Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Intelligente Transportmobile
Der Einsatz mobiler Roboter nimmt in vielen Bereichen kontinuierlich zu. Ein weit verbreiteter Anwendungsfall ist der Einsatz von fahrerlosen Transportfahrzeugen in Logistik- und Produktionsbereichen. Aber auch in industriefernen Bereichen, wie z.B. in stationären Pflegeeinrichtungen, werden mobile Roboter mit verschiedenen Aufgaben eingesetzt.
Um einen flexiblen Einsatz mobiler Roboter in dynamischen Umgebungen zu ermöglichen, bedarf es einer Sensorik, die eine umfassende Umgebungswahrnehmung sowie einen sicheren Betrieb ermöglicht. Mit dieser Thematik hat sich das Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie in dem dreijährigen Forschungsprojekt S³ auseinandergesetzt. Die daraus gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse werden im folgenden Beitrag vorgestellt.
Vorstellung des Forschungsprojektes
Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten mobiler Roboter steigen die Anforderungen an die Sensorik im Bereich der Umgebungswahrnehmung. Aus diesem Grund wurde im Forschungsprojekt S³ „Sicherheitssensorik für Serviceroboter in der Produktionslogistik und weiteren Anwendungen“ an einem sicheren 3D-Sensorsystem gearbeitet, welches folgende Ziele erfüllen soll:
- Realisierung einer sicheren Unterscheidung zwischen Personen und Objekten
- Interpretation von Nutzerposen bei erkannten Personen
- Erkennung von Unregelmäßigkeiten in der Umgebung (z. B. ausgetretene Flüssigkeiten auf dem Fahrweg, Erkennung von Füllständen in Gefäßen).
Neben dem IFT waren an dem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt die Alexander Tamm GmbH, die Pilz GmbH & Co. KG, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA sowie die Bruderhaus Diakonie – Stiftung Gustav Werner und Haus am Berg beteiligt.
Die Sensorik sollte in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden. Einen wichtigen Anwendungsfall stellte der Einsatz von Sensorik in fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) im Bereich der Produktionslogistik dar. In Produktionen übernehmen FTF in der Regel Transportaufgaben. Sie werden üblicherweise verwendet, um Montagestationen mit Material zu versorgen oder sie dienen als Werkstückträger, um das zu montierende Produkt von einer Station zur nächsten zu transportieren [1]. Durch die Unterscheidung von detektierten Hindernissen in Personen und Objekte können unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten und Sicherheitsabstände umgesetzt werden. Dadurch kann gleichzeitig die Sicherheit der dort arbeitenden Mitarbeiter erhöht sowie die Produktivität gesteigert werden. Außerdem können mit der neuen Sensorik beispielsweise an Maschinen ausgelaufene Flüssigkeiten auf den Fahrwegen erkannt und verantwortliche Mitarbeiter zur Behebung des Problems informiert werden. Ein weiterer Anwendungsfall für die entwickelte Sensorik ist der Einsatz von Service-Robotern in der stationären Pflege (Bild). Hier sollen mobile Roboter das Pflegepersonal entlasten, indem sie bei Tätigkeiten wie der Getränkebereitstellung sowie Trinkerinnerungen unterstützen. Dazu ist eine Erkennung von Gefäßen sowie deren Füllständen notwendig. Durch den Einsatz in einer Umgebung mit älteren und kranken Personen ist in diesem Anwendungsfall eine sichere Erkennung von Personen besonders relevant. Außerdem kann die Interpretation der Nutzeraktivität (z. B. eine am Boden liegende Person) zur schnellen Hilfe in einer Notsituation beitragen.
Um die genannten Ziele für die beiden Anwendungsfälle strukturiert umzusetzen, wurden Arbeitspakete definiert.
Zu Beginn des Projektes arbeiteten alle Projektpartner gemeinsam an einer Anforderungsanalyse und dem technischen Konzept für die zu entwickelnde Sensorik. Dazu wurden die Anwendungsfälle Produktionslogistik und Pflegeassistenz sowie weitere typische Anwendungen für Serviceroboter analysiert und Anforderungen herausgearbeitet. Diese waren die Basis für die daraus abgeleiteten Evaluierungskriterien und die spätere Evaluation der Sensorik sowie für das technische Konzept der 3D-Umgebungssensorik.
Anschließend wurden auf Grundlage der definierten Anforderungen geeignete Sensortechnologien ausgewählt und für das Forschungsvorhaben angepasst. Parallel zu dieser Auswahl der Hardware arbeiteten die Projektpartner an der Software für die Umsetzung einer sicheren Unterscheidung zwischen Personen und Objekten. Dazu gehörten die Weiterentwicklung bestehender Algorithmen zur Personenerkennung, die Entwicklung einer sicheren Auswertung von Personen/Objekten sowie die Durchführung von Versuchen in einer neu aufgebauten Testumgebung. Im Arbeitspaket 4 widmeten sich die Projektpartner den Möglichkeiten, wie die gewonnenen 3D-Punktewolken der Sensorik zusätzlich verwendet werden konnten. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Erkennung transparenter Flaschen und der Interpretation der Aktivitäten von erkannten Personen. Die Auswertung von Umgebungsdaten mittels moderner Methoden des maschinellen Lernens war der Inhalt des Arbeitspaketes 5. Hierbei wurde das Ziel verfolgt, auftretende Unregelmäßigkeiten wie ausgelaufene Flüssigkeiten oder auch Füllstände von Gefäßen mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und deren Sensorik in beiden Anwendungsfällen in Echtzeit während realer Einsätze zu erkennen. Zum Ende des Projektes wurden die Ergebnisse aller parallel laufenden Arbeitspakete in einem Demonstrator zusammengeführt und die Sensorik mit allen Neuentwicklungen in Produktionslogistik und stationärer Pflege validiert.
Autoren: Laura Blumhardt-Ziegler, Dr.-Ing. David Korte
Quellen
[1] Ullrich, G.; Albrecht, T.: Fahrerlose Transportsysteme. Eine Fibel – mit Praxisanwendungen – zur Technik – für die Planung. 3., vollständig überarbeitete Auflage, Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH/Springer Vieweg, 2022.
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