Lagerroboter: Aspekte zu sieben Robotertechnik-Lösungen im DC - Fortna

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    Lagerroboter: Aspekte zu sieben Robotertechnik-Lösungen im DC

    EINLEITUNG

    Die Nachfrage nach schneller und präziser Auftragsabwicklung wächst weiterhin exponentiell und führt zu einem erhöhten Personalbedarf. Personalkosten steigen und trotz höherer Löhne stellt es Unternehmen vor eine immer größere Herausforderung, Mitarbeiter zu gewinnen, auszubilden und zu halten. Hinzu kommen die erforderlichen Maßnahmen zum Arbeitsschutz, sodass Roboterlösungen zu einer attraktiven Option für Unternehmen werden, um die Produktivität zu steigern und die Kosten zu senken.

    Roboter können in verschiedenen Bereichen des Fulfillments eingesetzt werden, z. B.:

    • in der Kommissionierung, um unnötige Laufwege ganz oder teilweise zu reduzieren,
    • um die Anzahl der Zugriffe bei Pick & Place Prozessen zu minimieren.
    • Im Verpackungsbereich und
    • zum Transport von Artikeln zwischen den Bereichen, in denen sie zur Einlagerung und für den Nachschub bereitgestellt werden.

    In diesem Artikel werden sieben Arten von Lagerrobotern beschrieben. Anhand von Anwenderbeispielen werden nicht nur Vorteile beleuchtet, sondern auch Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, wenn es um den Einsatz von Robotertechnik in der Distributionslogistik geht.

    1. ROBOTERARME

    Roboterarme werden seit Jahrzehnten in der Fertigung und seit Jahren in Distributionsumgebungen eingesetzt. Durch Fortschritte in der Entwicklung von Bildverarbeitungssystemen und Endeffektor-Technologien (Greifer) konnten Systeme zum Greifen einzelner Teile und für Pick-and-Put-Vorgänge inzwischen deutlich verbessert werden. Die Arme können an einem Ware-zur-Person-Arbeitsplatz eingesetzt oder für die Kommissionierung an einem mobilen Roboter montiert werden. Darüber hinaus können sie auch an einem definierten Standort sich wiederholende Aufgaben erledigen, wie z. B. die Bestückung von Hängefördersystemen mit Leerkartons, die Platzierung einzelner Artikel zur Zusammenführung versandfertiger Aufträge und die Sortierung der Aufträge auf ihre Transportrouten.

    Die Vorteile dieser Roboter: Ihre Arbeitsleistung ist zum einen weniger abhängig von der personellen Besetzung der einzelnen Kommissionierbereiche, zum anderen sehr viel präziser in den Pick- und Put-Prozessen. Die größten Herausforderungen auf operativer Ebene bleiben bestehen:

    Greif-Arme. Das Endeffektor-System zu finden, das die gesamte Anforderungspalette abdeckt, kann zur Herausforderung werden: Es muss sowohl sensibel genug für den sicheren Transport zerbrechlicher Artikel sein, aber auch eine ausreichende Griffsicherheit besitzen, um ungerade Formen zu handhaben. Eine mögliche Lösung besteht in der Nutzung unterschiedlicher Greifertypen, sodass an den Stationen immer die für die jeweiligen Artikel am besten geeigneten Greifsysteme im Einsatz sind. Dies erfordert jedoch ein Pick-and-Pass-Verfahren oder die manuelle Konsolidierung von Aufträgen im nachgeschalteten Bereich.

    Visualisierungssoftware. Die Tiefen- und Dimensionserfassung von robotergestützten Bildverarbeitungssystemen hat sich zwar insofern verbessert, als dass sie die Kanten von Produkten besser erkennen können, aber die Schwierigkeiten bestehen nach wie vor darin, dass die Beleuchtung gut sein muss und reflektierende Produkte eine Herausforderung für diese Systeme darstellen können. Außerdem ist es für Roboter schwierig, in kleine Fächer zu sehen (z. B. in einem stark unterteilten Behälter).

    Artikelvielfalt und Limits. Der Gewichtsbereich, den ein Roboterarm abdecken kann, stellt in einigen Fällen immer noch eine Einschränkung dar, und je nach Produktpalette, die bearbeitet werden soll, müssen verschiedene Arme bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Sie könnten den Betrieb für 90 % der Artikel mit einem Gewicht von unter 2,5 kg konzipieren, aber Sie müssen auch bedenken, wie Sie die 10 % der Artikel handhaben, die schwerer sind. Überlegen Sie, ob Sie eine Station haben wollen, die alles erledigen kann, oder ob Sie einen Pick-and-Pass-Bereich zwischen den einzelnen Stationen mit verschiedenen Robotern einplanen.

    Wir erwarten, dass in den nächsten zwei bis drei Jahren mehr Roboterarme an festen Arbeitsplätzen eingesetzt werden. Diese Technologie scheint gut geeignet zu sein, um einen Teil der Kommissionierung in einem Ware-zu-Person-System zu übernehmen. Sie ist leicht skalierbar, indem die Anzahl der Roboter und ihre Fähigkeiten dem Unternehmenswachstum entsprechend aufgestockt werden können. Wir gehen davon aus, dass Roboterarme in Zukunft immer besser in der Lage sein werden, aus kleineren Fachgrößen zu kommissionieren und eine größere Bandbreite an Artikelgrößen und -merkmalen zu verarbeiten.

    Wir erwarten, dass in den nächsten zwei bis drei Jahren mehr Roboterarme an festen Arbeitsplätzen eingesetzt werden.

    2. KOLLABORATIVE BOTS (CO-BOTS)

    Der Hauptvorteil der Co-Bots besteht darin, dass sie die Wege der Kommissionierer, die mit ihnen zusammenarbeiten, verkürzen. Die Kommissionierer verbringen die meiste Zeit damit, zu gehen/zu laufen, und diese Bots verringern einen Teil der Laufwege, die die Produktivität verringern.  Derzeit gibt es zwei Haupttypen von kollaborativen Robotern:

    Meet-Me-Bots. Diese Roboter fahren durch einen Kommissionierbereich zu einem Arbeitsplatz und warten dort auf den Mitarbeiter, der die Kommissionierung durchführt. Die Kommissionierer bewegen sich innerhalb einer dynamischen Zone von Roboter zu Roboter, anstatt die gesamte Fläche des Lagers zu durchqueren.

    Follow-Me-Bots. Diese Bots fahren zu einem Mitarbeiter und führen ihn von Kommissionierplatz zu Kommissionierplatz, um einige oder alle Picks in den Behältern oder Kartons auf dem Bot zu erledigen. Wenn die Kartons voll sind, fährt der Bot zu einer Packstation, und ein anderer Bot wird am Standort des Kommissionierers eingesetzt.

    Neben der Arbeits- und Zeitersparnis, die sich aus der Reduzierung von Laufwegen ergibt, haben diese Roboter den Vorteil, dass sie die Produktivität steigern und sicher mit den Mitarbeitern zusammenarbeiten können. Diese Roboter können auch für die Auffüllung des Lagerbestands eingesetzt werden. Es gibt darüber hinaus eine mögliche Lösung, bei der die mobile Plattform um einen Roboterarm ergänzt wird, sodass kein Mensch mehr für die Ausführung der Pickvorgangs benötigt wird.

    „Meet-Me“- und „Follow-Me“- Roboter eignen sich beide optimal für Umgebungen mit geringer Kommissionierdichte und hohem Auftragsvolumen. Neben der Reduzierung von Wegen für die Mitarbeiter im Kommissionierbereich werden auch die „erste Meile“ und die „letzte Meile“ automatisiert. Wie später bei den Bot Sorter AMRs (AMR = Autonome Mobile Roboter) erörtert, kann die Automatisierung der letzten Meile auch die Kosten für die Sortierung in einem hochkomplexen Sortierszenario (d. h. von vielen Kommissionierbereichen zu vielen verschiedenen Packstationen oder Zonen) reduzieren. Zu den wichtigsten Herausforderungen im Hinblick auf eine breite Akzeptanz gehören:

    • Begrenzte Kapazität. Die Anzahl der Behälter oder Fächer, die ein einzelner Roboter verwalten kann, ist im Vergleich zur Kapazität eines herkömmlichen Kommissionierwagens begrenzt. Es ist jedoch möglich, eine vergleichbare Kapazität zu erreichen, indem man einen Schlepproboter verwendet, der einen Kommissionierwagen zieht. Dies erfordert einen konstruktiven Kompromiss in Form breiterer Gänge, damit der Roboter einen Wagen ziehen kann.

    • Schwellenwert Kommissionierdichte. Der Business Case ist in Umgebungen mit höherer Kommissionierdichte schwer umzusetzen, da die Reduzierung der Wege darauf beruht, dass der Roboter an Orten vorbeifährt, an denen keine Picks getätigt werden – im Gegensatz zu einem menschlichen Mitarbeiter, der entlohnt wird, auch vor dem Hintergrund unnötig getätigter Wege. Je geringer die Kommissionierdichte ist, desto mehr lohnt sich der Einsatz von Roboter.

    • Schwellenwert Durchsatz. Der Anteil der wegfallenden Arbeitswege hängt zum Teil vom Durchsatz des Systems ab. Je höher dieser ist, desto mehr Roboter und damit mehr menschliches Personal werden benötigt. Dies bedeutet, dass die Mitarbeiter in einem begrenzteren Bereich arbeiten und ihre Laufwege zwischen den Robotern reduziert werden. Mit steigendem Durchsatz erhöht sich also der betriebswirtschaftliche Nutzen der Roboter (unter Vorbehalt der Überlastung von Mitarbeitern und Robotern).

    Die Amortisation dieser Investitionen sollte nicht nur auf den eingesparten Personalkosten basieren. Vielmehr sollte der Business Case auch die Kosten für die Suche nach Mitarbeitern berücksichtigen sowie die Kosten, die durch zu geringe Sorgfalt entstehen, z. B. durch Fehlpicks und von Menschen verursachte Schäden.

    Im Vergleich zu Fahrerlosen Transport-Systemen (FTS) und Staplern mit ausgereiften Technologien sind AMR noch flexibler und preiswerter.

    3. MOBILE RACK WARE-ZUR-PERSON (GTP) AMR

    Mobile Rack GTP AMR-Roboter bringen die Artikel über mobile Regalsysteme zu den auf Produktivität optimierten Arbeitsplätzen. Diese „Come-to-Me-Bots“ bieten mehr Flexibilität bei der Lagerung der Produkte als andere GTP-Lösungen. Die AMR transportieren Artikel aus den unterschiedlichen Lagerbereichen (Regaleinheiten, Hängewaren usw.), zu den GTP-Arbeitsplätzen. Einige der wichtigsten Herausforderungen im Zusammenhang mit diesen Robotern sind:

    • Nutzung der Kubus-Struktur des Gebäudes. Diese Arten von Robotern und Prozessen sind innerhalb einer kubischen Gebäudestruktur nicht effizient genug. Der Einsatz von Mezzaninen und mechanischen Aufzügen könnte diesem Problem entgegenwirken, erfordert jedoch zusätzliche Investitionen und ist mit betrieblichen Problemen verbunden.

    • Produktivität. Die GTP (engl. Goods to Person = Ware zur Person)-Arbeitsplätze in einem Durchlaufregal-System weisen im Vergleich zu anderen GTP Technologien eine geringere Produktivität auf. Ein Anwender, der aus einem Behälter (in einem Shuttle-GTP-System) kommissioniert, ist produktiver als einer, der aus einem Regal kommissioniert.

    4. ROAMING SHUTTLE AMR

    Roaming Shuttle AMR werden für die Lagerung und den Transport von Artikeln in einer Umgebung mit hoher Lagerdichte eingesetzt, die typischer Teil einer GTP-Lösung ist. Der Hauptvorteil dieser AMR besteht darin, dass sie eine relativ unabhängige Skalierung von Lagerkapazität und Durchsatz ermöglichen. Das heißt, wenn mehr Lagerkapazität benötigt wird, kann diese mit geringen oder gar keinen zusätzlichen Investitionen geschaffen werden, um den Durchsatz zu verbessern (der sich möglicherweise nicht geändert hat).

    Dies steht im Gegensatz zu starren Shuttle-GTP- Kommissionier-Lösungen, bei denen Lager- und Durchsatzkapazitäten gleichzeitig erhöht werden. Roaming Shuttles tragen dazu bei, dass die Gebäudefläche reduziert werden kann, da die lichte Höhe voll ausgenutzt wird. Einige Roaming-Shuttle-Systeme können so konfiguriert werden, dass sie sich auch für verwinkeltere Raumstrukturen eignen. Immer häufiger werden sie als Teil von lokalen oder Mikro-Fulfillment-Lösungen eingesetzt. Zu den Faktoren, die bei der Bewertung dieser Arten von Robotern zu berücksichtigen sind, gehören:

    • Stau. Um eine höhere Lagerdichte zu erreichen, werden tiefe Gassen oder hohe Behältersäulen verwendet. Diese Strategien erfordern jedoch zusätzliche Zugriffszeit, was den Durchsatz vermindern kann. Einige Anbieter haben sich dieser Herausforderung mit Algorithmen gestellt, die „lernen“ und schnelldrehende Artikel an den Orten platzieren, die leichter zugänglich sind, um die Zugriffs- und Transportzeit zu verkürzen. Das Endergebnis ist, dass Roaming-Shuttle-Systeme irgendwann „gesättigt“ sind (d. h. das Hinzufügen weiterer Shuttles erhöht den Durchsatz nicht).

    • Behälter-Kapazität. Diese Systeme sind auf eine Reihe von Standardbehältergrößen ausgelegt. Die Behältergröße schränkt letztendlich die Artikel ein, die von einem Shuttle-basierten GTP aufgenommen werden können, im Vergleich zu mobilen Regalsystem-Lösungen, die fast so flexibel sind wie eine Picking-Lösung aus Behälterregalen oder von einem Gitterrost. Ein Beispiel: Als ein Kunde feststellte, dass er einen Mantel falten müsste, um ihn mithilfe dieser Logistiklösung verarbeiten zu können, war er von dieser Technologie abgeschreckt. Da er nicht bereit war, bei der Abwicklung dieser Art von Textilien Kompromisse einzugehen, war das mobile Regalsystem für ihn die bessere Option.

    • Brandbekämpfung: Von oben zu bestückende Roaming-Shuttle-Systeme haben einzigartige Eigenschaften, wenn es um die Brandbekämpfung geht. Da die Behälter direkt übereinander gestapelt werden, gibt es zwar einerseits wenig Sauerstoff, der das Feuer nährt, doch andererseits ist es schwierig, den Brandherd zu isolieren und ihn mit Löschwasser zu versorgen. Es werden derzeit Lösungen entwickelt, um dieses Problem zu entschärfen.

    5. STÜCKGUTTRANSPORT AUTONOME MOBILE ROBOTER (AMR)

    AMR für den Stückguttransport wurden entwickelt, um zwei grundlegende Einschränkungen der seit Jahren eingesetzten FTS zu überwinden. Erstens können sie nur in Bereichen eingesetzt werden, in denen keine anderen Lastwagen oder Menschen unterwegs sind oder in denen sie mit Sicherheit priorisiert eingesetzt werden. Der zweite Grund sind die Kosten für FTS. AMRs sind daher flexibler und kostengünstiger. Diese Roboter werden häufig für den Transport von Produkten zum Einlagern, für den Transport von Paletten oder Behältern über längere Strecken, z. B. vom Wareneingang zum Bereitstellungsbereich oder vom Bereitstellungsbereich zum Versand, eingesetzt. Sie können auch für den Abtransport von Leerpaletten, Abfall und nicht mehr benötigtes Verpackungsmaterial eingesetzt werden. Seltener werden sie als Co-Roboter für die Behälter-Kommissionierung eingesetzt. Bei diesen Robotern gibt es einige Probleme, die noch gelöst werden müssen:

    • Sicherheit. Ihre Geschwindigkeit, die Gefahr von Beschädigungen beim Aufprall und Sensoren, die nicht ausgereift genug sind, um menschliche Bewegungen zu erkennen oder schnell genug zu reagieren, um eine Kollision zu vermeiden, sind Sicherheitsbedenken, die sich aus der Arbeit in der unmittelbaren Nähe von Menschen ergeben. Die Hersteller arbeiten an der Lösung solcher Probleme, einschließlich der Fähigkeit, Hindernisse wie am Boden liegende Staplergabeln zu „sehen“.

    • Beschränkungen beim vertikalen Heben. Diese Roboter verfügen häufig nicht über einen Mast mit Hebe-/Senkmechanismus, was ihre Reichweite und ihren derzeitigen Einsatzbereich einschränkt.

    • Quell- und Ziel-Stellplätze.Roboter benötigen spezielle Sätze von Quell- und Ziel-Stellplätzen, um die Artikel von der Transfereinheit aufzunehmen und auf dem Roboter wieder abzulegen.

    In naher Zukunft ist mit der Entwicklung von AMR mit Masten zu rechnen, die in der Lage sind, Artikel aus verschiedenen Höhen aufzunehmen und zu senken, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, gezielt Artikel aus Regalen zu lagern und zu entnehmen. Damit wird der mobile AMR-Roboter in denselben Bereich der Distribution vordringen, der derzeit von FTS beherrscht wird.

    6. BOT SORTER AMR

    Bot Sorter AMR machen einen traditionellen, fest installierten Sorter überflüssig, dessen Kosten mit zunehmender Komplexität des Sortiervorgangs (z. B. mit steigender Anzahl von Sortierzielen) drastisch ansteigen. Sie bieten auch eine größere Flexibilität, da Änderungen an der Sorterplatzierung und -logik mit minimalen Zeit- und Kostenauswirkungen vorgenommen werden können. Sie können Artikel aufnehmen und eine Mehrfachsortierung durchführen oder Produkte aus verschiedenen Bereichen des Lagers konsolidieren. Die Entnahme und Entladung kann manuell oder über ein Förderband erfolgen. Zu den Limits dieser Roboter gehören:

    • Durchsatz. Die Roboter sind nur für Business Cases mit geringem bis mittlerem Durchsatz wirtschaftlich sinnvoll. In Anwendungsbereichen mit hohem Durchsatz bietet ein herkömmlicher Sortierer trotz seiner Limits einen erheblichen Vorteil.

    • Nutzung der Kubus-Struktur des Gebäudes. Diese Roboter benötigen eine spezielle Grundfläche, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Um den gesamten Gebäude-Kubus zu nutzen, ist eine Mezzanine erforderlich.

    7. ANDERE EINSATZMÖGLICHKEITEN VON ROBOTERN IM LAGER

    Wo die ergonomischen Bedingungen ungünstig sind und zu Verletzungen führen, gibt es Hubwagen und Exoskelette zur Unterstützung beim Heben, aber diese Lösungen sind noch nicht kosteneffizient. FTS zum Be- und Entladen von LKW sind oft eine Herausforderung, wenn die zu transportierenden Artikel sehr unterschiedlich sind. Darüber hinaus generieren diese Lösungen in der Regel einen geringeren Durchsatz als manuelle Verfahren und sind im Vergleich platzintensiver. Optionen mit automatisierten Roboterarmen sind immer noch sehr teuer und einige von ihnen stehen vor den gleichen Herausforderungen. Es gibt einen optimalen Bereich für diese Anwendungen, aber er ist sehr schmal.

    Kosten, Effizienz und mangelnde Flexibilität werden manchmal als Gründe dafür angeführt, dass Roboter nicht in größerem Umfang eingesetzt werden. Es stimmt, dass Roboter im Vergleich zu analogen, auf menschlichen Mitarbeitern basierenden Lösungen in der Erstinvestition kostenintensiver sind. Außerdem fehlt ihnen die Fähigkeit des kritischen Denkens, weshalb sie in der Regel nicht so effizient wie ein menschlicher Mitarbeiter in Bezug auf Geschwindigkeit und/oder Flexibilität sind. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Roboter in den oben genannten Anwendungsbereichen bessere Alternativen als andere Automatisierungslösungen darstellen und aus betriebswirtschaftlicher Sicht Vorteile gegenüber rein manuellen Lösungen bieten. Kurz gesagt: Roboter haben andere automatisierte Lösungen bereits überholt. Manuellen Lösungen sind sie dicht auf den Fersen und haben diese in einigen Fällen sogar bereits überholt.

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