Die mobile Robotik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und bietet spannende neue Möglichkeiten für die Logistik und Industrie. Um die zugrunde liegenden Technologien und deren Vorteile besser zu verstehen, ist es entscheidend, sich mit den zentralen Fachbegriffen vertraut zu machen. In diesem Beitrag stellen wir Ihnen die 10 wichtigsten Begriffe vor, die Sie kennen sollten.

1. AMR

In der Branche verschwimmen Begrifflichkeiten immer weiter. Hat man früher, zumindest im deutschen Sprachraum von FTS (Fahrerloses Transportsystem) bzw. FTF (Fahrerloses Transportfahrzeug) gesprochen, wechselte man irgendwann zum AGV (Automated Guided Vehicle). Diese Begriffe wurden häufig für spurgebundene Fahrzeuge verwendet, wobei die Spur optisch, magnetisch oder virtuell gelegt werden konnte.

Mit immer mehr Sensoren und höherer Rechenleistung wurden die Fahrzeuge intelligenter und so wurde der Begriff „Autonomous Mobile Robot“ (AMR) geboren. Diese Fahrzeuge zeichnen aus, dass sie sich frei im Raum bewegen können, keine Anpassungen an die Infrastruktur benötigen und durch die Verknüpfung dieser Funktionen mit temporären oder permanenten Hindernissen umgehen können.

Allerdings ist der Grad der Autonomie nicht klar definiert, weswegen sich auch immer mehr der Begriff „Mobiler Roboter“/“Mobile Robot“ etabliert.

2. Sensorik

Mobile Roboter brauchen unterschiedliche Sensoren, um zum einen die Aufgaben durchführen zu können, die von ihnen erwartet werden und zum anderen Schutz und Sicherheit garantieren zu können, sodass keine Personen- und Sachschäden entstehen.

Die gängigsten Sensoren heutzutage an mobilen Robotern heutzutage sind:

  • Lidar zur Erstellung einer Umfeldkarte. Mindestens zwei Lidarsensoren sind nötig, um eine 360° Ausleuchtung um den Roboter herum gewährleisten zu können.
  • Ultraschall zur Erkennung von Hindernissen im Nahfeld. Diese errichten ein Schutzfeld um den Roboter, welcher sofort anhält, sobald sich ein Hindernis darin befindet.
  • Kameras zur Klassifizierung von Hindernissen oder Scannen von QR- oder Barcodes am Ladungsgut.
Entscheidend sind dabei die vernetzte Verarbeitung und Fusionierung aller Sensordaten, um ein möglichst realistisches Abbild der Umgebung herzustellen. Gleichzeitig muss man sich der Limitierung der Sensoren bewusst werden. Häufig können Lidar Sensoren nur auf einer Ebene (z. B. 10 cm über dem Boden) eingesetzt werden. Gabelzinken von Staplern würden somit nicht erkannt werden, ebenso wie z. B. zu niedrige Durchfahrten durch herausragende Bauteile oder Materialien. 

3. SLAM

Abkürzung für „Simultaneous Localization and Mapping“ („Simultane Lokalisierung und Kartenerstellung“). SLAM ist eine Technik, die es mobilen Robotern ermöglicht, sich zu orten und gleichzeitig eine Karte seiner Umgebung herzustellen. Die Ortung des Roboters im Raum ist nötig, um daraus und gemeinsam mit dem gesamten Kartenmaterial die Navigation zu bestimmten Zielen durchführen zu können. Dafür werden die Daten der Sensoren verwendet und mit entsprechenden Algorithmen verarbeitet.

4. Flottenmanager

Beim Betrieb größerer Flotten mobiler Roboter wird als Software ein Flottenmanager verwendet, um verschiedene Aufgaben in der Orchestrierung der Roboter zu gewährleisten. Dazu gehört beispielsweise die Verteilung von Aufträgen an die jeweils passenden Roboter in einer optimalen Art und Weise, die eine maximale Effizienz und Auslastung gewährleistet. Außerdem werden viele Funktionen, die beim Betrieb manueller Fahrzeuge von Menschen durchgeführt werden, vom Flottenmanager übernommen, wie z. B. das Verkehrsmanagement oder das Batteriemanagement.

Der Flottenmanager bietet Anwendern außerdem eine grafische Benutzeroberfläche an, um die Flotte zu verwalten, zu überwachen und bei Störungen eingreifen zu können.

5. Interoperabilität

Logistische Prozesse in einem Werk umfassen häufig Warenbewegungen von kleinen Behältern bis hin zu mehreren Tonnen schweren Ladungsträgern. Dies erfordert den Einsatz verschiedener mobiler Roboter, die nicht durch das Portfolio eines Herstellers abgedeckt werden können. Fahren diese verschiedenen mobilen Roboter auch noch auf der gleichen Fläche, ist die Interoperabilität zwischen Fahrzeugen und Flottenmanager notwendig, also die Fähigkeit mehrere Hersteller gleichzeitig steuern zu können.

Eine weitere Anforderung ist es, den sog. „Vendor Lock“ zu vermeiden, also von einem Hersteller abhängig zu sein, um den Betrieb aufrechterhalten zu können. Durch standardisierte Schnittstellen soll es möglich sein, innerhalb eines Robotertyps (z. B. Palettenaufnahme, Behältertransport, Trolleyzug) Hersteller austauschen zu können, falls diese Vorteile bieten.

6. VDA 5050

Die VDA 5050 ist eine vom VDA und VDMA veröffentlichte, standardisierte Schnittstelle, welche die Kommunikation zwischen Leitsystemen und mobilen Robotern regelt. Die basiert auf dem MQTT-Protokoll und funktioniert nach dem Publisher-Subscriber Model. In sog. Topics wird der Austausch von Informationen geregelt, die wichtigsten sind:

  • Order: hier „publisht“ das Leitsystem den nächsten Auftrag für einen Roboter. Dieser ist darauf „subscribed“ und erhält Updates zum Auftrag.
  • State: hier ist die Reihenfolge umgekehrt, das Fahrzeug „publisht“ seinen aktuellen Status, dazu gehören X-/Y-Koordinate, Batteriezustand und Fehlermeldungen. Das Leitsystem ist darauf „subscribed“ und kann entsprechende Funktionen auslösen.
Ziel der VDA 5050 Schnittstelle ist es, die Fahrzeuge mehr oder weniger „Plug and Play“ an ein Leitsystem anbinden und damit auch austauschen zu können. Sie soll eine Systemlandschaft vermeiden, in der jedes Fahrzeug mit seiner eigenen Schnittstelle angesprochen werden soll.

7. Layout Interchange Format (LIF)

Durch die VDA 5050 Schnittstelle schickt das Leitsystem einen Auftrag an ein Fahrzeug, welcher von diesem ausgeführt werden muss. Ein wichtiger Teil des Auftrags ist die Information über die Aufnahme- und Abgabestelle, außerdem der Weg dazwischen anhand eines Knoten-Kanten-Graphs. Damit sowohl das Leitsystem als auch die Fahrzeuge beim Kartenmaterial die gleiche Sprache sprechen, wurde das Layout Interchange Format (LIF) veröffentlicht. Es ist ähnlich wie die VDA 5050 ein standardisiertes Protokoll zum Austausch von Kartenmaterial. Bei Änderungen an der Karte soll dies somit nur in einem System durchgeführt werden (z. B. auf dem Fahrzeug) und bestenfalls automatisiert an das Leitsystem weitergegeben werden.

Noch ist die Verbreitung des LIF nicht so flächendeckend verfügbar wie der VDA 5050, es wird aber immer häufiger von Fahrzeugherstellern und Leitsystemanbietern unterstützt.

8. Batteriemanagement

Mobile Roboter beziehen ihre Energie aus einem Akku. Dieser muss je nach Typ, Auslastung, Fahrzeiten, etc. mehr oder weniger häufig geladen werden. Dafür ist das Batteriemanagement zuständig, welches entweder in der Verantwortung des mobilen Roboters oder des Leitsystems liegen kann. Je nach Komplexität der gesamten Flotte, kann es Sinn ergeben, dass das übergeordnete Leitsystem die Fahrzeuge zu Ladestationen schickt und den Ladevorgang beginnen lässt. Dies hat den Vorteil, dass das Leitsystem dynamisch abhängig von der Auftragssituation entscheiden kann, welches Fahrzeug wie lange laden kann. Gleichzeitig kann auf der Fahrt zur Ladestation der Verkehr geregelt werden.

Das Batteriemanagement ist außerdem für die Schonung und Wartung der Batterie zuständig. So sollen, je nach Akkutyp, nach Möglichkeit Ladezeiten gewählt werden, die im optimalen Bereich liegen. Darüber hinaus kann es ebenfalls je nach Akkutyp notwendig sein, regelmäßig eine Zellausgleichsladung durchzuführen, die eine gewisse Verweildauer auf einer Ladestation benötigt.

9. Verkehrsmanagement / Traffic Management

Sobald eine Flotte mobiler Roboter mehr als ein Fahrzeug umfasst, kann es zu Verkehrssituationen an Kreuzungen oder Engstellen kommen, die geregelt werden müssen. Ohne ein Verkehrsmanagement entsteht das Risiko eines Deadlocks, also dass beide Fahrzeuge nicht weiterkommen, da sie auf das Freiwerden ihres Fahrwegs warten. Bei einer Flotte mit Fahrzeugen eines Herstellers ist dies häufig in der eigenen Fahrzeugsoftware integriert. Sie hat Kenntnisse über die Wege der Fahrzeuge und kann bei Überschneidungen ein Fahrzeug rechtzeitig anhalten.

Sind mehrere Hersteller unterwegs, die auf derselben Fläche fahren, muss das Verkehrsmanagement von einem übergeordneten Leitsystem durchgeführt werden. Dieses hat Informationen über die Auftragsvergabe sowie den geplanten Weg der unterschiedlichen Fahrzeuge. Dadurch kann das Leitsystem entscheiden, welches Fahrzeug den Fahrweg zuerst befahren kann, ohne dass es zu einem Deadlock kommt.
Erfahren Sie hier mehr zum Verkehrsmanagement mit VDA 5050! Erfahren Sie hier mehr zum hybriden Verkehrsmanagement!

10. Hindernisumfahrung / Obstacle Avoidance

Mobile Roboter haben einen langen Weg von einfachen, spurgebundenen zu frei navigierenden Fahrzeugen gemacht, die über intelligente Algorithmen verfügen, die ihnen einen gewissen Grad an Autonomie ermöglichen. Heutzutage ist das fahrerlose Fahren in bestehenden Umgebungen, die nicht für mobile Roboter gedacht waren, eine besondere Herausforderung. Daher ist eine immer häufig genannte Anforderung das Umfahren von Hindernissen.

Hierbei müssen zwei Arten unterschieden werden:

  1. Das Umfahren von Hindernissen innerhalb eines vorgegebenen Korridors ohne Überschneidung mit anderen Fahrwegen. Dies ist heutzutage mit Sensoren und den entsprechenden Algorithmen gut möglich.

  2. Das Umfahren von größeren Hindernissen, welches dazu führt, dass sich die Fahrwege mit z. B. entgegenkommenden Fahrzeugen überschneiden. Dies ist aus zwei Gründen problematisch. Zum einen kann das Fahrzeug trotz moderner Sensoren nicht abschätzen, wie groß das Hindernis ist und ob es überhaupt umfahrbar ist. Zum zweiten kann es durch die Überschneidung mit anderen Fahrwegen zu einem Aufeinandertreffen zweier mobiler Roboter kommen, das in einem Deadlock enden kann.
Während die erste Art heutzutage gut durch die neueste VDA 5050 Version (2.1) gelöst werden kann, gibt es für die zweite noch keinen standardisierten Ansatz. Daher wird empfohlen, das Auftreten solcher Hindernisse möglichst zu reduzieren und im Zweifel an der Organisation und Disziplin im Werk zu arbeiten.
 

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