Kamerabasiertes Item Picking: Kollege Roboter packt zusammen
Bosch Research hat ein Piece Picking System für Industrieroboter entwickelt, das die Kommissionierung in Warenlagern immens vereinfacht.
Morgens halb zehn in einem ganz normalen Warenlager. Zehntausende verschiedene Produkte befinden sich in meterhohen Regalen. Gabelstapler bahnen sich in den Gängen dazwischen ihren Weg. Sie heben mal hier, mal dort eine Kiste aus dem Fach und fahren sie zur Verpack- respektive Kommissionier-Station. Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter stellen dort die Versandpakete entsprechend der abgegebenen Kauforder zusammen – alles in Handarbeit. „In der Kommissionierung ist Automatisierung noch nicht wirklich angekommen“, sagt Christoph Marx, Forschungsingenieur bei Bosch Research im Bereich Montagetechnik und Industrierobotik. Eine Folge: Auf das Heraussuchen der Produkte aus den Boxen, das sogenannte Item Picking, entfallen rund 50 Prozent der Kosten einer Bestellverarbeitung im E-Commerce.
Im Gegensatz zu bisherigen Automatisierungslösungen im Fertigungsumfeld, die das Bosch Team sonst angeht, ist das Kommissionieren in Warenlagern eine ganz neue Welt, in der die Robotik-Experten großes Potenzial sehen. „In der industriellen Produktion sind unsere Roboter-Anwendungen in der Regel darauf spezialisiert, ein einzelnes Bauteil präzise und schnell zu greifen und an anderer Stelle mit hoher Genauigkeit und Qualität zu montieren. Ein und dasselbe Bauteil wird millionenfach gegriffen. Dabei sind Roboter-Greifer und Prozesse genau darauf abgestimmt“, erklärt Marx.
Beim Kommissionieren im Warenlager sind die Ingenieure mit ganz anderen Herausforderungen konfrontiert. Es geht darum, die unglaublich hohe Produktvielfalt an Größe, Gewicht und Form der Waren mit nur einem Roboter-System an der Kommissionier-Station handhaben zu können. Das Herausgreifen der Ware aus den ankommenden Boxen, das sogenannte „Bin Picking“, muss zudem ohne zusätzliche Vorabinformationen zu den Produkten auskommen. „Aufgrund der schieren Menge an Produkten und der sich stetig ändernden Produktpalette können wir keine Datenbank mit Produktinformationen zu typischen Eigenschaften oder gar CAD-Daten pflegen“, sagt der Robotik-Experte. Vielmehr hat das Team generalisierte Methoden für beispielsweise Greiftechnik und Objektsegmentierung erarbeitet, die für ein sehr breites Spektrum an Waren Anwendung findet, ohne zu wissen, was der Roboter in einer Box vorfindet.
Modellfreies „Bin Picking“ – die smarte Revolution im Warenlager
Genau für diese Automatisierungslücke hat Bosch Research in den vergangenen Jahren mit Industrierobotern eine neue intelligente Lösung entwickelt. Damit könnte der Alltag in Warenlagern künftig so aussehen: Ein Kunde bestellt beispielsweise zwei Scheibenwischer und ein Paket Bremsbeläge. Entsprechend des Kundenauftrages wird dann dem Roboter eine Box mit Scheibenwischern und eine Box mit Bremsbelägen am Kommissionier-Platz bereitgestellt. Dieser ist mit einer 3D-Kamera und einem Roboterarm ausgestattet. Die Kamera macht von oben eine Aufnahme des Boxeninhalts. Die integrierte Software erfasst nun den Inhalt, segmentiert daraus einzelne Produkte und schickt dem Roboter die genaue Position der gewünschten Ware sowie den optimalen „Griff“. Der Roboter berechnet eine ideale Bahn, um kollisionsfrei in die Box zu fahren, greift das gewünschte Produkt heraus und legt es zielsicher in den bereitstehenden Versandkarton. Für den zweiten Scheibenwischer aus der Bestellung macht die Kamera ein neues Bild und der Ablauf beginnt von vorn.
KI trifft auf klassische Methoden
In dieser Abfolge steckt eine ganze Menge an Forschungsarbeit der Bosch Research Experten für Industrierobotik.
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Im Video erklärt: das Smart Item Picking System von Bosch Research und Bosch Rexroth (nur in englischer Sprache verfügbar)
Bosch Research Forscherinnen und Forscher arbeiten Hand in Hand mit den Produktentwicklerinnen und -entwicklern im Bosch Geschäftsbereich
Die Idee, sich näher mit der Automatisierungslücke im E-Commerce zu beschäftigen, entstand bei Bosch Research vor etwa drei Jahren. Den konkreten Bedarf brachte etwas später Bosch Rexroth ins Spiel. Einer ihrer Kunden war auf der Suche nach einer automatisierten Kommissionier-Anlage. So wurde die Entwicklung des Smart Item Picking Roboters zu einem gemeinsamen Projekt von Bosch Research und Bosch Rexroth.
Einen ersten Prototyp entwickelte das zehnköpfige Projektteam für die Modellfabrik von Bosch Rexroth in Ulm. Aufgabe von Bosch Rexroth war es anschließend, den Prototypen in die Serienreife zu bringen. „Dabei hatten wir von Anfang an die Idee, ein Baukastensystem auf den Markt zu bringen, mit dem sich die Kundenbedürfnisse offen und branchenspezifisch abbilden lassen“, berichtet Jörg Heckel von Bosch Rexroth. Je nach Produktportfolio und Arbeitsplatz stellt Bosch den passenden Roboterarm, 3D-Sensor und Greifer zusammen und schnürt das passende Softwarepaket mit den nötigen Algorithmen. Ende Mai 2022 wird das Projektteam das neue kundenfertige System auf der Stuttgarter Logistikmesse Logimat offiziell vorstellen.
Mit Hilfe verschiedener von Bosch entwickelter Algorithmen sind Item Picking Roboter in der Lage, konkrete Produkte in Warenboxen zu erkennen, sie herauszunehmen und in das Versandpaket zu legen. Die verschiedenen USP, die in dem System stecken und die Bosch Research entwickelt und gemeinsam mit Bosch Rexroth zur Marktreife gebracht hat, sehen Sie hier:
Alleinstellungsmerkmale des Smart Item Picking Systems
Mithilfe klassischer Computer-Vision-Algorithmen und moderner KI-Methoden können einzelne Objekte in der Kiste erkannt werden, unabhängig davon, ob sie chaotisch darin liegen oder ordentlich gestapelt sind. Für die Objekterkennung sind keine Vorkenntnisse oder CAD-Modelle der Artikel erforderlich.
Der Roboter plant einen Weg in die Box, um ein Objekt zu greifen, ohne dabei mit der Umgebung oder anderen Gegenständen in der Box zu kollidieren. Mithilfe des kollisionsfreien Pfadplaners kann ein optimaler Weg für den Roboterarm und bestmögliches Greifverhalten bestimmt werden.
Da Smart Item Picking als Bausatz entwickelt wurde, können verschiedene Industrieroboter mit unterschiedlicher Reichweite und Traglast mit verschiedenen Arten von 3D-Vision-Sensoren kombiniert werden, die von hochpräzise bis preisgünstig reichen.
„Welches Objekt soll der Roboterarm zuerst aus den erkannten Artikeln in der Box herausgreifen?“ Um diese Frage zu klären, wurden viele Überlegungen und Tests durchgeführt. Sie gehört zum Kern-Know-how von Bin Picking Anwendungen bei Bosch Research.
Es wird ein Universalgreifer verwendet, um viele verschiedene Teile handhaben zu können, ohne dass zwischendurch ein Greiferwechsel stattfinden muss. Eine große Herausforderung ist dabei, dass dieser Greifer universell für eine ganze Reihe von Objekten einsetzbar ist und dennoch zuverlässig spezifische Teile greifen kann.
Neben Softwarealgorithmen und KI-Methoden von Bosch Research für das Smart Item Picking System verfügt Bosch Rexroth über eigene Anlagentechnik und einen eigenen Anlagenbau, was Bosch unter den Wettbewerbern und Start-ups in dieser Domäne einzigartig macht.
Christoph Marx
Christoph Marx hat Maschinenbau und Mechatronik an der Hochschule Esslingen studiert. Bereits während seiner Studienzeit beschäftigte er sich mit der Industrierobotik und Softwareentwicklung und hat in seiner Abschlussarbeit bei Bosch Research an der Entwicklung des automatischen Produktionsassistenten „APAS“ mitgewirkt. Seit 2016 ist Christoph Marx als Forschungsingenieur bei Bosch Research tätig. Bis 2019 beschäftigten er und seine Teamkolleginnen und -kollegen sich mit Robotersystemen in der Produktion. Fokus des Teams war hierbei immer die Programmierung der Roboter mit Hilfe von spezifischen Bahnplanungsalgorithmen und 3D-Bildverarbeitungsmethoden zu vereinfachen. Ein weiterer Schwerpunkt waren zweiarmige Robotersysteme, die dem Menschen nachempfunden sind, sowie deren Einsatz in typischen Handarbeitsplätzen in der Bosch-Produktion. Seit 2019 beschäftigen sich Marx und seine Kolleginnen und Kollegen mit der Automatisierung von Kommissionier-Aufgaben in Warenlagern, welche durch das stetige Wachstum im Bereich e-Commerce zunehmend wichtig wird. Marx vertritt zudem seit Kurzem Bosch im gemeinnützigen Verein „euRobotics“ der europäischen Robotik-Community, in der unter anderem Einfluss auf zukünftige Robotikthemen der Europäischen Forschungsrahmenprogramme genommen wird.