Kleinantriebe mit hoher Leistungsdichte für AMR

Flexible Transportsysteme für die Intralogistik

Im Zeitalter von Internet of Things und Industrie 4.0 spielt die Intralogistik eine wichtige Rolle. Für eine vollautomatisierte Produktion ab Losgröße eins müssen die richtigen Teile zur rechten Zeit zu den Fertigungsstationen transportiert werden. Mobile Roboterplattformen sind daher in den Lager- und Produktionshallen weltweit auf dem Vormarsch. Mittlerweile gibt es Lösungen, die sich ohne vorinstalliertes Leitsystem völlig autonom in den Industriehallen bewegen. Treibende Kraft sind robuste Kleinantriebe in den Radmodulen, die sich vor allem durch ihre hohe Leistungsdichte auszeichnen.

Die autonomen mobilen Roboter von Evocortex benötigen kein vorinstalliertes Leitsystem, sondern orientieren sich stattdessen an Unregelmäßigkeiten im Hallenboden. (Bild: Evocortex GmbH)

Das Nürnberger Startup Evocortex wurde im Jahre 2016 gegründet und hat ein neuartiges AMR-Konzept entwickelt, das für die Intralogistik neue Ansätze liefert. Geschäftsführer Hubert Bauer erklärt: „Herkömmliche AMR brauchen meist definierte Fahrwege und technische Veränderungen in den Prozessen. Zur Orientierung sind oft optische Markierungen nötig und Wege oder Kreuzungen müssen vorgegebenen Abmessungen und Kurvenradien entsprechen. Wir dagegen haben Transportroboter entwickelt, die sich den Bedürfnissen der Anwendung anpassen und nicht umgekehrt.“

An der Unterseite der Roboter befindet sich eine hochauflösende Kamera. (Bild: Evocortex GmbH)

Der Hallenboden als Landkarte

Die autonomen mobilen Roboter von Evocortex benötigen kein vorinstalliertes Leitsystem, sondern orientieren sich stattdessen an Unregelmäßigkeiten im Hallenboden. Diese sind selbst auf den glattesten Betonflächen zu finden und werden von der hochauflösenden Kamera an der Unterseite des Roboters registriert. Das von Evocortex entwickelte Localization Module (ELM) fertigt aus den Bilddaten dann quasi einen Fingerabdruck des Hallenbodens an. Dazu fährt der Roboter beim Einlernen den Hallenboden rasterförmig ab. Mit Hilfe komplexer Algorithmen entsteht aus einzelnen Punkten dann eine hochpräzise Landkarte. Die Steuerung erfasst zudem die Eigenbewegung des Fahrzeugs. Durch die Kombination der Daten kann sie es – auf einer theoretischen Fläche von 1km² – auf 1mm genau positionieren. Dafür genügen bereits drei identifizierte Punkte. Selbst wenn also 50 Prozent des Bodens mit Sägespänen abgedeckt wären, sorgt das ELM für eine präzise und genaue Navigation. Dauerhafte neue Kratzer im Boden werden in die Karte aufgenommen, verschwundene Merkmale nach einiger Zeit entfernt. Optional können die Transportroboter mit Lidar-Sensoren ausgestattet sein, um Hindernisse zu erkennen und Kollisionen zu vermeiden.

Die Radmodule mit den Mecanum-Rädern erlauben omnidirektionale Fahrmanöver. (Bild: Evocortex GmbH)

Flexible Räder für freie Beweglichkeit

Beim Fahren müssen die Transportroboter nicht wie ein Auto rangieren, sondern sie können aus dem Stand in jede beliebige Richtung fahren oder auf der Stelle drehen. Dafür sorgen ihre Mecanum-Räder. Anstelle einer geschlossenen Lauffläche sind hier auf der Felge tonnenförmige Rollen im Winkel von 45° zur Radachse befestigt. Sie können sich um ihre eigene schräge Lagerachse drehen. Form, Größe und Abstände der Rollen sind so gewählt, dass das Rad eine durchgehende Abrollfläche hat. Wenn sich das Mecanum-Rad dreht, entstehen zwei Kraftkomponenten, eine in Drehrichtung des gesamten Rades und eine im rechten Winkel dazu. Die resultierende Bewegungsrichtung liegt folglich dazwischen. Bei einem Fahrzeug mit vier Mecanum-Rädern sind die 45°-Winkel jeweils um 90° versetzt angeordnet. Jedes Rad strebt also in eine andere Richtung. Indem man Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der einzelnen Räder variiert, kann das Fahrzeug sich auf der horizontalen Ebene dann so frei und omnidirektional bewegen, als würde es schweben.

Für die große Leistung der DC-Kleinmotoren sorgen eine Graphitkommutierung mit großer Stabilität und geringem Verschleiß, leistungsstarke Neodym-Magnete und ein besonders hoher Kupferanteil in der Wicklung des Rotors. (Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG)

Skalierbarkeit durch Radantriebsmodule

An unterschiedliche Anwendungen lassen sich die AMR gut anpassen, denn die Größenauswahl ist nahezu unbegrenzt. „Zwischen 400×480 und 800×1.200mm Kantenmaß lässt sich jede Außenabmessung realisieren“, betont Bauer. Das Radantriebsmodul ist ein entscheidendes Element für diese Skalierbarkeit. Es befindet sich direkt über dem Rad und bildet mit diesem zusammen eine standardisierte, unabhängige Funktionseinheit. Die Räder können also in beliebigen Abständen voneinander montiert werden. Die entscheidende Voraussetzung für diese Anordnung ist ein leistungsstarker Motor mit sehr kleinen Abmessungen. „Wir haben uns genau angeschaut, welche Motoren auf dem Markt dafür in Frage kommen“, erinnert sich Bauer. „Die Leistungsdichte, die wir brauchten, haben wir ausschließlich bei Faulhaber gefunden. Alle anderen Motoren hätten für das geforderte Drehmoment mehr Platz benötigt.“

Selbst Rampen können die Roboter von Evocortex leicht überwinden. (Bild: Evocortex GmbH)

Kleine Kraftpakete

Treibende Kraft des EvoRobot sind DC-Kleinmotoren der Serie 3257… CR oder 3272 … CR, die jeweils mit einem Stirnradgetriebe kombiniert sind. Bei 32mm Durchmesser und 57 bzw. 72mm Länge liefern die kleinen Motoren Drehmomente von 73 bzw. 120mNm. Für die präzise Positionserfassung sorgt jeweils ein IEF3-Encoder mit 4.096 Impulsen pro Umdrehung. Zum schnellen Stoppen und sicheren Halten einer Position sind die Radantriebe zusätzlich mit einer Bremse ausgestattet. „Aufgrund der großen Kraft dieser Kleinmotoren und der robusten Untersetzung kann der EvoRobot bis zu 200kg befördern. Höhere Lasten sind in Vorbereitung.“, erklärt Bauer. „Der Transport funktioniert sogar auf einer Rampe mit 5° Steigung mit einer Geschwindigkeit von 1m pro Sekunde, also etwa mit Schrittgeschwindigkeit.“

Die kleinere Produktlinie EvoCarrier ist für den Transport von Kleinladungsträgern konzipiert. In ihren Radmodulen geht es noch enger zu als beim EvoRobot. Die Unterfahrhöhe liegt bei weniger als 100mm, die AMR können also in extrem niedrige Aussparungen unter einem Transportgut hineinfahren. Zwei oder vier EvoCarrier können auch zusammenarbeiten und gemeinsam Paletten oder eine ganze Regaleinheit befördern. Die Entwickler haben hier einen sogenannten Flachläufer als Antrieb gewählt, einen bürstenlosen Motor der Serie 4221… BXT, der mit einer Länge von 21mm auskommt, dabei aber ein Dauerdrehmoment von 134mNm liefert. Damit schafft der EvoCarrier zusammen mit Getriebeuntersetzung den Transport von Rollstapeln mit Kleinladungsträgern von bis zu 120kg Gewicht. Auf längere Sicht, meint der Geschäftsführer, werde man wohl auch beim EvoRobot zu den bürstenlosen Antrieben übergehen und die Module noch weiter vereinheitlichen.

Zuverlässig im Dauerbetrieb

Neben der hohen Leistungsdichte spielen beim Betrieb der autonomen Transportroboter auch Wartungsfreiheit und die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb eine wichtige Rolle. „Unsere Anforderungen im Hinblick auf die Lebensdauer werden von den Faulhaber-Motoren mehr als erfüllt“, freut sich Bauer. „Außerdem funktionieren die Antriebe mit allen gebräuchlichen Industriesteuerungen. Die Experten von Faulhaber haben uns zudem geholfen, die passende Einstellung der Parameter für die Serienreife zu finden.“