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Roboter beim Bin Picking

Roboterbasiertes Greifen von zufällig verteilten Objekten

- Fashion

4 Min Lesedauer

Bin Picking ist ein klassisches Anwendungsproblem aus der aktuellen Robotik-Forschung. Greifvorgänge in unbekannten Umgebungen und die eigenständige Reaktion auf sich ändernde Umstände stellen nach wie vor eine große Herausforderung in vielen industriellen Anwendungen dar. Für das von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderte Projekt SAINT hat FIEGE als erfolgreicher Kontraktlogistiker einen Anwendungsfall aus der Fashion-Logistik zur Verfügung gestellt. Die technische Umsetzung erfolgte durch das Münchner Robotikunternehmen FRANKA EMIKA GmbH sowie durch zwei Lehrstühle der Technischen Universität München (TUM).

Robotik ist aus vielen Produktionsprozessen beispielsweise in der Automobilindustrie kaum noch wegzudenken. Laut dem World Robotics Report 2020, den die International Federation of Robotics (IFR) im September des vergangenen Jahres veröffentlicht hat, kommen in den Fabriken rund um den Globus mittlerweile über 2,7 Millionen Robotersysteme zum Einsatz. Die meisten von ihnen sind klassische Palettier-, Schneid- oder Schweißroboter, die ihre vorprogrammierten Arbeitsabläufe vollkommen autonom durchführen.

Insbesondere im Bereich der Service-Robotik gab es in den letzten Jahren große Fortschritte. Entsprechende Lösungen werden nun auch immer häufiger in der Industrie eingesetzt, um eine engere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine zu ermöglichen. Sogenannte Cobots, also kollaborative Roboter, arbeiten gemeinsam mit Menschen und können komplexere Aufgabenstellungen lösen. Sie agieren nicht mehr abgetrennt hinter Schutzgittern, sondern erkennen mittels moderner Sensoren und Kameratechnik Hindernisse, um Kollisionen zu vermeiden.

Bin Picking in der Fashion-Logistik

Auch in der Logistik sind Automatisierungstechnik und die Unterstützung durch Robotik mittlerweile auf dem Vormarsch. Ziele hierbei sind die Leistungssteigerung und eine Entlastung der Mitarbeiter unter Berücksichtigung von Kosteneinsparungen. Dabei ist die Problemstellung des Item Pickings eines der treibenden Themen der Forschung.

Beim sogenannten „Griff in die Kiste“ geht es um das roboterbasierte Greifen von Objekten, die zufällig verteilt in den Boxen liegen. „In vielen Bereichen, insbesondere bei der Vereinzelung flexibler Teile, herrscht noch eine große Diskrepanz zwischen entsprechenden Lösungen aus der Forschung und Anwendungen in der Industrie “, sagt Jonas Wittmann vom Lehrstuhl für Angewandte Mechanik der Technischen Universität München. Gemeinsam mit Kollegen der TUM sowie Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Robotikunternehmens FRANKA EMIKA GmbH hat er in den vergangenen zwei Jahren im Forschungsprojekt SAINT zu diesem Thema gearbeitet.

Auch FIEGE war Partner dieses Forschungsprojekts und hat an der Mönchengladbacher Niederlassung einen Anwendungsfall aus dem Bereich Fashion-Logistik zur Verfügung gestellt. Speziell ging es um das Problem, verschiedene Kleidungsstücke aus Kartons automatisch auf einen Split-Tray-Sorter umzupacken. Aktuell übernehmen diesen Arbeitsschritt noch die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter per Hand. Rolf Beckmann, Direktor der Entwicklungsabteilung bei FIEGE, erklärt: „Ziel war es, hier eine produktive Anwendung von Robotik mit verhältnismäßig wenigen Anpassungen an der Bestandsanlage zu realisieren, die den Menschen bei seiner Arbeit unterstützt.“

bin Picking: Kunststofftüten werden zur Herausforderung

Zunächst machten sich die Wissenschaftler um Wittmann daran, die Software für die Steuerung zu programmieren: „Wir haben fünf verschiedene Module implementiert, die alle auf Freeware basieren. Sie sind mitunter für die Kalibrierung des Roboterarms, seinen Bewegungsplan sowie für die autonome Fehlerbehebung verantwortlich.“ Ein Kamerasystem errechnet dabei eine Vielzahl möglicher Greifposen, welche vom System optimiert und schließlich vom Roboter angefahren werden.

Parallel mussten die Robotik-Experten von FRANKA EMIKA ein praktisches Problem angehen, wie Lukas Hausperger, Robotics & Machine Learning Engineer, berichtet: „Für das Greifen der in Plastiktüten verpackten Kleidungsstücke gab es zwei Ansätze, von denen wir einen schnell aussortiert haben.“ So hatten die Versuche mit Sauggreifer gezeigt, dass das durch sie erzeugte Vakuum nicht ausreichte, um schnelle Bewegungen durchzuführen. Für die Lösung griffen sie unter anderem auf eine Idee aus dem antiken Griechenland zurück: „Wir haben einen Parallelgreifer mit taktiler und optischer Sensorik entwickelt, der ein kraftsensitives Greifen erlaubt und so keine fragilen Objekte beschädigt. Zudem haben wir mit den Archimedes-Finger spezielle Greiferbacken konstruiert, die auf dem namensgebenden Spiralprinzip basieren. Die zusätzliche Drehbewegung erzeugt Reibung und zieht die Plastiktüten so zwischen die Finger des Greifers“, erläutert Hausperger.

Mensch und Maschine lernen Hand in Hand

Ein weiterer wichtiger Parameter des Projekts war die Fehlerbehandlung. Diese sollte zunächst autonom beziehungsweise teilautonom über Algorithmen aus dem FDIR-Verfahren (Fault Detection, Isolation and Recovery) erfolgen, das aus der Raumfahrttechnik entlehnt ist, wie Wittmann erklärt: „Der Greifarm soll Fehler selbstständig erkennen, die möglichen Folgen abschätzen und einen entsprechenden Alternativplan errechnen.“

Dazu verfügt der Roboterarm über eine Remote-Bedienung. „Teleoperative Verfahren ermöglichen es, die Expertise des Menschen einfließen zu lassen. So können wir zeitsparend auf Fehler reagieren und eine hybride Automatisierung von komplexen Prozessen ermöglichen“, sagt der Forscher. Die Bewegungsabläufe des Greifarms wurden so im Laufe des Projekts zunehmend optimiert.

Praxistest in der Fashion-Logistik zeigt Potenzial

Anfang des Jahres gab es zwei On-Site-Tests am FIEGE-Standort Mönchengladbach, wo der Fashion-Logistiker für ein internationales Modeunternehmen tätig ist. Nach einem Vorabversuch im Januar fand Ende Februar die finale Demonstration mit Aufbau und Abnahme des Roboterarms statt. Für den Proof of Concept musste der Greifer verschiedene Kleidungsstücke aus einem Karton auf den Split-Tray-Sorter umpacken. „Insbesondere die Gewichtsschätzung der Objekte durch das System war noch nicht ausgereift. Die Fehlerquote war bei Jacken deutlich höher als bei T-Shirts“, so Wittmann.

Wittmann zeigte sich dennoch zufrieden: „Wir haben die Aufgabenstellung gelöst und eine robuste und preiswerte robotische Anwendung für das Greifen in unbekannten Umgebungen entwickelt.“ Trotzdem gebe es aber natürlich noch Luft nach oben. Die Produktivität des Roboterarms bleibe aktuell beispielsweise noch hinter der der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zurück.

On-site-Test des Bin Picking-RobotersAnfang des Jahres wurde der im Rahmen des SAINT-Projekts entwickelte Roboterarm in der Mönchengladbacher FIEGE-Niederlassung getestet.

„Unternehmen müssen Innovationstreiber sein“

Aus FIEGE-Perspektive war das erste Fazit ebenfalls positiv, wenn auch zweigeteilt. Rolf Beckmann: „Für sich genommen lief das SAINT-Projekt sehr gut. Wir sind von der Leistung des gesamten Teams beeindruckt.“ Als Logistikdienstleister beschäftigt FIEGE vor allem die Frage, wann sich kollaborative Robotik und Bin Picking wirtschaftlich in der Fashion-Logistik einsetzen lassen. „Hier sind noch einige Meter zu gehen“, so der Direktor.

Dabei sieht Beckmann auch sich selbst in der Pflicht, denn allzu häufig gebe es noch differierende Interessen zwischen Entwicklern und Anwendern: „Als innovatives Unternehmen verstehen wir uns als Partner der Forschung und wollen auch in Zukunft unsere Expertise einbringen.“

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