Gabelstaplergabeln Spezial

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Teil 1: Die Gefahren von Gabelstaplergabeln und wie Ultraschall-Kollisionsvermeidung die nächste Stufe der Robotersicherheit ermöglicht – ein spezieller Anwendungsfall

Lesezeit: ca. 6 Minuten. – 22/12/2021

Wie Winston Churchill einmal bemerkte: „Besser werden heißt, sich zu verändern; perfekt sein heißt, sich oft zu verändern“. Dies gilt insbesondere für die Welt der Hochtechnologie: Technologien entwickeln sich in einem noch nie dagewesenen Tempo weiter und ersetzen sich ständig gegenseitig in einem Wettlauf um den industriellen Ruhm. Die Fertigungsprozesse haben sich von manuellen über halbautomatische bis hin zu vollautomatischen („unbemannten“) Verfahren verändert. Doch jede Medaille hat eine Kehrseite: Neue Technologien bringen nicht nur Fortschritte, sondern auch neue Herausforderungen mit sich, denn je ausgefeilter ein System ist, desto komplexer ist es auch. Die industrielle Automatisierung hat es uns ermöglicht, die Leistung zu steigern und gleichzeitig neue Anforderungen an die Sicherheitsmaßnahmen zu stellen. Dies ist vor allem im Hinblick auf die Vermeidung von Kollisionen von entscheidender Bedeutung, da potenziell gefährliche Objekte wie Gabelstaplergabeln in Lagerbetrieben und anderen Fabrikanlagen allgegenwärtig sind. In unserem ersten Artikel haben wir die Vorteile und die Komplexität von FTS-Systemen beleuchtet. Werfen wir nun einen genaueren Blick auf Gabelstapler, die mit ihnen und insbesondere mit den Gabelzinken verbundenen Gefahren und darauf, wie ausgeklügelte Kollisionsvermeidungssysteme dazu beitragen können, mögliche Unfälle zu vermeiden.

Gabelstapler und Staplergabeln – eine mächtige Kraft, mit der man rechnen muss

Bemannte Gabelstapler

Gabelstapler werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, z. B. in der Automobilindustrie, im Baugewerbe, in der Stahlindustrie, im Einzelhandel und natürlich in Lagerhäusern und anderen großen Lagereinrichtungen.

In der Vergangenheit wurden sie von einem Fahrer bedient („bemannt“). Seit dem Beginn der Automatisierung sind jedoch einige der heutigen Gabelstapler unbemannt, d. h. sie navigieren ohne Fahrer und nutzen stattdessen eine Vielzahl von Sensoren und Detektoren, um selbständig zu navigieren und dabei Hindernisse und somit Kollisionen zu vermeiden.

Autonome Gabelstapler

Warum braucht man also überhaupt fahrerlose Fahrzeuge und Roboter? Wir alle haben von den Begriffen „Industrie 4.0“ und „Intralogistik 4.0“ gehört, die eine neue Ära der Automatisierung einläuten. Die damit einhergehende Industrialisierung hat dazu geführt, dass die Materialhandhabungsprozesse in der Logistik und der Lagerhaltung automatisiert werden müssen, zumal der boomende E-Commerce das Gesicht des Lieferkettenmanagements verändert. Folglich werden so genannte Automated Guided Vehicles (AGVs), wie z. B. autonome Gabelstapler (auch AGV-Gabelstapler, Gabelstapler-AGVs, Gabel-AGVs oder Roboter-Gabelstapler genannt), zunehmend aus drei Hauptgründen eingesetzt: zur Rationalisierung von Arbeitsabläufen, zur Kostensenkung und zur Verbesserung der Sicherheit.

Sie sind eine kosteneffiziente, skalierbare Lösung für die Robotisierung von Lagerabläufen, da sie in der Lage sind, sich wiederholende, komplexe und körperlich anspruchsvolle Prozesse schneller und sicherer als Menschen durchzuführen. Sie reduzieren die Transportkosten pro Palette und pro Kiste – wichtige Leistungsindikatoren (KPIs), die von den Herstellern verfolgt werden. Inmitten der Pandemie erfüllen sie noch einen weiteren Zweck: Indem sie den Kontakt zwischen Menschen reduzieren, können sie die Exposition gegenüber dem Coronavirus verringern, was sie zu einem Mittel der Wahl im „Krieg gegen COVID-19“ macht.

Gefahren von Kollisionen

Mit oder ohne Fahrer besteht jedoch immer die Gefahr von Unfällen im Zusammenhang mit Gabelstaplern und ihren Gabeln, wie dies bei allen schweren Maschinen der Fall ist, die in der Industrie zu Handhabungszwecken eingesetzt werden. Obwohl Gabelstapler im Allgemeinen nur 1 % aller Arbeitsunfälle pro Jahr verursachen, ist die Unfallrate, die auf Gabelstapler selbst zurückzuführen ist, während ihrer Lebensdauer sehr hoch: Nach Angaben der Verband der Flurförderzeuge90 % der Gabelstapler in den USA sind während ihrer Lebensdauer (die im Durchschnitt 8 Jahre beträgt) in eine bestimmte Art von Unfall verwickelt, und 11 % von ihnen werden jedes Jahr in einen Unfall verwickelt. Dazu gehören bemannte und unbemannte Gabelstapler.

Insbesondere Gabelstaplergabeln können eine echte Gefahr darstellen: Sie wiegen rund 340 kg und können bis zu 2,4 m lang sein. Vor allem wenn sie ohne Ladung fahren oder geparkt sind, stellen Gabelstapler ein ernsthaftes Unfallrisiko dar und sind für jedes in der Nähe befindliche FTS ein zu überwindendes Hindernis. Solche Unfälle, an denen Gabelstapler und Staplergabeln beteiligt sind, können zu erheblichen direkten und kollateralen Schäden führen: Je nach dem Wert der Waren oder Ausrüstungsgegenstände können Sie mit einem großen Loch im Geldbeutel dastehen.

Was die „Schäden“, d. h. die Verletzungen der beteiligten Menschen angeht, so sind die Statistiken nicht gerade beruhigend: Nach Angaben des US Bureau of Labour Statistics gehören Gabelstapler zu den gefährlichsten Maschinen, die in Produktionsstätten eingesetzt werden: über 90.000 Unfälle pro Jahr sind mit einem Gabelstapler verbunden, wobei mehr als ein Drittel schwere Verletzungen zur Folge hat. Mit einem Gewicht von bis zu 4 Tonnen (dreimal so viel wie ein durchschnittliches Auto) können Sie sich die Schwere möglicher Unfälle vorstellen, ganz zu schweigen vom Umkippen von Gabelstaplern.

Mögliche Maßnahmen zur Unfallverhütung

Die gute Nachricht ist jedoch, dass diese Unfälle und Schäden verhindert werden können, wenn angemessene Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Die US Occupational Safety and Health Administration (OSHA) behauptet, dass bis zu 70 % der Unfälle verhindert werden könnten, wenn strengere Maßnahmen ergriffen würden. Bei bemannten Fahrzeugen muss die Schulung der Bediener gemäß den Industriestandards und darüber hinaus im Vordergrund der Bemühungen um die Vermeidung von Unfällen mit Gabelstaplern und Gabelzinken stehen. Außerdem sind eine vernünftige Planung des Fabriklayouts und eine Qualitätskontrolle ebenso wichtig wie die Auswahl hochwertiger Geräte. Im Hinblick auf Kollisionen mit FTS (mit oder ohne Gabelstaplergabeln) sind Sicherheitssensoren bzw. Sensoren zur Kollisionsvermeidung ein entscheidender Faktor für die Erhöhung der Sicherheit bei Materialtransportvorgängen. Sie fungieren als „Augen und Ohren“ der FTS und helfen ihnen, ihre Umgebung wahrzunehmen, damit sie Waren sicher von A nach B transportieren können – so weit, so gut.

Grenzen der bildgestützten Sensortechnologien, wie LiDARs und Kameras

In AGVs integrierte Sensorsysteme, die in komplexen Umgebungen arbeiten, erkennen jedoch häufig bestimmte Arten von Hindernissen nicht, die zu klein oder zu komplex sind, als dass sie von einem visuell gesteuerten AGV erkannt werden könnten. So erkennen beispielsweise 2D-LiDAR-Systeme (Light Detection And Ranging“), die derzeit in vielen FTS eingesetzt werden, Hindernisse nur in einer dünnen horizontalen Schicht (zweidimensional) vor dem FTS. Hindernisse, die sich oberhalb oder unterhalb des Sichtfeldes (FoV) eines Sensors befinden, also nicht im sichtbaren Sichtfeld z. B. eines LiDAR, stellen somit eine potenzielle Kollisionsgefahr dar. Darüber hinaus sind Sensoren auf optischer Basis, wie LiDARs und Kameras, anfällig für Erkennungsfehler, wenn sie unter ungünstigen Lichtverhältnissen arbeiten oder „schwer erkennbare“ Farben, wie die typischerweise schwarz gefärbten Gabeln von Gabelstaplern, erkennen müssen. Dies schränkt ihre Funktionsfähigkeit in zu hellen oder zu dunklen Umgebungen ein. Außerdem haben sie Schwierigkeiten, transparente Hindernisse (z. B. Glas) und stark reflektierende Gegenstände (z. B. Metallteile) zu erkennen. Je nach Entfernung und relativer Bewegungsgeschwindigkeit des Hindernisses kann ein LiDAR-System daher verzögert oder gar nicht reagieren, was die Wahrscheinlichkeit kostspieliger und gefährlicher Fehlalarme erhöht (der Sensor sieht ein Hindernis in seinem Weg nicht).

3D-Ultraschallsensorik als erste Lösung für die 3D-Kollisionsvermeidung

Diese Probleme können durch den Einsatz einer Alternative zur optischen Abtastung gelöst werden, und damit tauchen wir ein in die Welt der schallbasierten Abtastung:

Die Natur hat eine wunderbare Art, Unzulänglichkeiten in einem Bereich durch eine Lösung in einem ganz anderen Bereich auszugleichen, wie man bei den Fledermäusen sehen kann: Sie sind praktisch blind, haben aber so leistungsfähige Ohren, dass sie mit Hilfe von Ultraschall und der so genannten Echoortung Beute und andere Arten von Objekten innerhalb von Sekundenbruchteilen erkennen und orten können. Dadurch können sie sich mit schwindelerregender Geschwindigkeit und Genauigkeit in ihrer Umgebung bewegen, und das meist in völliger Dunkelheit. In echter bionischer Manier wird dieses Prinzip in Ultraschallsensoren verwendet, um eine schallbasierte Erkennung und Entfernungsmessung zu ermöglichen, die, wie der Name schon sagt, tolerant gegenüber jeder Art von Lichtverhältnissen ist.

Standardmäßige 1D-Ultraschallsensoren sowie RADAR-Sensoren (eine weitere alternative Sensortechnologie) liefern jedoch eine schlechte Datenqualität und haben eine begrenzte oder gar keine 3D-Auflösung, so dass sie keine Lösung für eine zuverlässige Kollisionsvermeidung bei FTS darstellen. Im Wesentlichen wird hier eine neue, bahnbrechende Art von Sensorlösung für die Sicherheit von Robotern der nächsten Generation benötigt, die sowohl lichttolerant ist als auch 3D-Daten ausgeben kann.

Hier bei Toposens ist es uns gelungen, ein solches System zu entwickeln, indem wir eine einzigartige Hardware-Einrichtung mit innovativen Algorithmen kombiniert haben, die speziell für die Kollisionsvermeidung im dreidimensionalen Raum entwickelt wurden.

Unser 3D-Ultraschallsensorsystem ECHO ONE DK ist mit drei Mikrofonen ausgestattet, die Daten für alle drei Koordinaten liefern. Es handelt sich dabei um den weltweit ersten 3D-Ultraschall-Echolokationssensor, der auf der Time-of-Flight (ToF)-Echolokationstechnik der Fledermäuse basiert. Das Besondere an diesem System ist, dass es selbst die kleinsten und komplexesten Objekte erkennen kann, die andere Sensorsysteme nicht erfassen. Insbesondere Gegenstände wie Schrauben und Bolzen, die im Fahrweg eines FTS liegen, können erhebliche Schäden an den Rädern und am Fahrwerk verursachen, was vor allem bei schwer beladenen Gabelstaplern oft unterschätzt wird. Darüber hinaus liefert die 3D-Ultraschall-Sensortechnologie sehr zufriedenstellende Ergebnisse in Kundentests, die sich auf die Erkennung von Gabelstaplergabeln konzentrieren, die, wie bereits beschrieben, unerkannt schwere Unfälle verursachen können.

Erkennung von Gabelstaplergabeln
Erkennung von Gabelstaplergabeln mittels Ultraschallecholotung

Verbesserung der Sicherheitsaspekte der Materialflussautomatisierung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es immer zu Unfällen kommen wird, wenn schwere Maschinen in der Industrie eingesetzt werden. Mit der richtigen Sensorausrüstung und einer sorgfältigen Handhabung können Unfälle jedoch deutlich reduziert werden, was Maschinen und Menschen gleichermaßen schützt. Insbesondere Sicherheits-LiDARS sind sehr effizient und zuverlässig bei der Reduzierung von Unfällen. Doch abgesehen von ihren physikalischen Beschränkungen als optischer Sensor sind sie eine sehr teure Technologie, die in jedes System integriert werden muss.

Hier kommt die 3D-Ultraschallsensorik ins Spiel und bietet ein echtes Preis-Leistungs-Verhältnis mit wesentlich geringeren Anschaffungs- und Wartungskosten. Vor allem aber sind sie die Antwort auf die Unzulänglichkeiten der optischen Sensortechnik und sollten daher neben Sicherheits-LiDARs und Kamerasensoren in einer so genannten Sensorfusionsanwendung eingesetzt werden.

Auf diese Weise wird das in der Einleitung erwähnte FTS-ähnliche Rennen um den industriellen Ruhm mit Sicherheit von denjenigen FTS gewonnen, die mit Sicherheits-LiDARs UND 3D-Ultraschallsensoren von Toposens ausgestattet sind, die für Robotersicherheit der nächsten Stufe sorgen.

Haben Sie sich jemals gefragt, wie die ultrasonische Technologie funktioniert und welche physikalischen Grundlagen in der bionischen Technologie verwendet werden?
Dann verpassen Sie nicht unseren Blogartikel über die Geschichte des Ultraschalls und der Ultraschalltechnologien
die im neuen Jahr im Anschluss an unseren Jahresrückblick-Blog erscheinen werden.

Schlüsselwörter:

Next-Level-Robotik-Sicherheit, 3D-Kollisionsvermeidung, Gabelstapler, Gabelzinken, Ultraschallsensorik, 3D-Ultraschallsensor

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