Automatisierung mit „IRiS“

Im Einzel- und Versandhandel werden Lagerhaltung und Kommissionierung häufig an Dienstleister vergeben. Die Waren gelangen dabei vom Hersteller zunächst per Seecontainer zum Kontraktlogistiker und werden nach der Kommissionierung von dort zu den Kunden gebracht. In den 40-Fuß-Containern befinden sich meist mehrere identische Artikel in gemeinsamen Umverpackungen, die zu hunderten angeliefert und üblicherweise vom Lagerpersonal per Hand entladen werden [1]. Die Arbeit in diesen Containern, die sich im Sommer auf bis zu 45 °C aufheizen können [2], ist monoton und körperlich anstrengend. Die daraus resultierende hohe Mitarbeiterfluktuation stellt für die betreffenden Unternehmen einen großen Unsicherheitsfaktor dar [3].

Bei einem großen Logistikdienstleister wurden der Entladeprozess und die Randbedingungen am Wareneingang aufgenommen. Auf Basis der daraus abgeleiteten Anforderungen an ein automatisiertes Entladesystem für Seecontainer folgte eine Analyse der am Markt vorhandenen Systeme hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit. Da sich diese Lösungen zur Automatisierung des Entladeprozesses nicht etablieren konnten [4], wird ein neues System präsentiert, das am Bremer Institut für Produktion und Logistik (BIBA) innerhalb des Forschungsprojekts „IRiS“¹⁾ entwickelt wurde. Der semi-autonome Ansatz soll durch partielle Eingriffsmöglichkeiten über einen digitalen Zwilling die Systemrobustheit steigern und damit die Probleme existierender Entladesysteme vermeiden.

Praxis bisher – Prozessaufnahme am Wareneingang

Die zentralen Schritte des Prozesses zwischen der Containeranlieferung und der Einlagerung der Pakete sind im Bild 1 dargestellt. Die Container werden beispielsweise auf einem Chassis vor Rampen an der Gebäudeseite abgestellt. Über die geöffneten Hecktüren am Container kann somit die Entladung auf der Ebene des Hallenbodens in geschützter Umgebung stattfinden. In Fällen mit zu geringem Abstand zwischen Hoffläche und Hallenboden können Tieframpen eingesetzt werden, in die der LKW den zu entladenden Container über ein Gefälle hineinfährt. Für den Umschlag palettierter Waren mithilfe von Gabelstaplern und Hubwagen sind an einigen Rampen hydraulische Überladebrücken installiert, mit denen ein Höhen- und Längsversatz zwischen Container und Halle ausgeglichen und das Einfahren in den Container ermöglicht wird [5]. Diese Überladebrücken kommen auch bei der manuellen Entladung zum Einsatz, wenn die Kartons direkt auf Paletten gestapelt und diese mit Flurförderzeugen oder nachgeführten Scherenrollenbahnen abtransportiert werden. Nicht nötig sind sie bei der Verwendung von Teleskopgurtförderern, die darüber hinaus häufig direkt an ein nachfolgendes Transportsystem angeschlossen sind, um die entladenen Pakete z. B. automatischen Palettiereinrichtungen zuzuführen und für die Einlagerung vorzubereiten.

Analyse von Containerinhalt und Packsituation

Die in den Containern angelieferten Kartons hatten bei den untersuchten Fällen Abmessungen zwischen 300 mm × 200 mm × 110 mm und 800 mm × 600 mm × 685 mm und wogen bis zu 35 kg.

Infolge der großen Anzahl gleicher Artikel ist der Inhalt einzelner Container relativ homogen und die Menge unterschiedlicher Paketgrößen gering. In den meisten Fällen sind die Kartons in Reihen geordnet, die über die gesamte Containerbreite reichen, gleichmäßig übereinandergestapelt und bilden eine Lage. Verschiedene Artikel und damit unterschiedliche Pakete werden nacheinander in den Container geladen. Eine Mischung findet beim Übergang zwischen den Artikeln in einer Lage statt, sodass Packsituationen wie im Bild 2 möglich sind. Die Anordnung in einem gleichmäßigen Raster eignet sich gut, um die Packstücke mit einer entsprechenden Vorrichtung reihenweise zu entladen.

Die Pakete sind meist locker gestapelt und lassen sich deswegen leicht entnehmen. In wenigen Fällen sind sie jedoch auch sehr eng gepackt. Hier wurde für das Herausziehen einzelner Pakete ein erhöhter Kraftaufwand von bis zu 220 N festgestellt. Die benachbarten Pakete müssen in diesem Fall zurückgehalten werden, denn sonst verkeilen diese und die Entnahme wird verhindert. Bei der automatischen Entladung ganzer Reihen ist dies besonders zu berücksichtigen. Bei der manuellen Entladung ist das - abgesehen vom erhöhten Kraftaufwand beim ersten Paket – meist ein geringeres Problem, da die Pakete ohnehin einzeln gegriffen werden.

Prozessschritte der manuellen Entladung

Im untersuchten Prozess wird die Entladung des Containers von zwei Personen durchgeführt. Je nach Kartongröße und Packsituation entnehmen sie Paket für Paket und legen diese auf einem Stetigförderer ab, der den Weitertransport übernimmt.

Die einzelnen Schritte der manuellen Entladung lassen sich wie folgt gliedern:

1. Nächstes zu entnehmendes Paket identifizieren
2. Auf Pakethöhe annähern
3. Paket greifen
4. Paket herausziehen
5. Paket ablegen
6. Paket weiter befördern.

Die Mitarbeiter gehen dabei nicht immer Lage für Lage vor. Um Kartons in den oberen Reihen besser zu erreichen und um zu vermeiden, dass die schweren und unhandlichen Pakete aus über 2 m herunterfallen, werden einige Pakete gelegentlich auf dem Containerboden belassen und als Trittstufen verwendet. Da die Artikel in den Kartons nicht durch zusätzliches Material geschützt sind, ist dieses Vorgehen nur ein Notbehelf und sollte vermieden werden. Für die automatisierte Entladung müssen entsprechende Maßnahmen zur sorgsamen, das heißt beschädigungsfreien Handhabung getroffen werden.

Entladeleistung als Auswahlkriteríum

Der oben beschriebene Prozess wurde hinsichtlich seiner Leistungsdaten untersucht. Im Bild 3 sind die Ergebnisse zusammengefasst. Die mittlere Entladeleistung betrug 419 Pakete/h. Wird die aktive Arbeitszeit ohne Pausen betrachtet, erhöht sich dieser Wert auf 463 Pakete/h. In Zeiten mit besonders großem Durchsatz (obere 10 %) liegt die durchschnittliche pausenbereinigte Leistung mit 838 Paketen/h noch höher, wobei hier vermutlich Container mit sehr vielen kleinen Paketen entladen wurden. Für den wirtschaftlichen Betrieb einer vollautomatischen Lösung zur Containerentladung können diese Werte als Mindestanforderung definiert werden.

Basisanforderungen an die automatische Entladung

Über die angestrebte Entladeleistung hinaus bestehen weitere grundlegende Anforderungen an ein System zur vollautomatischen Containerentladung. Diese ergeben sich aus den beschriebenen Bedingungen im Container und der Einsatzsituation am Wareneingang:

• Durch leere Container belegte Tore führen zu Stillstandszeiten. Um diese zu vermeiden, sollte ein Entladesystem mobil sein, um nach dem Entladen eines Containers direkt mit dem nächsten beginnen zu können.
• Eine Systembreite von 2,30 m und eine Systemhöhe von 2,28 m dürfen nicht überschritten werden, um bei fortschreitender Entladung in einen Standard-Container hineinfahren zu können.
• Ein Versatz zwischen Container und Halle muss ausgeglichen werden, was entweder durch das System selbst oder dessen Fähigkeit, eine Überladebrücke zu befahren, möglich ist.
• Im Container müssen mindestens 800 gleichmäßig gestapelte Pakete pro Stunde vollautomatisch entladen werden.
• Dies betrifft sowohl locker als auch eng gepackte Pakete.
• Sollte das System nicht in der Lage sein, eine problematische Situation zu lösen, darf dies nicht zu einem Abbruch des Entladeprozesses führen.
• Der Endeffektor muss Pakete mit einer Kantenlänge zwischen 110 mm und 800 mm unabhängig von ihrer Ausrichtung entladen können.
• Das Gewicht eines einzelnen Pakets kann bis zu 35 kg betragen, das einer kompletten Reihe bis zu 150 kg.
• Die Pakete sind sorgsam, d. h. beschädigungsfrei, zu handhaben.
• Nach der Entnahme müssen die Kartons aus dem Container transportiert werden, wofür entweder eine entsprechende Fördertechnik vorhanden sein muss oder die Übergabe an eine solche möglich ist.

Diese Anforderungen werden von den bisherigen technischen Lösungen für die Containerentladung nicht gänzlich erfüllt.

Bisherige automatisierte Lösungen

Systeme, die die Probleme der manuellen Containerentladung lösen sollen, existieren in verschiedenen Ausprägungen, die sich hinsichtlich Automatisierungsgrad, Mobilitätskonzept, Tragfähigkeit, Entladestrategie und Handhabung der Packstücke unterscheiden.

Der Automatisierungsgrad der meisten Systeme ist gering. Entweder handelt es sich lediglich um Assistenzsysteme für die manuelle Entladung [6], oder die Steuerung geschieht per Hand [7 bis 9]. Systeme für die vollautomatische Entladung werden im Bild 4 gegenübergestellt. Neben geringer Tragfähigkeit [10] oder der Notwendigkeit von Spezialcontainern [11] ist teilweise auch die sorglose Handhabung (z. B. Entladung nach dem Schaufelbagger-Prinzip) problematisch [11, 12]. Vor einigen Jahren wurde am BIBA bereits ein Paketroboter entwickelt [3, 13], der durch hochkomplexe Algorithmen in der Lage ist, Container automatisch zu entladen. Ausfälle der Anlage in komplexen Situationen [14] zeigen, dass die Robustheit und die Prozesssicherheit nicht ausreichend sind. Zu den anderen Systemen liegen keine detaillierten Informationen vor. Mit dem Interaktiven Robotiksystem zur Entleerung von Seecontainern, kurz „IRiS“, wird am BIBA aktuell ein neuer Ansatz zur semi-autonomen Entladung von Containern erforscht, der die bestehenden Probleme vermeiden soll.

„IRiS“ – Details zum Aufbau und zur Anwendung

Basierend auf den o. g. Anforderungen, wurde das im Bild 5 dargestellte System entwickelt. „IRiS“ hat Abmessungen von 5,2 m × 2,2 m × 2,2 m und kann damit zum Entladen in einen 40-Fuß-Container einfahren. Es ist zudem kurz genug, um in einem 20-Fuß-Container transportiert zu werden.

Das Grundgerüst aus Aluminiumprofilen verbindet die einzelnen Komponenten miteinander. Mithilfe des omni-direktionalen Fahrantriebs kann das System zwischen den einzelnen Toren flexibel eingesetzt werden und in die Container hineinfahren. Die Paketerkennung übernehmen vier Tiefenkameras. Zum Greifen der Pakete wurde ein Endeffektor mit selektiv einschaltbaren, federnd gelagerten Vakuumsaugern entwickelt. Diese können unabhängig voneinander in drei Segmenten bewegt werden, um ganze Paketreihen zu entnehmen, aber auch um die beschriebene Situation eng gepackter Pakete zu bewältigen. Die Entladung von Mischreihen oder von Paketen mit einem Tiefenversatz zueinander ist ebenso möglich. Zum Ändern der Höhe des Greifers kommt eine Hubkinematik zum Einsatz, die das Konzept des früher am BIBA entwickelten Aktivförderers [15] weiterführt. Der Endeffektor kann damit auch um die Querachse gekippt werden, um Pakete vom Boden des Containers aufzunehmen.

Wie im Bild 6 gezeigt wird, kann „IRiS“ mit den o. g. Komponenten die analog für die manuelle Entladung identifizierten Schritte ohne Prozess- oder Infrastrukturanpassungen durchführen. Das System funktioniert wie folgt: Zur Identifizierung (1.) der nächsten zu entladenden Pakete verwendet „IRiS“ die Tiefenkameras, mit deren Hilfe die System- und Paketausrichtung bestimmt und anschließend die Entladestrategie ermittelt werden. Das System bewegt sich dann auf die identifizierte Paketreihe zu (2.). Zunächst bewegen die Fahrantriebe das System in Längsrichtung. Anschließend werden die Greiferhöhe und -neigung eingestellt. Im nächsten Schritt werden die drei Greifersegmente an die Pakete gefahren und die Vakuumsauger entsprechend dem Packmuster individuell aktiviert (3.). Die so gegriffenen Pakete werden aus der Lage gezogen (4.) und durch Ausschalten der Vakuumsauger auf der Fördertechnik abgelegt (5.). Die Greifersegmente bewegen sich dann in ihre Ausgangsposition zurück. Das mittlere Segment wird dabei abgesenkt und fördert die Pakete über die integrierten Rollen an eine nachgeführte Fördertechnik (6.). Danach beginnt der nächste Zyklus, bis der Prozess vollständig abgeschlossen ist.

Das Containerentladesystem „IRiS“ führt die einzelnen Schritte im Normalbetrieb selbstständig aus. Treten unvorhergesehene Ereignisse auf, kann die Autonomie bei verschiedenen Prozessschritten versagen, was einen Abbruch des Entladeprozesses bewirken würde. Eine vollständig autonome Behandlung aller Ausnahmesituationen ist aufgrund der hohen Diversität von Entladesituationen nicht möglich. Um die Systemkomplexität gering zu halten und problematische Situationen trotzdem aufzulösen, wird bei „IRiS“ ein semi-autonomer Ansatz verfolgt, mit dem der Bediener im Bedarfsfall in den sonst autonomen Prozess eingreifen kann. Für diesen Eingriff wird eine Schnittstelle über einen digitalen Zwilling bereitgestellt (Bild 7), mit deren Hilfe die Sensordaten aufbereitet präsentiert werden und eine dreidimensionale Zustandsvisualisierung des Systems möglich ist. Über die klassische Steuerung mithilfe Teleoperation hinaus stellt der digitale Zwilling definierte Eingriffspunkte bereit. Mit diesen kann z. B. im Fall fehlerhafter Paketkantenerkennung die Kontur korrigiert werden (Analysemodifikation) oder bei verklemmten Paketen eine Korrektur der Entscheidungsfindung, wie Aktivierung einzelner Sauger, stattfinden. Neben diesen kurzfristigen (operativen) Eingriffen ist durch Veränderung der Algorithmen und Entscheidungsparameter auch eine längerfristige (strategische) Anpassung des Systemverhaltens möglich [4]. Mit diesem Ansatz soll „IRiS“ einen Großteil der Pakete autonom entladen und unvorhergesehene Situationen durch Bedienereingriffe kurzfristig auflösen. Der angestrebte Durchsatz von 800 Paketen/h soll so zuverlässig erreicht werden.

Resümee und Ausblick

Im Beitrag werden der Prozess der manuellen Entladung von Seecontainern sowie die damit verbundenen Randbedingungen und Probleme beschrieben. Vorgestellt werden die Anforderungen an ein automatisches System und die bisherigen technischen Lösungen, die diese Anforderungen aber nicht voll erfüllen. Eine interessante Lösung bietet das Entladesystem „IRiS“ des BIBA mit einem neuen semi-autonomen Steuerungsansatz. Dieses System wird derzeit auf die Testphase vorbereitet und soll in Labor- und Feldversuchen evaluiert werden. Diese finden unter realen Einsatzbedingungen im Wareneingang eines Kontraktdienstleisters statt. Neben der Ermittlung von Entladeleistung und Verfügbarkeit des Systems werden in den Fällen manuellen Eingreifens auch die Schnittstelle zur Mensch-Technik-Interaktion evaluiert und der semi-autonome Ansatz abschließend bewertet.

Autor: N. Hoppe, C. Petzoldt, M. Freitag

Literatur

1. UNCTA: Review of maritime transport 2019. New York, Geneva: United Nations 2019. https://unctad.org/en/PublicationsLibrary/rmt2019_en.pdf.
2. Scharnow, R.: Containerhandbuch: Die Ware im Container. https://www.containerhandbuch.de/chb/scha/index.html.
3. Stoyanov, T., u. a.: No More Heavy Lifting: Robotic Solutions to the Container Unloading Problem. IEEE Robot. Automat. Mag. (2016) 4, pp. 94–106; doi: 10.1109/MRA.2016.2535098.
4. Wilhelm, J.; Beinke, T.; Freitag, M.: Improving Human-Machine Interaction with a Digital Twin. In: Dynamics in Logistics, 2020, pp. 527–540.
5. Stertil B.V.: Entwurf einer Verladestation. https://stertil-verladetechnik.de/uploads/2018/01/lr_95004210-how-to-de….
6. Beumer Group GmbH & Co. KG: Parcel Picker: Schnell, ergonomisch und sicher. https://www.beumergroup.com/app/uploads/2019/03/BEUMER-Parcel-Picker-DE….
7. Copal Handling Systems: Launch of the C2 Container Unloader. https://copalhandlingsystems.com/news/content/launch-of-the-c2-containe….
8. Maienschein, B.: Container ergonomisch entleeren. https://www.mm-logistik.vogel.de/container-ergonomisch-entleeren-a-1975….
9. Carton Mover BV: Carton Mover. http://cartonmover.com/.
10. Zoghzoghy, J.: Robotic Truck Loading is the Future of Shipping Dock Automation. | Bastian Solutions. https://www.bastiansolutions.com/blog/robotic-truck-loading-is-the-futu….
11. Siemens, RUBUS: Höchste Entladeleistung. https://www.siemens-logistics.com/de/paketlogistik/entladen.
12. Honeywell Intelligrated: Robotic Unloader. https://www.intelligrated.com/en/resources/videos/robotic-unloader.
13. Rohde, A.-K.: Robotik in der Logistik – Einsatzpotenziale, Herausforderungen und Trends. In: Robotik in der Logistik. Wiesbaden: Springer Fachmedien 2016, S. 23–42; doi: 10.1007/978-3-658-08575-9_3.
14. Molzow-Voit, F.; Plönnigs, F.: Berufswissenschaftliche Erkenntnisse aus dem Projekt RobidLOG. In: Robotik in der Logistik. Wiesbaden: Springer Fachmedien 2016, S. 43–60; doi: 10.1007/978-3-658-08575-9_4.
15. Burwinkel, M.; Ehn, T.; Gorldt, C.; Rohde, M.; Uriarte, C.: System zum Handhaben von Stückgütern für das, vorzugsweise automatische, Be- und Entladen eines Laderaumes. Patent DE102010015299A1.
16. Helbing Toranlagen GmbH: Verladetechnik. http://www.helbingtoranlagen.de/show/verladetechnik.
17. Heik Logistik GmbH: Containerentladung. http://www.heik.de/de/113773-Containerentladung.
18. Kölling, V.: Bremen baut einen Roboter für das Containerpacking. Wirtschafsförderung Bremen. https://www.wfb-bremen.de/de/page/stories/maritime-wirtschaft-und-logis….
19. Schlie, K.-W.: Hochhäuser aus Paletten. Weser Report 2018. https://weserreport.de/2018/05/bremen-bremen/panorama/hochhaeuser-aus-p….
20. Petzoldt, C.; Wilhelm, J.; Hoppe, N.; Rolfs, L.; Beinke, T.; Freitag, M.: Control architecture for digital twin-based human-machine interaction in a novel robotic container unloading system. Procedia Manufacturing. Proceedings of the 5th International Conference on System-Integrated Intelligence (2020) pp. 215–220. doi: 10.1016/j.promfg.2020.11.037.
21. Freitag, M.; Hoppe, N.; Petzoldt, C.; Wilhelm, J.; Rolfs, L.; Mortensen Ernits, R.; Beinke, T.: Digitaler Zwilling zur Mensch-Technik-Interaktion. In: Mensch-Technik-Interaktion in der digitalisierten Arbeitswelt. Berlin: GITO Verlag 2020, S. 165–182; doi: 10.30844/wgab_2020_8.