Będzie w stanie podnieść ładunek ważący około 1,5 tony dzięki widłom wysuwającym się z jego wnętrza i przewiezie go tam, gdzie trzeba – bez pomocy człowieka i żadnej dodatkowej infrastruktury. Nowym robotem do transportu materiałów w magazynach firm z branży handlu internetowego już interesują się klienci, nie tylko w Polsce. Powstaje dzięki współpracy Politechniki Wrocławskiej z firmami Lean-Tech i Softalo.

Autonomiczne roboty w magazynach nie są już nowością. W branży mówi się na nie AGV – co jest skrótem od Automated Guided Vehicle. Ich działanie sprowadza się do transportu palet z towarami w ogromnych halach – które w przypadku sektora e-commerce, czyli handlu internetowego – mogą oznaczać powierzchnię nawet kilku tysięcy metrów kwadratowych. Pomoc robota jest tam więc na wagę złota.

Pierwszy taki robot na świecie

Sposób funkcjonowania takich pojazdów znacznie się jednak różni w zależności od producenta i przyjętych przez niego rozwiązań. Od kilkunastu lat wykorzystywane są np. tzw. pociągi logistyczne, czyli elektryczne ciągniki, które poruszają się po trasie wyznaczanej przez taśmy magnetyczne, ciągnąc za sobą wózki z produktami czy surowcami. Inne roboty skanują QR-kody, czyli znaczniki umieszczane na podłodze, które dają tym pojazdom informację, w jakiej części magazynu się znajdują. Od około czterech lat popularna staje się z kolei technologia bazująca na skanerach laserowych, dzięki którym roboty po wcześniejszym zeskanowaniu przestrzeni hali, mają już jej „mapę” i mogą poruszać się po niej, wiedząc, gdzie znajdują się przeszkody, drzwi itp.

Żeby przetransportować towar w określone miejsce, roboty potrzebują jednak dodatkowej infrastruktury – mogą to być wózki zaprojektowane pod konkretny model robota, różnego typu zaczepy, którymi „przyczepiają się” do wózków czy rodzaj „stojaków”, na których układane są palety z towarami, przejmowane później przez roboty.

– Przyglądaliśmy się tym rozwiązaniom i sami też, we współpracy z firmą Lean-Tech opracowaliśmy robota ze specjalnym systemem zaczepów. W końcu zaczęliśmy się jednak zastanawiać nad możliwością stworzenia pojazdu, który byłby połączeniem autonomicznego wózka widłowego z typowym robotem AGV, czyli w praktyce rozwiązania, które można by wdrożyć w każdym magazynie bez konieczności dostosowywania go pod nowe roboty – opowiada dr inż. Marcin Plewa z Katedry Eksploatacji Systemów Technicznych na Wydziale Mechanicznym PWr.

Naukowcy z PWr wspólnie z podwrocławskim przedsiębiorstwem Lean-Tech (oferującym systemy transportu wewnętrznego) i śląską firmą Softalo (producent oprogramowania automatyki przemysłowej) zdobyli więc dofinansowanie z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój na projekt „Zrobotyzowany system inteligentnego transportu wewnętrznego”. Dzięki temu od roku pracują nad nowym robotem, który będzie pierwszym takim rozwiązaniem na świecie.

Niewielki, zwrotny i samodzielny

Autonomiczne wózki widłowe przypominają te zwykłe obsługiwane przez człowieka. Mają jednak szereg ograniczeń – np. mogą poruszać się tylko w jedną stronę (przed sobą na widłach mają ładunek, a same jadą w przeciwnym kierunku). Trudno jest im też zintegrować się z systemem przenośników rolkowych, czyli „taśm” po których przesuwają się towary. Do tego wymagają sporo miejsca, jako że stale wiozą widły – niezależnie od tego czy z towarem na nich, czy bez.

Tych problemów nie będzie dostarczał robot opracowywany przez naukowców z PWr. Swoje widły będzie chował we wnętrzu i wysuwał je tylko wtedy, gdy będzie chciał już podnieść paletę z towarem, by następnie ją na siebie nałożyć. Do tego sam będzie mieścił się w obrysie tej standardowej palety wykorzystywanej w magazynach (1200 x 800 cm), czyli nie zajmie więcej miejsca niż ona sama. A to może pozwolić firmom zmniejszyć szerokość dróg transportowych między regałami.

Robot będzie miał też koła typu mecanum, które składają się ze swobodnie obracających się rolek umieszczonych na obwodzie koła, co zwiększa zakres możliwych ruchów robota w porównaniu z konwencjonalnymi kołami. W praktyce takie rozwiązanie oznacza, że może on poruszać się w dowolnym kierunku w każdym momencie – czyli nie będzie musiał nawracać, zakręcać itd.

– Jego największą zaletą będzie jednak to, że nie będzie potrzebował żadnej dodatkowej infrastruktury, by przewieźć towar z punktu A do punktu B. Po prostu podjedzie, wyciągnie widły, nałoży na siebie paletę bezpośrednio z podłoża i zawiezie ją w określone miejsce – podkreśla dr Plewa.

Maksymalnie 90 sekund na załadunek

Robot nie będzie wymagał częstego ładowania. Zbudowane specjalnie dla niego baterie umożliwią mu pracę nawet do 72 godzin. Ładowanie będzie się odbywało autonomicznie w zaprojektowanej dla niego stacji. Z wyliczeń naukowców wynika, że pojazd będzie w stanie podnieść i transportować paletę z towarami o masie do 1500 kg, sam ważąc zaledwie 350 kg. Będzie poruszał się z prędkością do 4 km/h, a na załadunek towaru będzie potrzebował między 60 a 90 sekund.

Dzięki odpowiedniej konstrukcji między pojazdem a znajdującą się na nim paletą będzie przestrzeń umożliwiająca wsunięcie wideł z innego urządzenia. Pozwoli to na łatwe przechwycenie palety z produktami przez innego robota, jeśli dojdzie do awarii tego pierwszego, albo przekazanie przez robota towaru do układnicy regałowej (to urządzenie dźwigowe do transportu i układania magazynowanych towarów).

Pod czujnym okiem systemu

Pojazd zostanie wyposażony w dwie kamery 3D, dwie standardowe kamery, a przede wszystkim w zainstalowane w trzech miejscach laserowe skanery, które pozwolą mu bezpiecznie poruszać się w dowolnym kierunku i wykrywać każdą przeszkodę na swojej drodze.

– Będzie też wykorzystywał element sztucznej inteligencji, m.in. do tego, żeby wyznaczać różne strefy w magazynie – takie, w których będzie mógł przyspieszyć, i takie, w których wykryje obecność człowieka, a zatem będzie pracował wolniej z uwagi na bezpieczeństwo pracowników – tłumaczy dr Plewa.

To rozwiązanie także odróżni go od innych robotów AGV dotychczas wykorzystywanych w halach magazynowych. Pojazdy transportujące, które pracują w pobliżu ludzi, gdy tylko potwierdzą ich obecność w otoczeniu, od razu zatrzymują się, a do tego generalnie jeżdżą dość wolno. Strefowanie pozwoli im człowieka omijać, a dzięki temu pracować szybko w miejscach, gdzie ludzi nie będzie.

– Strefy będą określane dynamicznie. Kiedy jeden z floty robotów wykryje obecność człowieka w konkretnym miejscu magazynu, wszystkie roboty będą o tym wiedziały. Podobnie jak o innych przeszkodach, np. zastawionej drodze wyjazdowej. Będą więc modyfikowały swoją trasę tak, by uniknąć utrudnień i dostarczać towary jak najszybciej, a jednocześnie na bieżąco będą wysyłały informacje o zmianach w otaczającej je przestrzeni, czyli np. o nieobecności człowieka lub przeszkody tam, gdzie wcześniej ją stwierdzono – opowiada dr inż. Robert Giel, główny wykonawca w projekcie budowy robota. – Nad pojazdami będzie sprawował pieczę system zarządzający. Dzięki niemu nie będzie dochodziło do sytuacji klinczowych, w których często znajdują się pojazdy AGV. Wystarczy, że trasy dwóch z nich przetną się i w pewnym momencie roboty spotkają się. Widzą się i nie wiedzą, co dalej zrobić – który z nich ma pierwszeństwo, a który powinien się wycofać? W końcu przejadą, ale takie zdarzenia są stratą czasu i są też niebezpieczne dla otoczenia. System zarządzający sprawi, że do takiej sytuacji nie dojdzie, w porę ją bowiem przewidzi i wyznaczy inną trasę dla jednego z robotów lub od razu nada mu priorytet, by ten przejechał jako pierwszy.

Każdy milimetr na wagę złota

Obecnie naukowcy są na etapie przedprototypowym budowy robota. Skonstruowali już jego układ podnoszenia i układ jezdny, a przeprowadzone na nich testy potwierdzają wcześniejsze założenia i wyliczenia zespołu dotyczące możliwości i parametrów pracy pojazdu.

Największym wyzwaniem dla konstruktorów było zaprojektowanie i zbudowanie układu podnoszenia. Konieczne było stworzenie rozwiązania kompaktowego (widły i wszystkie inne elementy robota muszą zmieścić się w obudowie o długości i szerokości standardowej palety – dlatego ważny był każdy milimetr), a do tego wytrzymałego i zdolnego do wygenerowania dużej siły potrzebnej do podnoszenia ładunku. Chcieli uniknąć wykorzystania siłowników hydraulicznych, które wiążą się z potencjalnymi zabrudzeniami ze względu na stosowaną w nich ciecz roboczą. Ostatecznie postawili na mechanizm nożycowy i opracowali konstrukcję, która obecnie jest na etapie zgłoszenia patentowego. Będzie to jeden z trzech patentów, jakie powstaną w związku z tym robotem.

Jednym z głównym autorów tego rozwiązania jest student Wydziału Mechanicznego, Krzysztof Kowalik. Udział w projekcie sprawił, że doceniono go w firmie Lean-Tech i zaproponowano mu zatrudnienie, aktualnie łączy więc magisterskie studia zaoczne z pracą zawodową. To jeden z kilku studentów naszej uczelni działający w zespole tworzącym robota.

Testy w Geocentrum

W tej chwili naukowcy pracują m.in. nad strategią eksploatacyjną dla robota – a zatem określeniem, ile czasu poszczególne elementy i komponenty robota będą mogły bezpiecznie pracować, a kiedy będzie potrzebna ich wymiana. Takie informacje będą się wyświetlały w aplikacji informatycznej robota, łącznie z danymi o stanie jego baterii, aktualnym obciążeniu, średnim poborze prądu czy czasie pracy.

Trwają też testy systemu zarządzającego robota i jego układu sterowania, które odbywają się w kampusie Politechniki Wrocławskiej, w budynkach Geocentrum. Naukowcy sprawdzają m.in. poprawność wyznaczania ścieżek przez robota. W planach jest także budowa dedykowanych robotowi stanowisk badawczych, na których możliwe będzie prowadzenie różnego rodzaju analiz funkcjonowania pojazdu.

– Tworzymy również model symulacyjny, który pozwoli testować pracę wielu robotów jednocześnie w środowisku wirtualnym – opowiada dr Giel. – W ten sposób także upewnimy się np., czy pojazdy wyznaczają najkrótsze trasy. Później dzięki modelowi będziemy też mogli określić, ile robotów będzie potrzebowała konkretna firma dla swojego magazynu, tak by zapewnić sobie najbardziej efektywny system transportu towarów.

Nominowany do nagrody jako technologia przyszłości

Prace nad robotem trwają od roku. Gdy naukowcy z PWr zbudują już jego prototyp, przekażą go, łącznie z dokumentacją, firmie Lean-Tech i to ona stworzy wersję ostateczną – produkcyjną, odpowiadającą wizualizacjom. Wcześniej skonstruuje ona także stację ładowania baterii. Robot będzie gotowy do marca 2022 r. Już teraz budzi duże zainteresowanie przedsiębiorstw z branży magazynowej, nie tylko w Polsce, a potencjalni klienci deklarują chęć zakupu nowych pojazdów.

Robot zyskał też nominację do Polskiej Nagrody Inteligentnego Rozwoju 2020 w kategorii „Innowacyjne technologie przyszłości”. Od pięciu lat przyznaje ją Centrum Inteligentnego Rozwoju podczas gali organizowanej w ramach Forum Inteligentnego Rozwoju – kongresu gospodarczego poświęconego innowacjom i inwestycjom przyszłości. 

Nad robotem pracuje zespół w składzie: dr inż. Marcin Plewa – kierownik projektu, dr inż. Robert Giel – główny wykonawca, dr inż. Jarosław Szrek – odpowiedzialny za nadzór nad częścią prac dotyczących opracowania systemu podnoszenia, w zespole z dr. inż. Damianem Stefanowem, studenci: Krzysztof Kowalik – konstruktor odpowiedzialny za opracowanie systemu podnoszenia i Dawid Moszyński – robotyk, odpowiedzialny za opracowanie algorytmów oraz doktorant Jakub Malewicz kierujący zespołem robotyków. A także zespół opracowujący system eksploatacji robota: prof. Tomasz Nowakowski, dr inż. Anna Jodejko-Pietruczuk, dr hab. inż. Sylwia Werbińska-Wojciechowska, prof. uczelni, doktorantka Alicja Dąbrowska oraz dr hab. inż. Marek Młyńczak, prof. uczelni i prof. uczelni, dr hab. inż. Artur Kierzkowski. W Lean Tech głównym wykonawcą robota jest Michał Borucki, dyrektor techniczny firmy, który pracował m.in. nad układem podnoszenia pojazdu.

Lucyna Róg