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Roboter Ob statisch oder mobil – Roboter müssen schlau sein

| Autor/ Redakteur: Bruno Adam / Mag. Victoria Sonnenberg

Die vollständige Integration von – insbesondere mobilen – Robotern in eine kooperative Umgebung bringt viele Herausforderungen mit sich, die gemeistert werden müssen.

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Omron arbeitet seit geraumer Zeit an autonomen mobilen Robotern und hat vor Kurzem die Omron-LD-Serie der AIVs (autonome intelligente Vehikel) herausgebracht.
Omron arbeitet seit geraumer Zeit an autonomen mobilen Robotern und hat vor Kurzem die Omron-LD-Serie der AIVs (autonome intelligente Vehikel) herausgebracht.
(Bild: Omron)

Der Aufbau einer Fertigungslinie erfordert eine sorgfältige Analyse und Bewertung der verschiedenen Schritte, um einen effizienten Prozess zu gestalten. Denn durch Roboter werden Prozesse deutlich komplexer. Das System muss dafür sorgen, dass das Personal sicher mit den Robotern interagieren kann, und zwar idealerweise ohne die Effizienz der Fertigungslinie zu beeinträchtigen. Sind die Roboter zudem mobil, bedarf es sorgfältiger Planung, damit sie sicher durch das Werk navigieren können und Personal sowie anderen Robotern, Maschinen und sonstigen Hindernissen ausweichen.

Systemarchitektur ermöglicht Roboternavigation

Nach Durchführung einer Analyse ist es möglich, eine Architektur für das gesamte System zu definieren und umzusetzen. Anschließend können die in der Architektur definierten Standardregeln und -routen in die Roboter programmiert werden, was diesen das Navigieren durch das Werk ermöglicht. Das ist zur Aufrechterhaltung der Effizienz des Systems wichtig, da die Roboter so unabhängig von einer zentralen Steuerung agieren können, wenn beispielsweise die kabellose Verbindung vorübergehend ausgefallen ist oder ein Roboter in unvorhergesehenen Situationen reagieren muss.

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Ob statisch oder mobil, Roboter müssen intelligent sein. Doch was bedeutet das? Damit ein Roboter in der Lage ist, intelligente Entscheidungen zu treffen, muss er sich zunächst seiner Umgebung bewusst sein.

Das bedeutet, er benötigt Sensoren sowie Kameras, Laser, Radar et cetera. Um Objekte auf dem Weg zu erkennen, setzen viele Roboter einen nach vorne gerichteten Lidarsensor ein, der horizontal von links nach rechts scannt. Dies funktioniert gut für die Erkennung von Gegenständen auf dem Boden. Was aber ist mit Objekten, die über Bodenhöhe in den Weg hineinragen, etwa eine nicht korrekt gestapelte Palette, oder aus einem Regal herausragen? Um sicherzustellen, dass der Roboter diese Objekte erkennt, ist ein zweiter LIDAR-Sensor erforderlich, der die Umgebung nach vertikalen Hindernissen scannt. Dies erhöht jedoch die Komplexität des Sensornetzwerks und der notwendigen Regeln, um den Roboter um Objekte herumzunavigieren. Kurzum: Der Roboter muss deutlich intelligenter sein.

Durch komplexe Algorithmen können Roboter Szenarien richtig einordnen

Wirklich intelligent werden Roboter durch eine erweiterte Programmierung, die nötig ist, damit sie eigene Entscheidungen treffen können. Denn es erfordert sehr komplexe Algorithmen, damit ein Roboter erkennen kann, was er „sieht“, und weiß, was in jedem möglichen Szenario zu tun ist.

Eine Sache, die Computer sehr gut können, ist das Management komplexer Interaktionen. Neben der Fähigkeit einzelner Roboter, eigene Entscheidungen zu treffen, können in Produktionsumgebungen moderne Flottenmanagementsysteme zudem sämtliche Roboter effektiver verwalten. Basierend auf einer optimalen Planung können diese Systeme Aufgaben zuweisen, sodass beispielsweise einige Roboter ihre Batterien aufladen, während andere arbeiten. Dadurch ist sichergestellt, dass immer ein vollständig aufgeladener Roboter verfügbar ist.

Wie ein Schachprogramm, das einen Zug macht, der einige Züge später zum Schachmatt führt, können diese modernen Systeme zahlreiche Schritte vorausplanen und damit Aufgaben zuweisen, die einem Bediener möglicherweise nicht logisch erscheinen. Zum Beispiel sendet so ein System möglicherweise nicht den am nächsten positionierten Roboter zur Ausführung einer Aufgabe, weil er bereits einer anderen Aufgabe zugeordnet ist oder weil dieser Roboter nach Abliefern seiner Last wieder aufgeladen werden muss und unweit des Lieferortes eine Ladestation ist. Für einen Menschen wäre ein so fortschrittliches Management unmöglich, vor allem bei dem Versuch, eine ganze Flotte von Robotern zu steuern. Doch mit einem modernen Flottenmanagementprogramm können Fertigungslinien effizienter werden. Diese Systeme können auch auf Eingänge von Robotern zugreifen. Wenn etwa ein Roboter erkennt, dass eine Route blockiert ist, kann er eine neue berechnen und dem System die Blockierung mitteilen.

Via Flottenmanagementsystem können Roboter Informationen austauschen

Das Flottenmanagementsystem kann die anderen Roboter über die blockierte Route informieren, sodass sie diese ebenfalls vermeiden und wissen, welche alternative Route sie verwenden sollen. Aber wie weiß das System, wann die Blockierung beseitigt ist? Dazu schickt es gelegentlich einen Roboter auf die blockierte Route, um zu prüfen, ob sie wieder frei ist.

Genau wie GPS-Systeme in Autos setzen Industrieroboter Karten ein, um sich zurechtzufinden. Und ebenso wie auf dem Weg zur Arbeit Unfälle und Staus auftreten können, müssen mobile Roboter mit Hindernissen oder Personen auf ihrem Weg rechnen.

Um ohne externe Hilfe erfolgreich navigieren zu können, benötigen Roboter eine übersichtliche Karte ihrer Umgebung. Außerdem sind Sensoren erforderlich, die erkennen, was sie umgibt. Wenn ein Roboter sieht, dass sein Weg durch ein Hindernis versperrt ist, kann er seine Karte und die Sensoren einsetzen, um es sicher zu umfahren. Bei einem statischen Objekt ist das eine einfache Aufgabe. Aber was passiert, wenn sich das andere Objekt bewegt?

Dies lässt sich am Beispiel einer Fabrik mit mobilen Robotern und Gabelstaplern erläutern. Erkennt der Roboter, dass ein Gabelstapler seinen Weg versperrt, muss er zunächst in der Lage sein, zu erkennen, ob dieser steht oder sich bewegt, und wenn er sich bewegt, in welche Richtung. So kann der Roboter einen Weg planen, der etwa dem Gabelstapler folgt und kein Überholmanöver vorsieht.

Für einen Menschen mag das offensichtlich sein, aber der Roboter benötigt zur Erkennung von Bewegung et cetera mehrere Sensoren, außerdem komplexere Algorithmen, die sämtliche Regeln wie Geschwindigkeitsbegrenzungen, Prioritäten und Einwegsysteme festlegen. Mit zunehmender Autonomie wird dann auch die Anzahl der Sensoren und die für die sichere Steuerung von Robotern erforderliche Software immer komplexer.

Mehr Rechenleistung beansprucht Batteriekapazität stärker

Diese zunehmende Komplexität erfordert mehr Rechenleistung, wodurch die Batteriekapazität des Roboters verstärkt beansprucht wird. Bei den ersten Robotern von Omron entfielen nur etwa 10 % der Batterielaufzeit auf die Datenverarbeitungssysteme, aber sie waren auch in dem, was sie wahrnehmen und tun konnten, sehr eingeschränkt. Die neuesten Roboter des Unternehmens sind wesentlich intelligenter und autonomer, wobei die Verarbeitungsleistung 30 bis 50 % der Batteriekapazität beansprucht. Zum Vergleich: Das Gehirn beansprucht etwa 30 bis 60 % der Energie eines Menschen.

Viele Menschen sind besorgt, dass Roboter ihre Arbeit übernehmen werden. Bei einigen Aufgaben ist das jedoch eine gute Sache. So wurde in einem Werk festgestellt, dass das Personal Transportwagen täglich bis zu 14 km weit schob. Bei einer körperlich derart anstrengenden Arbeit sollten wir froh sein, wenn sie von Robotern erledigt wird.

Lässt man Roboter wiederkehrende, schwere und gefährliche Aufgaben durchführen, werden Menschen für nützlichere und interessantere Aufgaben frei. Und mit zunehmender Intelligenz von Robotern wird es immer mehr Möglichkeiten in der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter geben, wodurch unsere Arbeitsplätze effizienter, sicherer und erfüllender werden.

* Bruno Adam ist Direktor mobile Projekte in Europa. Weitere Informationen: Omron Electronics GmbH in 40764 Langenfeld, Tel. (0 21 73) 68 00-0, info.de@eu.omron.com

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