Drohnenroboter

Industrie: Wo Drohnen sich lohnen

Einsatzmöglichkeiten von Multicoptern im industriellen Umfeld sind bereits gegeben. Ein Spielzeug wird rasch erwachsen: Multicopter, gemeinhin Drohnen genannt, finden auch im gewerblichen Umfeld Anwendung. Das fällt insbesondere dann leichter, wenn sich die Multischrauber im Halleninneren befinden und nicht Verbotsszenarien der Luftfahrt unterliegen.

Sechsarmige Drohne: Der sogenannte Hexacopter bietet eine stabile Fluglage und kann zum Beispiel Produkte aus dem Regal holen. Zur Erkennung dient der QR-Code. (Foto: Fraunhofer IML)

Drohnen sind bereits heutzutage weit verbreitet. Die Verbreitung reicht dabei von dem Hobbybereich mit Modellbau und Fotografie bis hin zu industriellen Anwendungen. Drohnen verfügen über eine sehr stabile Fluglage gepaart mit der Möglichkeit eine Last zu heben. Durchgesetzt haben sich industrielle Drohnen bereits in den Bereich Wartung und Vermessung. So kann eine Drohne beispielsweise eine Hochspannungsleitung aus der Nähe fotografieren oder filmen, ohne dass sich ein Mensch in die Gefahr begeben muss. Die Auswertung der Aufnahmen erfolgt dann entweder live vor Ort mittels Übertragungstechnik oder im Nachgang am Computer. Dadurch ist die Wartung zudem dokumentiert und auch später noch einsehbar.

Die derzeit zu erwerbenden Multicopter weisen grundlegend einen identischen technischen Aufbau vor. Zu den Hauptkomponenten gehören neben den Motoren und Propellern eine Flugsteuerung und eine Stromversorgung die mittels Lithium-Polymer (LiPo) Akkumulator realisiert wird. Das ganze wird auf einem Chassis integriert.

Technische Entwicklung und Gesetzesgrundlagen
Das Layout des Chassis bestimmt den Typ der Drohne. So werden zum Beispiel vierrotorige Drohnen als Quadrocopter und sechsrotorige als Hexacopter bezeichnet. Die Anordnung der Rotoren wird durch die Konfiguration angegeben. So steht ein X4 für einen Quadrocopter, dessen Motoren X-förmig angeordnet sind, ein Y6 besitzt je drei paarweise angeordnete Motoren.

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Fallbeispiel Lager: Der Senkrechtstarter und -lander ermöglicht neue Zugangswege zu den Produkten. (Grafik: Fraunhofer IML)

Multicopter unterliegen in Deutschland gesetzlichen Vorschriften. Eine Haftpflichtversicherung ist Voraussetzung für die kommerzielle Nutzung. Weiter ist eine Aufstiegserlaubnis von Nöten. Durch Flugverbotszonen zum Beispiel in der Nähe von Flughäfen und durch individuelle Gesetze der Bundesländer wird der Flugbetrieb weiter limitiert. So dürfen Drohnen beispielsweise nur im Sichtbereich des Piloten geflogen werden, beziehungsweise bei autonomen Drohnen muss jederzeit ein Pilot eingreifen können. Die Nutzung innerhalb von Gebäuden unterliegt diesen Gesetzen nicht, stattdessen gelten dort die Auflagen der Berufsgenossenschaften.

Die stabile Fluglage mit der Möglichkeit eines senkrechten Startes und einer senkrechten Landung ermöglicht zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten in Produktion und Logistik.

Automatische Aufnahme ermöglicht wirtschaftlichen Einsatz
Das wohl bekannteste Szenario ist dabei der Materialtransport. Bereits Ende 2013 fanden die ersten Pilotierungen im Bereich Pakettransport statt. Dabei wurde auf eine manuelle Anbringung der Last an die Drohne gesetzt. Dadurch muss der Mitarbeiter sich entweder zu der Drohne begeben oder aber warten bis die Drohne zu ihm gekommen ist. Es entsteht eine unproduktive Weg- bzw. Totzeit. Am Fraunhofer IML wurde aus diesem Grund eine vollautomatische Lastaufnahme entwickelt. Diese funktioniert mit Hilfe eines am Gut angebrachten Adapters der mit Hilfe eines QR Codes von der Drohne erkannt wird und zur Identifikation und Justierung genutzt wird. Die Lastaufnahme ist kreisförmig, wodurch eine Ausrichtung der Drohne nicht notwendig ist. Über ein Trichterprinzip wird die Aufnahme mechanisch unterstützt und die benötigte Genauigkeit auf einige Zentimeter reduziert.

Beispiel einer Lastaufnahme durch den Drohnenroboter. (Grafik: Fraunhofer IML)

3D-Druck als Innovationsbeschleuniger
Neben dieser Entwicklung wird im Rahmen des Forschungsprojektes Invent Airy auch ein Identifikationsmodul entwickelt, welches in der Lage ist RFID, Barcodes, QR-Codes und Klarschrift auszulesen und dadurch eine Inventur im Lager durchzuführen. Für die Erfassung von Vollpaletten in einem Regal muss daher der Ladungsträger nicht mehr ausgelagert werden. Dadurch entsteht eine große Zeitersparnis und damit ein deutlicher Wettbewerbsvorteil.

Der 3D-Druck bietet insbesondere im Rapid Prototyping Vorteile und hat nicht nur dort viel Potential. Neben der schnellen Realisierung von Designs können zu vergleichsweise geringen Kosten komplizierte Geometrien gefertigt werden. Im Hinblick auf die Drohne können so an die Belastung angepasste, im Innern versteifte Arme gedruckt werden, die mit traditionellen Fertigungsmethoden nicht herstellbar sind. So können die Arme im Bereich der Klemmung stabiler ausgeführt werden und sich nach außen verjüngen um Gewicht zu sparen. Kabelkanäle lassen sich direkt integrieren.

Neben der belastungsgerechten Konstruktion können bewegliche Bauteile direkt als komplette Baugruppe gedruckt werden, was eine Nachbearbeitung und anschließende Montage überflüssig macht. Eine solche Drohne wurde am Fraunhofer IML konstruiert und produziert und bereits in einer realitätsnahmen Umgebung zum Materialtransport genutzt.

Die Vielzahl der aktuellen Forschungsarbeiten und die Ergebnisse der Pilotierungen zeigen, dass sich der Einsatz von Drohnen in Zukunft weiter ausweiten wird. Dabei müssen gesetzliche Auflagen beachtet werden und sich eine Wirtschaftlichkeit des jeweiligen Szenarios nachweisen lassen. Eine Drohne ist immer dann einem bestehenden System überlegen, wenn die Luft als Vorteil genutzt wird. Dies ist z.B. der Fall, wenn existierende Infrastruktur wie Hallen oder Fördertechnik überflogen werden kann und sich dadurch ein Zeitvorteil ergibt. Neue Produktionsprinzipien wie der 3D-Druck beschleunigen diese Entwicklung.

Philipp Wrycza, Martin Döltgen/bw

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