Sichere Roboter: wie funktioniert autonome Navigation im Lager?

Tausende Meter Regale, hunderte identische Regalgänge, keine Markierungen – wie finden sich Roboter in solch einer Umgebung zurecht? Die freie Navigation in einem Versandlager ist für mobile Roboter eine große Herausforderung. Wie funktioniert das, wenn der Roboter außerdem nicht alleine unterwegs ist?

Der Kommissionier-Roboter TORU Cube ist fähig frei in einem kartierten Lager zu navigieren. Dabei bezieht sich der Roboter auf eine vorher angefertigte Karte oder ein CAD Modell des Lagers. Die in der Karte festgehaltenen Strukturen vergleicht der Roboter mit den Daten, die er von seinen beiden Laser Scannern erhält. Aus diesem Abgleich errechnet das System einen wahrscheinlichkeitsbehaftete inkrementelle Schätzung der aktuellen Position im Lager. Diese selbstständige Lokalisierung ermöglicht es TORU seine in Auftrag gegebenen Objekte im Lager zu finden und zu picken. Anhand der Karte kann TORU dann auch optimale Pfade zu den Zielfächern planen. Seine auf Geschwindigkeit adaptierte Basis erlaubt dem Roboter diesen Pfaden akkurat und schnell zu folgen. Durch die perzeptionsgetriebene Lokalisierung benötigt TORU keine speziellen Markierungen im Lager. Sollte sich der Roboter in den Gängen dennoch verlieren, sind weitere Algorithmen zur hochgenauen Positionsschätzung vorhanden. Barcodes, Regalbezeichnungen oder auch die Lampen an der Decke kann TORU nutzen, um seine Position zu bestimmen.

Wie TORU Rücksicht auf seine Umgebung nimmt

TORU besitzt eine Sicherheitstechnik, die aufgrund verschiedener Sensoren eine optimale Gewährleistung der Sicherheit bietet. Mit unterschiedlichen Sensoren werden in variablen Entfernungen und Winkeln rund um den Roboter Hindernisse wahrgenommen und ggf. ein Ausweichmanöver vollzogen.
 Die in diesem Beitrag beschriebene Sensorik ist teils für die Positionsbestimmung und Bewegung auf der anderen Seite auch für das Sicherheitskonzept essentiell.
 Hauptbestandteil der Sicherheit sind zwei Sicherheitslaser, die sich vorne Links und hinten Rechts befinden und Personen erkennen sowie Kollisionen verhindern. Zudem gibt es vier Nachbereichssensoren (zuständig für das Andocken an das Regal) als auch jeweils zwei Nachbereichssensoren rechts und links der Drehsäule um einen Sicherheitsabstand zu gewähren.

Bild: Zwei Sicherheitslaser von SICK bilden an der Front und am Heck ein knapp 260° umfassendes Schutzfeld.

TORUs Wahrnehmung – so behält der Roboter stets den Überblick

Damit sich TORU in seiner Umgebung zurechtfindet, benötigt er verschiedene Sensoren, die für eine genaue Ortsbestimmung notwendig sind. Wenn sich Menschen ein ganzheitliches Bild Ihrer Umgebung schaffen, müssen Roboter mit Hilfe Ihrer Sensoren zunächst erkennen, ob sich ein bestimmter Sensor z.B. vorne oder hinten an der Maschine befindet. Diesen Vorgang bezeichnet man als Kalibrierung. Anders ausgedrückt: Die Sensoren stellen sich automatisch auf ihre Umgebung ein.

Bild: Dank zahlreicher Sensoren behält der Roboter von Magazino die Übersicht über seine Umgebung.

Ein großer Teil von TORUs Sensorik besteht aus sogenannten “Lidars”. Lidars sind zweidimensionale optische Abstandmessgeräte, welche die Präsenz von Gegenständen und Menschen erkennen. So können auf dem geplanten Weg des Roboters Kollisionen vermieden werden. Durch die hohe Genauigkeit der Sensoren können die Messdaten zudem benutzt werden, um während der Fahrt die Umgebung zu kartieren. Neben Lidars verwendet TORU noch andere Sensoren, um eine umfangreiche Wahrnehmung der Umgebung sicher zu stellen. Kameras mit Tiefenmessung ergänzen die Aufgabe von Lidars und erweitern die Detektion auf drei Dimensionen. Somit können auch freistehende Gegenstände wie z.B. Tische detektiert werden. Die Wahrnehmung erfolgt immer im Verhältnis zu TORU. Dafür ist es wichtig, dass die Position von jedem Sensor relativ zum Roboter sehr genau bestimmt wird. CAD Modelle bieten dafür eine gute Annäherung, die durch automatische Kalibriermethoden noch verbessert werden kann. Die Kalibrierung erfolgt indem TORU vordefinierte Kalibriermanöver fährt und dabei die Sensordaten betrachtet. Nach der Fahrt werden die Sensoren der Position so angepasst, dass die gelieferten Daten mit dem Robotermodell übereinstimmen.

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