Arbeiter mit Saugnäpfen

Wo derzeit die Pakete noch mühsam per Muskelkraft vom Stapel gehievt und zu einem Förderband geschleppt werden, sollen vom kommenden Jahr an ein einarmige Roboter selbstständig Pakete greifen, heben und ausladen. Damit wird auch die letzte noch von Menschenhand verrichtete Tätigkeit in den Verteilzentren der Deutschen Post AG automatisiert.

Den ersten öffentlichen Auftritt hatte der Prototyp eines solchen Paketroboters kürzlich auf der Messe Automatica in München. Dort demonstrierten seine Entwickler, wie er die Position von Paketen in einem Container mit Hilfe eines 3D-Laser-Scanners erkennt, einen kollisionsfreien Kurs zu dem Paketstapel fährt, die Kartons stückweise schonend mit Hilfe mehrerer Saugnäpfe packt und sie schließlich mühelos auf ein Förderband setzt. Das System ist zwar einen Tick langsamer als der Mensch, kann dafür aber rund um die Uhr arbeiten – und das ohne einen Bandscheibenvorfall zu bekommen.

Um all diese Schritte automatisiert zu leisten, braucht es einen Hybridroboter, ein Förderband, einen 3D-Laserscanner und eine Steuerungssoftware. Entwickelt wurde das System, das die Deutsche Post in Auftrag gegeben hat, vom Forschungsbereich Intelligente Produktions- und Logistiksysteme des Bremer Instituts für Betriebstechnik und angewandte Arbeitswissenschaft (BIBA) an der Universität Bremen in Kooperation mit mehreren Partnern. Die EADS Space Transportation GmbH steuerte die Steuerungs- und Bildbearbeitungssoftware bei, und die Firma Strothmann entwickelte den einarmigen Hybridroboter eigens für diese Aufgabenstellung.

Der Hybridroboter, der linearen Vorschub mit einem Schwenkarm kombiniert, ist über ein Gerüst mit dem Förderband gekoppelt, auf das er die Pakete entladen soll. So kann es bei Bedarf sogar selbstständig samt Förderband weiter in den Container hineinfahren, wenn er alle Pakete in seiner Reichweite ausgeräumt hat. Der Roboter fährt den Greifarm geradeaus vor, schwenkt ihn bei Bedarf zur Seite raus, saugt mit Hilfe von Saugnäpfen das Paket an und setzt es – quasi zwischen den eigenen Beinen – auf das Förderband.

Auf den Menschen übertragen hieße das, man könnte nur vor und zurücklaufen und einen Arm kreisförmig vor dem Körper bewegen. Was nach einer Einschränkung klingt, ist in Wirklichkeit ein Vorteil. Denn der Roboter muss sich nicht um die eigene Achsen drehen, wie es die Knickarm-Roboter tun, die die Ingenieure der BIBA zuerst getestet haben. Ganz ähnlich entladen wir Menschen Pakete und drehen uns nach dem Ergreifen um die eigene Achse Richtung Containerausgang. Doch dieses Drehen kostet Zeit und Knickarm-Roboter arbeiten auch nicht schneller als Menschen.

Das neue Hybrid-System ist zwar immerhin schneller als die Knickarm-Variante, aber doch einen Tick langsamer als der Kollege Mensch. Sein Einsatz lohnt sich dennoch, weil er bei der schweren Arbeit weder Pausen braucht noch nach einer 8-Stunden-Schicht Feierabend macht. „Man muss heutzutage rund um die Uhr arbeiten“, sagt Wolfgang Echelmeyer von der BIBA. Denn die Zahl der zu transportierenden Pakete wächst kontinuierlich. Allein, die Plackerei führt bei den Arbeitern buchstäblich am laufenden Band zu Verletzungen und Krankheiten.

Daher sei die Triebfeder der ganzen Entwicklung nur gewesen, den Menschen zu entlasten und nicht um Arbeitskräfte einzusparen, ergänzt Hermann Franck, der als Ingenieur der Deutschen Post an dem Projekt beteiligt war. Die Europäische Union schreibe eine Erleichterung solcher hoch belastenden Tätigkeiten vor. Die Arbeiter würden dann an anderer Stelle eingesetzt werden.

Damit aber der Roboter weiß, wo sich die einzelnen Pakete im Container befinden und welche er zuerst entladen sollte, muss er ihre Positionen ermitteln. Als Auge dient ihm dabei ein marktüblicher 3D-Laserscanner, der seitlich am Roboter auf einem kleinen Mast sitzt und einen Laserstrahl aussendet. Der Strahl wird horizontal durch einen schnell rotierenden Spiegel sowie vertikal durch Neigung des Scanners um bis zu 90 Grad ausgelenkt. So streicht er über alle sichtbaren Pakete und wird von ihnen an zahlreichen Punkten reflektiert.

Der Scanner detektiert die reflektierten Strahlen, errechnet aus der Laufzeit der ausgesandten Lichtpulse die Entfernungen und leitet die Abstandswerte an einen Computer weiter. Die EADS-Software analysiert die so ermittelte Punktewolke und berechnet aus den Punkten, wo sich die Seitenflächen und Kanten der einzelnen Pakete befinden. Für den Computer sieht das so aus, als wäre eine Decke über die Pakete gelegt, die Paketkonturen nachbildet. Aus den berechneten Flächen und Kanten werden dann mögliche Greifpositionen an den Paketkanten errechnet, die schließlich aus dem Sensorkoordinatensystem noch in das Roboterkoordinatensystem umgerechnet werden müssen.

Die Software simuliert in weniger als einer Sekunde einen kollisionsfreien Kurs zum günstigsten Paket und füttert den Roboterarm mit den errechneten Weg- und Positionsdaten. Der Greifarm darf weder gegen den Paketstapel fahren, noch mit eventuell heruntergefallenen Paketen zusammenstoßen. Sollte ein Paket wider Erwarten heruntergepurzelt sein, erkennt das die Software, und der Roboter hebt es wieder auf.

Dafür hat er 22 handtellergroße Saugnäpfe, die die unterschiedlich großen und bis zu 31,5 Kilogramm schweren Pakete ansaugen und so mit Hilfe des Unterdrucks schonend rausziehen und umladen können. „Die Saugflächen wurden noch etwas frisiert, um ihre Haftung zu verbessern. Sie sind mit winzigen Nadeln versehen, die die Pakete ganz leicht anpieken und eine größere Kontaktfläche schaffen“, erklärt Post-Ingenieur Franck. All diese Schritte der Abtastung, Wegsimulation und Ansteuerung laufen in so kurzer Zeit ab, dass man es der fließenden Bewegungen des Roboterarmes nicht ansieht.

Die Deutsche Post sucht derzeit nach ersten erfolgreichen Tests im Verteilungszentrum Bremen nach einem Pilotkunden, um dem System in einer weiteren sechsmonatigen Entwicklungsphase den letzten Schliff für die Serienreife zu geben. Läuft bei der Pilotierung alles gut, soll das Paketrobotersystem schon im kommenden Jahr auf den Markt kommen. Die Deutsche Post, die alle Patente und die Lizenzrechte des Systems hält, will die Technologie nicht allein nutzen sondern weltweit lizenzieren. Es gäbe bereits mehrere Interessenten, deren Namen aber noch nicht verraten werden.

„Das System ist so weit, es muss in den Markt. Und es wird ihn auch erobern“, gibt sich Echelmeyer überzeugt. Er beziffert den Vorsprung der Bilderkennungssoftware auf mindestens zwei Jahre gegenüber den Systemen von anderen Roboterherstellern. (wst)