Intralogistik : Kritische Kommunikation zwischen Roboter und Fördertechnik

Mehr und mehr Unternehmen setzen für ihre Intralogistik mobile Roboter ein. Laut Zahlen des Robotikverbandes International Federation of Robotics (IFR) kann man sogar von einem Service-Roboter-Boom sprechen. In den Jahren 2018 bis 2019 stieg der Verkaufswert von professionellen Service-Robotern weltweit um 32 Prozent auf 11,2 Milliarden US-Dollar. Durch die Covid-19-Pandemie steigt besonders die Nachfrage nach Desinfektionsrobotern, Logistikrobotern in Fabriken und Lagerhäusern oder nach Robotern für die Zustellung von Waren bis an die Haustür.

Das ertragsstärkste Segment bei den professionellen Service-Robotern sind Medizinroboter mit einem Marktanteil von 47 Prozent im Jahr 2019. Rund 90 Prozent der Medizinroboter stammen von amerikanischen und europäischen Anbietern. Bis 2022 rechnet die IFR weiterhin mit einem großen Marktpotenzial: Der Umsatz könnte sich auf 11,3 Milliarden US-Dollar mehr als verdoppeln. Und auch Logistikroboter sind mehr als gefragt. Der Marktwert von verkauften oder geleasten Logistikrobotern stieg um 110 Prozent auf 1,9 Milliarden US-Dollar. Dabei wird fast der gesamte Umsatz mit Logistikrobotern erwirtschaftet, die für Innenbereiche vorgesehen sind. Autonome mobile Roboter arbeiteten meist nur in Lagerhäusern. Mit der Digitalisierung sind sie heute aber zunehmend auch Teil der Produktion in den intelligenten Fabriken.

Die eingesetzten Roboter müssen aber natürlich auch mit ihrer Umwelt kommunizieren. Bei der Kommunikation zwischen stationärer Fördertechnik und den Robotern besteht aktuell noch Handlungsbedarf. Denn gerade, wenn es um schwer beladene Paletten geht, besteht immer noch ein vergleichsweise hohes Risiko für Unfälle. Wenn wir eines Tages das Konzept der Smart Factory flächendeckend etabliert haben und Prozesse darin vollautomatisiert ablaufen, sollte an diesem wichtigen Punkt alles glatt laufen – doch noch tut es das nicht.

Schahram Dustdar, Professor für Informatik und Leiter der Distributed Systems Group an der TU Wien hält diese Kommunikation aus mehreren Gründen für kritisch: „Aus Sicht der Leistung ist die Synchronisation zwischen den verschiedenen Agenten unter anderem für die Prozessoptimierung, die Minimierung von Verzögerungen und die Reduzierung des Energieverbrauchs von entscheidender Bedeutung.“ Er bezeichnet sowohl Roboter als auch Förderanlagen als „Agenten“, da beide unabhängige und datenbasierte Entscheidungen treffen können. „Aus Sicherheitsgründen können Verzögerungen bei der Kommunikation von einem Stopp in der Produktionslinie bis zu einer beschädigten Linie oder einem verletzten menschlichen Bediener führen. Daher ist diese deterministische Echtzeitkommunikation von wesentlicher Bedeutung“, so Dustdar.

„Derzeit ist die Kommunikation zwischen mobilen Robotern und der stationären Fördertechnik sehr stark vom Wifi abhängig. Die Empfangseinheit für dieses Wifi muss also mit den verschiedenen stationären Fördersystemen verkabelt sein“, erklärt Shermine Gotfredsen, Global Sales Director bei ROEQ. ROEQ stellt in erster Linie Aufsatzmodule für mobile Roboter wie Förderbänder, Regale oder Boxen her.

Genau hier befindet sich Potenzial für auftretende Schwierigkeiten und der neuralgische Punkt. „Kommt es zu einer Instabilität des Wifis, so kann das schwerwiegende Folgen haben, wenn zu diesem Zeitpunkt beispielsweise große, schwere Paletten zwischen dem mobilen Roboter und der Förderanlage übertragen werden. Es kann zu Unfällen kommen, wodurch Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter verletzt werden können“, so Gotfredsen. Zur gleichen Zeit entstehen zudem Ausfallzeiten auf der Produktionslinie. Und auch die Verkabelung der Empfangseinheiten schreckt einige Unternehmen von der Applikation von mobilen Robotern in der Produktion ab. Bei einer großen Anzahl von Fördersystemen entsteht eine Menge Arbeit, für die Fachwissen benötigt wird und ein Kostenaufwand entsteht.

So läuft die Roboter-Fördertechnik-Kommunikation für gewöhnlich ab. ROEQ hat das Feedback des Marktes genutzt, um eine neue, nicht wifi-basierte Technologie zu entwickeln. Diese besteht aus zwei Teilen: „Mit diesem wifi-unabhängigen System werden die zwei Komponenten GuardCom und GuardCom Connect verwendet. Die Komponente GuardCom wird direkt am stationären Förderband montiert. GuardCom Connect wird auf dem mobilen Roboter installiert. Das bedeutet, dass der Roboter einfach an die stationäre Förderstation heranfahren und Material abladen oder aufnehmen kann“, erklärt Gotfredsen. Dies funktioniert mittels eines optischen Sensors für den keine Kabel zu den stationären Förderbändern verlegt werden müssen. „Das GuardCom System ist einfach zu installieren, es gewährleistet den sicheren Austausch von Waren und erhöht dadurch auch die Sicherheit für Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter“, bringt Gotfredsen die Vorteile der Entwicklung auf den Punkt. Mindestens einen Nachteil gibt es aber dennoch. Das Unternehmen ROEQ wurde erst im Jahr 2017 gegründet und agiert sehr fokussiert. Darum ist Guardcom derzeit auch nur für MiR Plattformen und ROEQ Produkte designt und noch nicht für den globalen Markt.

Dustdar von der TU Wien nennt eine andere Lösung des Kommunikationsproblems zwischen mobilen Robotern und der stationären Fördertechnik: „Es gibt einen neueren Standard, der diese Art der Kommunikation ermöglicht, das so genannte Time-Sensitive Networking (TSN). Dieser Standard basiert derzeit auf Ethernet, sodass er über drahtgebundene Kommunikation funktionieren kann.“ Obwohl es einige erste Arbeiten zu Wireless-TSN (WTSN) gibt, kann die drahtlose Kommunikation in einer branchenweit dichten Umgebung durch viele Hochfrequenz-Interferenzeffekte (RF) ernsthaft beeinträchtigt werden, die möglicherweise nicht mit einem WTSN-Standard angegangen werden. „In dem von uns diskutierten Fall kann eine stationäre Förderanlage mit dem LAN verbunden werden, der mobile Roboter kann jedoch nicht an eine Wand angeschlossen werden. Um dieses Problem zu mindern, kann ein „Fog Robotic“ Netzwerk daher kürzere drahtlose Entfernungen für die Kommunikation zwischen dem mobilen Roboter und dem Förderer bereitstellen, die eine nahezu Echtzeitkommunikation bereitstellen. Darüber hinaus können dem Fog Robotics-Netzwerk andere Funktionen hinzugefügt werden wie die Implementierung von Redundanz im Kommunikationsprotokoll, um den Verlust kritischer Informationen zu vermeiden“, erläutert Dustdar.

Aus Sicherheitsgründen müssen die Reaktionszeiten von Robotern und Fördertechnik nahezu bei Echtzeit liegen, um kritische Probleme zu vermeiden. „Auch hier sollten vernetzte Roboter, die das Fog-Computing-Paradigma verwenden, diese Art von Anforderungen erfüllen. Im Hinblick auf eine planmäßige Anforderungsänderung müssen sowohl der mobile Roboter als auch ein Förderband in der Lage sein, die Optimierung anzupassen, beispielsweise Leistung und Energieverbrauch oder andere Anforderungen, die für die Anwendung wichtig sind“, erklärt Dustdar. Und wie lernen Roboter mit der Fördertechnik zu kommunizieren? „Für die Kommunikation zwischen den autonomen, mobilen Robotern und der Fördertechnik braucht es keine maschinellen Lernfähigkeiten. Es handelt sich um eine optische Sensortechnologie“, meint Gotfredsen bezugnehmend auf die Schnittstellenlösung von ROEQ.