Die Zukunft der Logistik klingt nach Science-Fiction

Um die Vision einer hochflexiblen Logistik in die Realität zu überführen, ist Künstliche Intelligenz (KI) unabdingbar. Vor diesem Hintergrund haben die Forschenden des Fraunhofer IML mit mobilen autonomen Transportsystemen wie dem LoadRunner, evoBOT und O3dyn nicht nur gezeigt, welche technologischen Möglichkeiten heute zur Verfügung stehen, um Logistikprozesse in eine neue Dimension zu heben, sondern auch, wie sich Entwicklungsprozesse beschleunigen und Entwicklungskosten reduzieren lassen. Die Lösungsworte heißen »Simulationsbasierte Künstliche Intelligenz« und »Digitales Kontinuum«.

Mit dem PACE Lab (PACE = Positioning Accuracy Communication Evaluation) haben die Dortmunder Forschenden ein High-Tech-Testfeld zur Echtzeitdatenerfassung realisiert und damit eine weltweit einzigartige Entwicklungsumgebung geschaffen, um mithilfe von Künstlicher Intelligenz hochdynamische autonome Transportsysteme zu entwickeln. In zwei Testhallen wird zum einen die Grundlageforschung im Bereich der Positionsdetektion vorangetrieben. Zum anderen werden dort konkrete Anwendungen untersucht. So dient das PACE Lab als 5G-Testfeld, in dem die Kommunikation autonomer Systeme mit einer Basisstation, einem Device-Simulator und einer enormen Anzahl von Messgeräten nachvollzogen wird. Dabei nutzt das Fraunhofer-IML-Team auch ein neuartiges Lasersystem, das an der Hallendecke montiert ist und Daten
während der Entwicklung in Echtzeit auf den Boden projiziert – Augmented Reality wird hier ohne Brille erlebbar.

Bei der rein virtuellen Entwicklung der Schwarmsteuerung beim LoadRunner hat das Fraunhofer IML weltweit einen Meilenstein in der Schwarmrobotik gesetzt und ist zum Wegbereiter der Revolution vom FTF zum mobilen autonomen Roboter avanciert. Mit der Simulationsbasierten KI haben die Dortmunder Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zudem einen gänzlich neuen Forschungszweig erschlossen, der die Basis für viele weitere Projekte ist, wie beispielsweise die »AI Arena«, die »Datenfabrik.NRW« oder die Open-Dynamic-Plattformen der Silicon Economy. Dem LoadRunner folgten mittlerweile weitere aufsehenerregende Projekte, wie die Transportroboter »evoBOT« und »O3dyn«.

Entwicklungszeiten verkürzen und Kosten sparen

Je komplexer die Logistik wird, desto wichtiger werden Dezentralisierung und Selbstorganisation, um nicht an Effektivität einzubüßen. »Ein Transportroboter ist ein hochkomplexes System, ein Zusammenspiel von Mechanik, Sensorik, Reglungstechnik«, erklärt Dr. Sören Kerner. »Die Realisierung vollständig autonomer Transport- und Robotersysteme ist deshalb mit hohen Kosten und mehrjähriger, ressourcenintensiver Entwicklungsarbeit verbunden. Mit Schlüsseltechnologien- und Instrumenten wie der KI und Simulationen könnten wir Kosten senken und Entwicklungszeiten verkürzen.« Kombiniert ergäben sie, so der Forscher, das Potenzial einerdigitalen Realität – einer ganzheitlichen, KI-basierten, quasi perfekten Simulation, die eine virtualisierte Entwicklung neuartiger autonomer Systeme ermöglicht – ohne Anpassungsaufwand an den realen Roboter. Es entsteht das Konzept einer  Simulationsbasierten KI in einer digitalen Realität. »Dabei verstehen wir unter »Digitaler Realität« die Verschmelzung von Simulation und Realität – es entsteht ein Digitales Kontinuum für Roboter. Dieses ermöglicht es, Algorithmen digital zu entwickeln, ohne dass diese auf die Realität angepasst werden müssen«, so Dr. Sören Kerner. »Das heißt, für die Entwicklung zukünftiger Transportsysteme bzw. Transportroboter können wir die Simulation so realistisch gestalten, dass sie für den Roboter zur Realität wird. Der Algorithmus kann nicht mehr unterscheiden, ob er in einer Simulation oder dem realen Roboter
ausgeführt wird.«  

LoadRunner sortiert blitzschnell Güter

Mit dem LoadRunner hat das Fraunhofer IML eine neue Klasse hochdynamischer, autonomer Schwarmfahrzeuge für die Sortierung vorgestellt. Das Projekt baut auf der Zukunftsvision einer infrastrukturreduzierten Logistik auf – einer Vision, bei der der ideale logistische Raum leer ist, da nur mit hoher Flexibilität und Skalierbarkeit der hohen Dynamik der heutigen Logistik begegnet werden kann. Bei der Entwicklung des Fahrerlosen Transportfahrzeugs lag der Fokus nicht nur auf einer hohen Flexibilität, sondern auch auf einer schnelleren Ein- und Ausschleusung von Gütern. Der LoadRunner kann sich eigenständig im Schwarm organisieren und erreicht eine enorme Sortierleistung. Damit adressieren LoadRunner-Schwärme Bereiche, die bislang der  Hochleistungssortier-und -fördertechnik vorbehalten waren. Er benötigt im Gegensatz zu klassischen Sortiersystemen wesentlich weniger fest installierte Infrastruktur und bietet eine deutlich schnellere Inbetriebnahme, eine dynamische Leistungsanpassung sowie eine höhere Skalierbarkeit. Das Fahrzeug ist mit einem omnidirektionalen Fahrwerk ausgestattet. Dadurch kann es völlig frei auf der Fläche navigieren. Zur Kollisionsvermeidung passt die Trajektoriensteuerung sowohl den Fahrweg als auch die Geschwindigkeit an. Dies verhindert eine Kollision der Fahrzeuge trotz hoher Geschwindigkeiten. Die Warenübergabe an den Ablagestationen erfolgt nach dem trägheitsbasierten Übergabeprinzip – also ohne zusätzliche Aktorik. Mit der KION Group hat das Fraunhofer IML einen namhaften Industriepartner gefunden, der die LoadRunner-Technologie im gemeinsamen Enterprise Labs für den Einsatz in ihrer Unternehmensgruppe lizensiert und gemeinsam weiterentwickelt (mehr zum LoadRunner in Logistik entdecken #22, S. 24).

Der evoBOT ist ein erster Prototyp einer neuen Klasse autonomer mobiler Transportroboter auf zwei Rädern. Er kann schieben, ziehen, Dinge wenden und anreichen – und hält dabei immer das Gleichgewicht. Das verdankt er dem Prinzip des inversen Pendels, das ohne Gegengewicht auskommt: Dank der Pendelbewegung kann der Roboter Objekte wie Kisten und Pakete, soweit seine Arme es zulassen, direkt vom Boden aufnehmen oder vom Förderer anheben und in unterschiedlichen Höhen wieder abgeben. Dabei ist er bis zu 10 m/s schnell. Er kann Rampen und Kanten bewältigen – und auch holpriges Pflaster im Außenbereich stellt kein Hindernis für ihn dar. Mit evoBOT lassen sich viele intralogistische Aufgaben bewältigen, für die bislang unterschiedliche Robotertypen im Einsatz sind. Denn der auf einer Plattform basierende Roboter kann mit unterschiedlichsten Greiferlösungen zum Halten, Positionieren und Bewegen von Waren ausgestattet werden. Dadurch kann er in vielfältigen Einsatzgebieten in der Logistik und im industriellen Kontext zum Einsatz kommen. Mit seinen Armen und dem eindringlichen Blick seiner  Kameraaugen weist er in die humanoide Zukunft der Robotik – und zwar nicht nur in der Logistik. Mit seinem bioinspirierten Design und seinen Fähigkeiten hat er das Potenzial, zu einem echten Kollegen zu werden (mehr zum evoBOT auf S. 32).

Mit dem hochdynamischen, autonomen Transportroboter O³dyn soll der außerund innerbetriebliche Palettenumschlag maßgeblich verändert werden. Im Gegensatz zu den meisten Fahrerlosen Transportsystemen weist Odyn gleichermaßen eine hohe Leistungsfähigkeit, Dynamik und Flexibilität auf und eignet sich zudem für den hybriden Betrieb.
Er kann omnidirektional große Lasten im Format einer Palette transportieren. Dabei verlässt er die geschützte und definierte Umgebung von Lagerhallen, um auf Betriebsgeländen zu agieren: Er transportiert über längere Strecken Material von einem Gebäude zum nächsten und wechselt nahtlos vom Innen- in den Außenbereich. Dazu besitzt das Fahrzeug ein omnidirektionales Fahrwerk mit Mecanumrädern sowie eine Luftfederung. Dadurch kann sich Odyn nicht nur auf engstem Raum fortbewegen, sondern auch die Last präzise positionieren. Das Luftfahrwerk passt sich möglichen Bodenunebenheiten im Außenbereich an und sorgt auch für die Lastaufnahme. Als autonomer Transportroboter ist Odyn einer der ersten Bewohner des sogenannten »Robotik-Kontinuum«, das Simulation und maschinelles Lernen mit der Realität verbindet (mehr zu Odyn auf S. 35).