein weiterer Bereich, in dem Verbesserungen zu erwarten sind, ist die Tragfähigkeit der AIVs. Derzeit ist das größte System der Omron-LD-Serie in der Lage, Lasten bis 130kg zu tragen, was bei den meisten Anwendungen ausreicht. Einige Kunden z.B. aus der Getränke- und Automobilbranche benötigen jedoch AIVs mit höherer Tragkraft. Diese sind stärker reguliert und müssen strengere Sicherheitsauflagen erfüllen. Omron arbeitet intensiv daran und wird künftig entsprechende Lösungen vorstellen. Weitere Verbesserungen ergeben sich durch eine verbesserte, d.h. vorausschauende Steuerung der AIVs: Zurzeit reagiert die Fuhrpark-Software auf den Zustand der Produktionslinie – der Roboter muss darauf warten, dass ihm mitgeteilt wird, wenn eine Ladung abzuholen ist. Die nächste Generation der Software wird intelligenter sein und die Einsätze der AIVs vorausberechnen bzw. sie proaktiv so positionieren, dass Aufträge möglichst effizient erledigt werden. Außerdem führt die Ausstattung der mobilen Roboter mit RFID- und Barcodelesern zu intensivierter Maschinenkommunikation und ermöglicht so die Übernahme zusätzlicher Aufgaben.