Autonomes Transportsystem

Transportlösungen für Material werden immer individueller und sollen zugleich möglichst vollständig automatisiert erfolgen. Mobile Roboterplattformen – in der Fachsprache: autonomous mobile robots (AMR) – sind daher in den Lager- und Produktionshallen weltweit auf dem Vormarsch. Auf diesen Markt fokussiert das Nürnberger Startup Evocortex, das im Jahre 2016 unter Beteiligung erfahrener Roboter- Experten gegründet wurde. Eng verbunden mit der benachbarten Technischen Hochschule Nürnberg sowie weiteren Bildungs- und Forschungseinrichtungen, verfolgt das Unternehmen ein ganz neues AMR-Konzept.

Die Autonomen Mobilen Roboter (AMR) von Evocortex benötigen keinerlei vorinstalliertes Leitsystem, um ihren Standort zu erkennen und den richtigen Weg zu finden. Sie orientieren sich einfach an den Unregelmäßigkeiten im Hallenboden. Die sind selbst auf vermeintlich glatten Betonböden zu finden und werden von einer hochauflösenden Kamera an der Unterseite des Fahrzeuges registriert. Mit diesen Bilddaten fertigt der Roboter quasi einen Fingerabdruck des Hallenbodens an. Hinter diesem raffinierten System steckt das eigenentwickelte Localization Module (ELM) von Evocortex.

Beim anfänglichen Einlernen fährt der Roboter den Hallenboden rasterförmig ab. Mit Hilfe komplexer Algorithmik entsteht aus einem Muster einzelner Punkte eine hochpräzise Landkarte, künftig mittels künstlicher Intelligenz auch selbstlernend. Die Steuerung erfasst zudem die Eigenbewegung des Fahrzeugs. Durch die Kombination der Daten kann sie es – auf einer theoretischen Fläche von einem Quadratkilometer – auf einen Millimeter genau positionieren. Dafür genügen drei identifizierte Punkte. Selbst wenn 50 Prozent des Bodens mit Sägespänen abgedeckt werden, bleibt das ELM unbeeindruckt und sorgt für eine robuste, präzise und genaue Navigation. Dauerhafte neue Kratzer im Boden werden in die Karte aufgenommen, verschwundene Merkmale werden nach einiger Zeit entfernt.

Optional können die AMRs an einer oder zwei Fronten mit zusätzlichen LIDAR-Sensoren ausgestattet werden. Diese scannen den Raum in Fahrtrichtung und erkennen Hindernisse – auch bewegliche wie Menschen, die den Fahrweg kreuzen. Das Fahrzeug stoppt umgehend, um die Sicherheit von Mitarbeitern zu gewährleisten.

Ein normales Rad bewegt sich nur in dieselbe Richtung wie die Drehung seiner Achse. Will man ein Fahrzeug mit solchen Rädern präzise positionieren, muss man rangieren wie beim Einparken eines Autos. Um das zu vermeiden, haben sich die Entwickler von Evocortex für das Mecanum-Rad entschieden. Anstelle einer geschlossenen Lauffläche sind auf dessen Felge tonnenförmige Rollen angebracht. Sie sind im Winkel von 45 Grad zur Achse des Rades befestigt und können sich um ihre eigene schräge Lagerachse drehen. Form, Größe und Abstände der Rollen sind so gewählt, dass das Rad eine durchgehende Abrollfläche erhält.
Wenn sich das Mecanum-Rad dreht, entstehen zwei Kraftkomponenten, in die Drehrichtung des gesamten Rades sowie im rechten Winkel dazu. Die resultierende Bewegungsrichtung liegt folglich dazwischen: Das Mecanum- Rad „möchte“ in einem 45-Grad-Winkel zur Achsrichtung fahren. Allerdings besitzt es wegen der Beweglichkeit der Rollen keine Spurtreue. Wenn weitere Kräfte hinzukommen, kann seine eigene Bewegungsrichtung in jede beliebige Richtung abgelenkt werden. Bei einem Fahrzeug mit vier Mecanum- Rädern sind die 45-Grad-Winkel jeweils um 90 Grad versetzt angeordnet. Jedes Rad strebt also in eine andere Richtung. Indem man Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der einzelnen Räder variiert, kann man das Fahrzeug aus dem Stand in jede beliebige Richtung steuern oder auf der Stelle drehen lassen. Auf der horizontalen Ebene kann es sich so frei bewegen wie ein Schwebefahrzeug. Somit ermöglichen die Mecanum-Räder eine wendige und omnidirektionale Bewegung des Roboters.

Die AMRs von Evocortex bieten aber noch eine weitere Dimension der Flexibilität, denn sie erlauben eine praktisch unbeschränkte Größenauswahl. „Wir können unseren Robot auf Wunsch in Millimeterschritten an die Wünsche unserer Kunden anpassen“, betont Hubert Bauer. „Zwischen 400 mal 480 und 800 mal 1200 Millimeter lässt sich jede Außenabmessung realisieren.“ Bei der Produktlinie EvoRobot R&D bzw. EvoRobot Industrial entsprechen diese zugleich annähernd den Außenmaßen der lasttragenden Plattform. Die gesamte Technik – Sensorik, Steuerung, Hubeinheit und Radantriebe – ist unter ihr angebracht.
Das Radantriebsmodul ist ein entscheidendes Element für diese Skalierbarkeit. Es befindet sich direkt über dem Rad und bilden mit diesem zusammen eine standardisierte, unabhängige Funktionseinheit. Die Räder können also in beliebigen Abständen voneinander montiert werden. Die entscheidende Voraussetzung für diese Anordnung ist ein leistungsstarker Motor mit sehr kleinen Abmessungen.
„Wir haben uns sehr genau angeschaut, welche Motoren auf dem Markt dafür in Frage kommen“, erinnert sich Hubert Bauer an die Entwicklungsphase. „Die Leistungsdichte, die wir brauchten, haben wir ausschließlich bei FAULHABER gefunden. Die Motoren der Konkurrenz hätten für das geforderte Drehmoment mehr Platz benötigt.“

Die Radmodule des EvoRobot sind mit DC-Kleinstmotoren der Serie 3257… CR oder 3272…CR ausgestattet. Sie verfügen jeweils über einen IEF3-Encoder und ein 38/2 S-Getriebe. Die Radmotoren sind für schnelles Stoppen und sicheres Halten einer Position zusätzlich mit einer Bremse ausgestattet. „Dank der enormen Kraft dieser Kleinmotoren kann der EvoRobot Paletten mit einer Ladung von vorläufig bis zu 120 Kilogramm Ladung befördern“, erklärt Hubert Bauer. „Das funktioniert auch auf einer Rampe mit fünf Grad Steigung und einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde.“
Für den Transport von Kleinladungsträgern ist die Produktlinie EvoCarrier konzipiert. Im Innenleben dieses AMR geht es noch enger zu. Auch die Unterfahrhöhe ist hier bei unter 100 mm. Deshalb haben die Entwickler hier einen sogenannten „Flachläufer“ gewählt – einen bürstenlosen Motor der Serie 4221… BXT, der mit einer Länge von 21 Millimeter auskommt. Auf längere Sicht, meint der Geschäftsführer, werde man wohl auch beim EvoRobot zu den bürstenlosen Antrieben übergehen und die Module noch weiter vereinheitlichen. Im nächsten Schritt plant Evocortex die Steuerung von 2 oder 4 EvoCarriern zu koppeln. So können sie zusammen auch eine Europalette oder eine ganze Regaleinheit transportieren – ein weiterer Freiheitsgrad für die Anwendung.
Neben dem Verhältnis zwischen Leistung und Volumen spielen beim Betrieb der AMRs vor allem Wartungsfreiheit und die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb eine wichtige Rolle. „Unsere Anforderungen im Hinblick auf die Lebensdauer werden von den FAULHABER Motoren mehr als erfüllt“, sagt Hubert Bauer. „Außerdem ist es auch von Vorteil, dass die Antriebe mit allen gebräuchlichen Industriesteuerungen funktionieren. Die Experten von FAULHABER haben uns auch sehr geholfen, die optimale Einstellung der Parameter für die Serienreife zu finden.“