Boston Dynamics setzt sein Robotik-Know-how in einer kommerziellen Roboterlösung mit Automation und integrierter Sicherheitstechnik von Beckhoff ein. Im Fokus stehen dabei Autonomie, Flexibilität und Sicherheit.
In Anbetracht der rasanten Entwicklung der Intralogistikbranche wird mobile Robotik noch wichtiger werden. Bei vielen Lösungen werden Kartons und Behälter von A nach B bewegt. Sie stoßen an ihre Grenzen, wenn Kartons zum Palettieren und Depalettieren von Förderbändern oder aus Sattelaufliegern und Versandbehältern gehoben werden müssen. Um den Anforderungen von Lagerhäusern und Distributionszentren besser gerecht zu werden, hat Boston Dynamics eine innovative Roboterlösung unter dem Namen Stretch™ entwickelt. Die autonome mobile Case-Handling-Lösung für Entladeanwendungen vereint drei Jahrzehnte Forschung und Entwicklung des Robotik-Marktführers mit Automation und integrierter Sicherheitstechnik von Beckhoff.
Stretch wurde von Grund auf für die Anforderungen dieser Branche entwickelt und verfügt über einen kompakten, äußerst wendigen Sockel, der sich sicher in jede Richtung bewegen und Rampen oder andere Hindernisse überwinden kann. Ein sogenannter „Wahrnehmungsmast“ (Perception Mast) nutzt modernste maschinelle Bildverarbeitung für eine schnelle und präzise Erkennung der Verpackungskisten. Das Besondere an Stretch ist sein speziell entwickelter Roboterarm mit sieben Freiheitsgraden und einem adaptiven Vakuumgreifer, der mit dem System für die Umgebungswahrnehmung zusammenarbeitet, um eine möglichst breite Palette unterschiedlicher Kartons handhaben zu können. Eine optionale Hochleistungsbatterie kann Stretch über die Dauer von zwei vollen Arbeitsschichten betreiben, um kontinuierliche, flexible Entladearbeiten zu ermöglichen.
Wie die anderen von Boston Dynamics entwickelten Roboter hilft auch Stretch Menschen bei der Bewältigung eintöniger, schmutziger und gefährlicher Anwendungen in der Fertigung und im Lager, erklärt Matthew Meduna, der für Stretch zuständige Technical Director of Hardware Engineering: „Anwender des Roboterhunds Spot® sind sehr froh, über einen Roboter zu verfügen, der Aufgaben wie die Inspektion von Industrieanlagen, die Erkennung von gefährlichen Gasen oder die Untersuchung verdächtiger Pakete effektiv automatisiert, um Menschen aus der Gefahrenzone zu halten. Bei Stretch ist es ganz ähnlich: Bei Aufgaben in Lagerhäusern und in der Drittanbieter-Logistik (3PL), für die nur schwer immer genug Personal zu bekommen ist, z. B. für das Entladen von LKW-Anhängern, ist es unglaublich wertvoll, wenn sie sich automatisieren lassen.“
Sicherheit der Menschen hat für Entwicklungsteam von Stretch höchste Priorität
Boston Dynamics hatte mehrere Ziele für Stretch. Der Roboter musste die nötige Autonomie bieten, damit er intelligent auf Veränderungen in seiner Umgebung und bei den Handhabungsanforderungen reagieren konnte, denn dies ist ein weiterer entscheidender Differenzierungsvorteil am Markt. Er musste die erstklassigen Manipulationsfähigkeiten der anderen Plattformen von Boston Dynamics erweitern, um den Kunden einen signifikanten Mehrwert in der Intralogistik zu bieten. Und es musste die nötige Mobilität bieten, um die Autonomie und die Manipulationsmöglichkeiten den ganzen Tag über von einem Job zum nächsten zu bringen. Um diese Fähigkeiten bei hoher Systemverfügbarkeit zu erreichen, musste die mit Stretch bereitgestellte Lösung jedoch auch robuste Sicherheitsfunktionen bieten, um Verletzungen oder Schäden zu vermeiden.
„Wir mussten eine Lösung finden, die all die verschiedenen Sensortypen und Sicherheitsfunktionen unterstützt, die der Roboter braucht, und die eine zuverlässige Unterstützung für Sicherheitskommunikationsprotokolle nach dem Black-Channel-Prinzip über Ethernet bietet“, sagt Meduna. „Beckhoff bot mit den in TwinSAFE integrierten Technologien für funktionale Sicherheit und Maschinensteuerung die perfekte Lösung.“
Das Entwicklungsteam von Boston Dynamics arbeitete bei der Entwicklung von Stretch schon sehr früh, bereits 2019, mit lokalen Beckhoff-Experten zusammen, u. a. dem Regional Sales Engineer Brian Buck. „Die Flexibilität und das breite Spektrum an Optionen, die Beckhoff bietet, waren ausschlaggebend dafür, dass sich Boston Dynamics für den Einsatz unserer Technologien sowohl im Roboter als auch außerhalb des Roboters als Teil der Gesamtlösung für Steuerung und Sicherheit entschieden hat“, fügt Buck hinzu.
TwinSAFE nutzt den bewährten FSoE-Standard (Fail Safe over EtherCAT), der vom TÜV zertifiziert ist und sogar die Weitergabe des Sicherheitsstatus über WLAN in einer hierarchischen Sicherheitsarchitektur ermöglicht. FSoE übermittelt Sicherheitsdaten über das Standard-EtherCAT-System für Industrial Ethernet unter Verwendung des Black-Channel-Prinzips. Die Vorteile von EtherCAT – Echtzeitkommunikation, freie Topologiewahl, bis zu 65.535 Knoten in einem Netzwerk, umfangreiche Diagnose und mehr – stehen dem Sicherheitssystem zur Verfügung. Die TwinSAFE-Lösung reduziert Verkabelung, Festverdrahtung von Sicherheitsschaltern und das Management unterschiedlicher Softwarepakete, was die Implementierung von Sicherheitssystemen vereinfacht hat.
Einen weiteren Vorteil gewinnt Stretch durch den Einsatz von TwinSAFE SC (Single Channel) von Beckhoff. Dies ermöglicht die zusätzliche Nutzung von Standard-Analogsignalen für die sichere Position und die sichere Geschwindigkeit des mobilen Roboters. TwinSAFE SC unterstützt Standardsignale sowohl für Steuerungs- als auch für Sicherheitsaufgaben und hilft Maschinen, ein Sicherheitslevel bis Kategorie 3 und Performance Level d zu erreichen. Außerdem sind keine speziellen Sicherheits-Encoder erforderlich. Stattdessen können Standard-Encoder mit dem kompletten Angebot an Signaltypen für den Encodereingang von TwinSAFE SC genutzt werden, einschließlich SSI-Schnittstelle, Sin/Cos, EnDat 2.2, Inkremental-Encoder RS422 und Inkremental-Encoder 24V HTL.
Standardisiert, rationalisiert und vor allem sicher
Jeder Stretch-Roboter verfügt über einen Embedded-PC CX5130, der das System überwacht und mit einem separaten PC für das Flottenmanagement kommuniziert. „Der CX5130 stellt fest, ob sich der Roboter in einer ausreichend sicheren Umgebung befindet, um eine Bewegung zuzulassen, und er schaltet die Stromverteilungszonen ein und löst die Bremsen, wenn dies von der Steuerungssoftware so angefordert wird“, erklärt Meduna. Neben mehreren EtherCAT-Klemmen übernehmen TwinSAFE- und TwinSAFE-SC-Klemmen, darunter EL1918, EL2912 und EL2904, die Sicherheitsfunktionalität. Diese sind entscheidend für die Überwachung der Gelenke des Roboterarms sowie der Geschwindigkeit und der Winkel der Räder. Zwei einkanalige Encoderschnittstellen validieren die Genauigkeit der Positionsdaten: EL5001-0090 für SSI und EL5101-0090 für Inkremental-Encoder mit Differenzsignalen (RS422) oder Single-Ended-Signalen (TTL).
Ein dezentrales Flottenmanagement-Panel sorgt für die Sicherheit des gesamten Arbeitsbereichs, wobei ein Embedded-PC CX8190 mit einer ähnlichen Reihe von EtherCAT- und TwinSAFE-Modulen zum Einsatz kommt. Diese lesen Eingänge von Not-Halt-Einrichtungen, Sicherheits-E/As, Wagen- oder Förderbanderkennung und Dock- oder Landkabelerkennung. „Diese Steuerungskonfiguration kümmert sich um die gesamte Sicherheitskommunikation in der Zelle, in der Stretch gerade arbeitet“, erklärt Buck. „Diese Technologien ermöglichen es dem Flottenmanager, zusätzlich zur Steuerung von Signalsäulen auch den Sicherheitsstatus des Stretch-Roboters drahtlos über ein lokales WLAN-Netzwerk zu steuern. Wenn zum Beispiel ein Not-Halt-Taster gedrückt wird oder eine Person den Arbeitsbereich betritt, wechselt Stretch in einen sicheren Modus.“
Die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 von Beckhoff lieferte eine durchgängige Engineering-Umgebung und Runtime für die Sicherheitsapplikation. Das Team von Boston Dynamics verließ sich auf TwinCAT für die Programmierung der SPS- und Sicherheitslogik und nutzte die Ethernet-Echtzeitkommunikation, um über UDP mit anderen Computern in der Lösung zu „sprechen“. Mit TwinCAT können Ingenieure in den Sprachen programmieren, mit denen sie am besten vertraut sind oder die am besten zum Projekt passen, einschließlich der verfügbaren Sprachen gemäß IEC 61131-3 und ihrer objektorientierten Erweiterungen, Funktionsbausteine und Informatikstandards in Microsoft Visual Studio™. „Die Unterstützung dieser Standards ermöglicht es uns, ein großes Ökosystem von Automatisierungskomponenten zu berücksichtigen“, sagt Meduna. „Dies ist äußerst wichtig, da die Entwicklung integrierter Lösungen bei uns immer weitergeht.“
Mobiler Roboter macht sich mit jeder LKW-Ladung mehr bezahlt
Die Markteinführung von Stretch erfolgte Anfang 2022, wobei er sich von Anfang an mit klaren Differenzierungsvorteilen gegenüber anderen mobilen Robotern auszeichnete. Stretch kann autonom Lastwagen und Frachtcontainer entladen und bleibt dabei unglaublich flexibel. Mit einem leistungsstarken Vakuumgreifer und einem fortschrittlichen Bildverarbeitungssystem handhabt der Roboter eine Vielzahl von Verpackungstypen mit einem Gewicht von bis zu 50 Pfund, ohne dass SKU-Nummern oder Informationen zur Größe der Kisten vorab programmiert werden müssen. Er kann sogar Pakete, die während des Entladevorgangs verrutschen oder herunterfallen, selbstständig zurückholen.
Das robuste Portfolio von Beckhoff und die zuverlässige Unterstützung durch Vertriebs- und Applikationsingenieure trugen zum erfolgreichen Start bei. Die große Auswahl an Geräten und Optionen von Beckhoff ermöglichte es Boston Dynamics, die funktionale Sicherheit des Roboters Stretch innerhalb kürzester Zeit zu verbessern. „Dadurch konnten wir flexibel auf neue Konstruktionsänderungen reagieren und viele verschiedene handelsübliche Sensoren und Komponenten unterstützen“, sagt Meduna.
Für die Zukunft plant Boston Dynamics den Einsatz umfangreicher Beckhoff Technologien, um individuelle Spezialanwendungen von Kunden bestmöglich zu unterstützen und im Zuge der technologischen Weiterentwicklung in der Robotik ein Höchstmaß an Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. „Wir entwickeln ständig neue Software-, Hardware- und Systemverbesserungen und geben entsprechende Releases heraus, damit unsere Roboter Menschen in realen Anwendungen noch besser helfen können“, fügt er hinzu. „Innovation ist das Lebenselixier unseres Unternehmens. Boston Dynamics wurde auf der Grundlage von fast 30 Jahren Forschung und Entwicklung fortschrittlicher mobiler Roboter gegründet, und diese Bemühungen beginnen nun, mit kommerziell erhältlichen Produkten wie dem Stretch Früchte zu tragen.“