Intralogistik : Pick-Robotik: Der Engpass liegt nicht im Greifer

Ein Roboter greift, legt ab, greift wieder. Bis zu 2000 mal in einer Stunde. Unter optimalen Bedingungen erreicht das schnellste System, das das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML für seine neue Marktstudie untersucht hat, diese Leistung. Vor gut zehn Jahren sah das noch anders aus: Bei der Amazon Picking Challenge 2015 kam der damals leistungsfähigste autonome Pick-Roboter auf rund 30 Entnahmen pro Stunde. Ein menschlicher Kommissionierer schaffte laut der vom Institut zitierten Forschung etwa 400.

Doch so schnell die technische Entwicklung vorangeschritten ist, in der Praxis sind Pick-Roboter immer noch recht spärlich verbreitet. Von den 45 Unternehmen, die das Fraunhofer IML für die Studie befragt hat, setzen 16 Prozent Pick-Roboter ein. Fahrerlose Transportsysteme, kurz FTS, kommen bei 36 Prozent zum Einsatz. Beide Technologien gemeinsam nutzen neun Prozent.

Die Studie zeigt zugleich, warum sich Leistungswerte einzelner Technologien nicht ohne Weiteres auf den gesamten Lagerprozess übertragen lassen. Ein Pick-Roboter kann nur so schnell arbeiten, wie Ware bereitgestellt, transportiert und weiterverarbeitet werden kann.

Die meisten heute angebotenen Pick-Roboter arbeiten stationär an einer festen Kommissionierstation. Besonders verbreitet sind Gelenkarmroboter, also klassische Industrieroboter mit mehreren Achsen. Sie greifen Artikel aus einem bereitgestellten Behälter und legen sie in eine Sammeleinheit. Solche Systeme machen 82 Prozent der 33 vom Fraunhofer IML untersuchten Lösungen aus.

Daneben gibt es andere Bauformen. Portalroboter bewegen den Greifer entlang einer Konstruktion über dem Arbeitsbereich. SCARA-Systeme sind auf schnelle Bewegungen in der horizontalen Ebene ausgelegt. Mobile Pick-Roboter wiederum kombinieren Greiftechnik und Fahrzeug und fahren selbst zur Ware.

Die Leistungsunterschiede sind groß. Stationäre Gelenkarmroboter erreichen laut Herstellerangaben zwischen 500 und 1.400 Picks pro Stunde, Portalroboter bis zu 1.200 und SCARA-ähnliche Systeme bis zu 2.000. Mobile Pick-Roboter kommen derzeit auf 70 bis 120 Picks pro Stunde.

Die Werte stammen aus Herstellerangaben und wurden in der Regel unter optimalen Bedingungen erhoben, etwa hinsichtlich Artikelgröße und Gewicht, wie die Studie klarstellt.

Für die reale Leistung ist daher auch entscheidend, wie schnell die Ware zum Roboter gelangt. Mehr als 60 Prozent der untersuchten Systeme verwenden dafür weiterhin Stetigfördertechnik, also etwa Rollen- oder Behälterförderer. Mobile Lösungen für den Zu- und Abtransport spielen bislang eine kleinere Rolle.

Wird ein stationärer Pick-Roboter stattdessen durch Fahrerlose Transportfahrzeuge versorgt, müssen diese in der richtigen Reihenfolge und zum richtigen Zeitpunkt an der Station eintreffen. Dafür braucht es eine entsprechende Steuerung und, je nach Leistungsanforderung, eine größere Zahl an Fahrzeugen.

Die für die Studie befragten Experten weisen darauf hin, dass sonst Bottlenecks entstehen können: Der Pick-Roboter wäre grundsätzlich leistungsfähig genug, kann aber nicht weiterarbeiten, weil der nächste Behälter noch nicht bereitsteht. Um eine mit Stetigfördertechnik vergleichbare Leistung zu erreichen, könne eine entsprechend hohe Zahl an Fahrzeugen erforderlich sein.

Für Unternehmen zählt damit nicht nur die Pickleistung des Roboters, sondern der Durchsatz des Gesamtsystems.

Wie diese Abhängigkeit in der Praxis aussehen kann, zeigt ein Projekt beim Schweizer Beschlagspezialisten OPO Oeschger. Dort wurde ein KI-gestützter Pick-Roboter von Sereact in einen bestehenden Kommissionierarbeitsplatz integriert. Das automatisierte Kleinteilelager, die Fördertechnik und der übrige Materialfluss blieben bestehen.

Technisch könnte der Roboter schneller arbeiten. Seine Geschwindigkeit wurde jedoch bewusst begrenzt, damit er sich in den bestehenden Materialfluss einfügt und keine neuen Engpässe verursacht. In der derzeitigen Ausbaustufe entspricht seine Leistung etwa einem halben Vollzeitmitarbeiter.

Der Anwendungsfall zeigt damit sehr konkret, warum die maximale Pickleistung allein noch wenig über die Leistung einer Anlage aussagt.

Bei der Kombination von Pick-Robotik und FTS treffen zwei unterschiedliche Systemlogiken aufeinander. Stetigfördertechnik kann hohe Materialmengen kontinuierlich bewegen, legt die Wege im Lager jedoch weitgehend fest. Fahrerlose Transportfahrzeuge lassen sich flexibler einsetzen: Fahrwege können verändert, Fahrzeuge ergänzt und Materialflüsse angepasst werden.

Gerade in bestehenden Lagern kann das ein Vorteil sein. Die Experten der Fraunhofer-Studie sehen Potenzial, mit FTS Brownfield-Flächen flexibler zu nutzen.

Gleichzeitig steigt mit dem Zusammenspiel von Pick-Robotik, Fahrzeugflotte, Warehouse Management System und Auftragssteuerung der Integrationsaufwand.

Jennifer Beuth, Abteilungsleiterin Intralogistik und IT-Planung am Fraunhofer IML, formuliert es so: „Am Ende ist die Entscheidung für eine neue Technologie immer eine Abwägung zwischen Kosten, Leistung und Flexibilität.“ Das direkte Zusammenspiel aus FTS und Pick-Robotik erhöhe die Komplexität und sei mit zusätzlichen Ressourcen für Integrations- und Steuerungsaufgaben verbunden.

36 Prozent der befragten Unternehmen setzen bereits FTS ein, weitere sieben Prozent führen Pilotprojekte oder Tests durch. Pick-Roboter befinden sich bei 16 Prozent im produktiven Einsatz. 51 Prozent planen derzeit keinen Einsatz.

Bei der Kombination von FTS und Pick-Robotik stehen neun Prozent im produktiven Betrieb, weitere neun Prozent testen entsprechende Lösungen. Insgesamt 38 Prozent planen einen Einsatz innerhalb der kommenden drei bis fünf Jahre.

Die Zahlen sind allerdings nicht repräsentativ für den Gesamtmarkt. Befragt wurden 45 Unternehmen, davon beschäftigen 58 Prozent mehr als 1.000 Mitarbeiter. 67 Prozent der Teilnehmer stammen aus strategischen oder Managementfunktionen. Das Fraunhofer IML weist selbst darauf hin, dass die Ergebnisse Tendenzen zeigen, aber keine statistisch belastbaren Aussagen für einzelne Branchen oder Unternehmensgrößen zulassen.

92 Prozent der Befragten stimmen der Aussage eher oder vollkommen zu, dass die Kombination von Pick-Robotik und FTS Mitarbeitende entlasten kann. 80 Prozent sehen darin eine Möglichkeit, dem Fachkräftemangel entgegenzuwirken. Auch die Reduzierung der Fehlerquote und eine höhere Planungssicherheit werden hoch bewertet.

Die Steigerung der Pickleistung erhält auf der fünfstufigen Skala einen Mittelwert von 3,5, die Reduzierung der Transportzeiten 3,2. Damit steht weniger eine unmittelbare Leistungssteigerung im Vordergrund als die Frage, wie sich Prozesse mit weniger verfügbaren Arbeitskräften stabil betreiben lassen.

Auch die befragten Experten sehen den Fach- und Hilfskräftemangel als wesentlichen Treiber. Die primäre Motivation sei nicht die Einsparung von Personalressourcen, sondern die geringere Abhängigkeit von der Personalverfügbarkeit.

Fraunhofer-IML-Institutsleiterin Alice Kirchheim geht deshalb mittelfristig von einem Mischbetrieb aus: „Mittelfristig ist der Mischbetrieb zwischen Menschen und mobiler Robotik der Königsweg, denn er verbindet die Vorzüge der Automatisierung mit der Kompetenz des Menschen.“

Eine der größten technischen Hürden liegt weiterhin in der Artikelvielfalt. Lose Produkte liegen unterschiedlich im Behälter, Verpackungen können flexibel sein, Oberflächen porös oder feucht, Gegenstände sehr klein oder ihr Gewicht ungleich verteilt. Solche Unterschiede machen automatisiertes Greifen deutlich schwieriger.

Die befragten Unternehmen bewerten Sonderfälle und stark variierende Artikel mit einem Mittelwert von 4,1 als größte Herausforderung. Die Experten berichten, dass trotz gesunkener Fehlerraten teilweise noch mehrmals pro Stunde ein Mensch eingreifen muss.

58 Prozent der befragten Unternehmen handhaben Kleinteile in starren Verpackungen, 51 Prozent solche in flexiblen Verpackungen und 40 Prozent lose, unverpackte Kleinteile. Viele Unternehmen haben mehrere dieser Kategorien gleichzeitig im Sortiment.

Auch im OPO-Projekt wird deshalb nicht jeder Auftrag an den Roboter geschickt. Im Lagerverwaltungssystem ist hinterlegt, welche Artikel für die automatisierte Kommissionierung geeignet sind. Schwieriger zu handhabende Produkte werden weiterhin manuell bearbeitet.

An dieser Grenze wird derzeit intensiv gearbeitet. Computer Vision und neue Lernverfahren sollen dazu beitragen, dass Pick-Roboter mit einer größeren Zahl an Artikeln und Greifsituationen umgehen können.

Ein Beispiel dafür ist Nomagic. Das Unternehmen sammelt in einer sogenannten „Library of Chaos“ schwierige Situationen aus realen Lagerprozessen, darunter ungewöhnlich liegende Produkte und komplexe Greifaufgaben, und nutzt sie zum Training seiner Modelle. Ziel ist, dass die Systeme künftig mehr dieser Situationen selbstständig bewältigen können.

Mehr dazu: Wie KI Robotern das Greifen im Lager beibringt

Auch die Fraunhofer-Experten sehen Fortschritte bei Computer Vision und KI-basierten Lernverfahren als einen Faktor, der Implementierungszeiten verkürzen und Fehlerquoten reduzieren kann. Größere Trainingsdatenbestände, standardisierte Lernverfahren und Open-Source-Modelle könnten die Einführungskosten weiter senken.

Neben der Technik bleibt die Wirtschaftlichkeit eine wesentliche Hürde. 84 Prozent der befragten Unternehmen bewerten hohe Investitions- und Systemkosten als Herausforderung. 82 Prozent nennen die Abhängigkeit von einem geeigneten Lagerlayout. Hinzu kommen Planungs- und Implementierungsaufwand, Störanfälligkeit sowie der Aufwand für Steuerung, Wartung und Integration.

In den Freitextantworten wird außerdem das Spannungsfeld zwischen sofort notwendigen Investitionen und der Erwartung unmittelbar sinkender Stückkosten genannt, insbesondere in der Kontraktlogistik.

Auch Volumenschwankungen können den Einsatz erschweren. Befragte nennen mangelnde Skalierbarkeit bei wechselnder Auslastung und sehen einen sinnvollen Einsatz teilweise vor allem bei einer stetigen, relativ gleichmäßigen Auftragslast.

Die Experten sehen dennoch Einsatzfelder für kombinierte Lösungen. Genannt werden Produktionsumgebungen mit vielen Quellen und Senken, Ersatzteilzentren mit langen Transportwegen oder der Wareneingang. Dort könnte Robotik etwa bei der Depalettierung eingesetzt werden, während FTS die Ware anschließend flexibel in unterschiedliche Lagerbereiche transportieren.

Damit hängt der wirtschaftliche Nutzen stark vom jeweiligen Prozess ab: Sind lange Transportwege der Engpass, kann mobile Robotik einen Vorteil bieten. Fehlen dauerhaft Mitarbeiter an einer standardisierten Pickstation, kann Pick-Robotik sinnvoll sein. Gibt es viele Quellen und Senken und wechselnde Materialflüsse, kann die Kombination beider Technologien Vorteile bringen. Muss dagegen eine stationäre Pickstation dauerhaft mit sehr hohem Durchsatz versorgt werden, kann klassische Fördertechnik die passendere Lösung sein.

Eine weitere Unsicherheit entsteht durch die Entwicklung humanoider Robotik. Die befragten Experten sehen mögliche positive Effekte auf Sensorik, Hände und Greifmechanismen. Gleichzeitig besteht aus ihrer Sicht das Risiko, dass Unternehmen heutige Piece-Picking-Systeme als Übergangslösung betrachten und Investitionen verschieben, während sie auf universeller einsetzbare Systeme warten.

Dazu kommt, dass frühere Leistungsversprechen in realen Anwendungen teilweise nicht eingehalten wurden. Das Marktsegment muss deshalb weitere Referenzen aufbauen.