DE102009011294A1

DE102009011294A1 - Palletieren von Paketen mittels eines Manipulators

Info

Publication number: DE102009011294A1
Application number: DE102009011294A
Authority: DE
Inventors: Ralf Kühnemann; Lars Baldes; Gerda Dr. Ruge
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: DE102009011294B4; US8583277B2; US20100221094A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Palletieren von Paketen (1.1, ...1.4) mittels eines Manipulators, insbesondere eines Roboters (10), umfasst die Schritte: (S20) Vorgeben einer Folge (1.3 → 1.1 → 1.2 → 1.4) von Greifpositionen zum Aufnehmen von Paketen mit dem Manipulator; (S25) Überprüfen einer Bereitstellung von vorgesehenen Paketen in den Greifpositionen; (S30) Palletieren von Paketen (1.4, 1.1) nach einem vorgegebenen Ausgangs-Palletiermuster (1.3 + 1.1 + 1.2 + 1.4), solange in den Greifpositionen die vorgesehenen Pakete bereitgestellt werden; und (S40) Palletieren von Paketen (1.4, 1.2) mittels des Manipulators nach einem von dem Ausgangs-Palletiermuster abweichenden Ausweich-Palletiermuster (1.3 + 1.1, 1.4), falls in einer Greifposition ein vorgesehenes Paket (1.2) nicht bereitgestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Palletieren von Paketen mittels eines Manipulators, insbesondere eines Roboters.
Beispielsweise aus der DE 10 2007 001 263 A1 ist es bekannt, Einzelwaren oder Warengebinde, die nachfolgend einheitlich als Pakete bezeichnet werden, mittels eines Palletierautomaten oder Roboters zu Paketstapeln aufzustapeln, i. e. zu Palletieren. Hierzu müssen in einem Paketier- oder Lademuster die Positionen der einzelnen Pakete im Paketstapel vorgegeben werden.
Zur Generierung solcher Palletiermuster sind einerseits offline-Algorithmen bekannt, in denen das Palletiermuster vorab auf Basis aller zu palletierenden Pakete vorgegeben wird. Damit können vorteilhaft Paketstapel bezüglich eines oder mehrerer Gütekriterien und Randbedingungen optimiert und so beispielsweise dicht gepackte und stabile Stapel erzeugt und Relationen zwischen Paketen, beispielsweise eine Nebeneinanderanordnung von Paketen derselben Warenart, berücksichtigt werden.
Aus dem solcherart global optimalen Palletiermuster ergibt sich dann eine Abfolge von Greif- oder Anfahrpositionen, in denen der Manipulator die Pakete aufnehmen muss. Werden die Pakete beispielsweise einzeln auf einem Stetigförderer angeliefert, bestimmt diese Folge von Greifpositionen die Reihenfolge, in der die Pakete angeliefert werden müssen. Ist diese Reihenfolge gestört, kann das vorab geplante Palletiermuster nicht ausgeführt werden.
Hierzu ist es einerseits bekannt, Pakete dann manuell handzuhaben, beispielsweise die Reihenfolge der angelieferten Pakete durch Einfügen, Entfernen oder Vertauschen von Paketen wieder zu korrigieren, oder von Hand zu Ende zu Palletieren. Wie jeder manuelle Eingriff in automatisierte Prozesse verringert dies die Zuverlässigkeit und die erreichbaren Betriebs- und Taktzeiten, erfordert umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz des Personals bei Interaktion mit Manipulatoren, und ist bei manchen Paketen aufgrund der Gewichte der Pakete oder der Maße von Paketen, Stapeln oder Palletierstation nicht möglich.
Eine andere bekannte Lösung besteht darin, stets mehrere Pakete vorzuhalten, beispielsweise durch Zwischenpufferung angelieferter Pakete in einem Sorter, beispielsweise einem Ringpuffer, oder Bereitstellung verschiedener sortenreiner Paketvorräte, so dass sichergestellt ist, dass in einer vorgegebenen Greifposition stets ein zur Aufnahme mit dem Manipulator vorgesehenes Paket zur Verfügung steht. Beides ist jedoch bei einer Vielzahl unterschiedlicher Pakete nicht mehr effektiv und ohne erheblichen Aufwand an Stauraum zu realisieren.
Aus der EP 1 211 203 B1 ist andererseits ein online-Verfahren bekannt, bei dem das Palletiermuster unmittelbar auf Basis von in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Paketen vorgegeben wird. Hierzu wird schrittweise für je ein Paket aus einem Zwischenspeicher eine Position in dem bisher generierten Teilstapel berechnet. Nachteilig wird hier nur ein lokal optimales Palletiermuster erzeugt, so dass der gesamte Stapel bezüglich Packungsdichte, Stabilität oder anderer Gütekriterien und Randbedingungen in der Regel gegenüber einem vorab unter Berücksichtigung aller zu palletierenden Pakete geplanten Stapel schlechter ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Palletieren von Paketen mittels eines Manipulators zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 15 stellt eine Vorrichtung, Anspruch 16 bzw. 17 ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist insbesondere zum Palletieren gemischter Paketstapel aus verschiedenen Paketen mit unterschiedlichen Abmessungen mittels eines Manipulators, insbesondere eines Industrieroboters, geeignet.
Dabei werden zunächst ein Ausgangs-Palletiermuster und eine Folge von Greifpositionen zum Aufnehmen von Paketen mit dem Manipulator vorgegeben. Beides kann mittels eines der bekannten offline-Alogrithmen bereits vor Anlieferung von Paketen in Greifpositionen erfolgen. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, ein global optimales Ausgangs-Palletiermuster zu erstellen, welches beispielsweise eine hohe Packungsdichte und/oder Stabilität aufweist, oder bei dem eine vorgegebene Relation von Paketen innerhalb des zu erzeugenden Paketstapels, beispielsweise nach Waren- oder Preisgruppen, berücksichtigt ist. Auch ist die Rechenzeit bei der Generierung des Musters nicht kritisch.
Die Greifpositionen sind beispielsweise durch die Lage und/oder Orientierung der von dem Manipulator aufzunehmenden Pakete relativ zum Manipulator als Folge beispielsweise über der Zeit, einem Palletiertakt, einer Stellung des Manipulators und/oder einer Zufördereinrichtung oder einem bereits erzeugten Teilestapel definiert. Werden beispielsweise die zu palletierenden Pakete einzeln auf einem Stetigförderer zugeführt, bestimmen die Greifpositionen die Reihenfolge der Pakete auf dem Förderer und dessen Verfahrweg, so dass jeweils das benötigte Paket in einer vorzugsweise für alle Pakete gleichen Greifposition vorliegt, wenn es vom Manipulator gemäß dem Palletiermuster aufgenommen und auf den entstehenden Paketstapel transportiert werden soll. in Form eines Zwischenspeichers können auch mehrere verschiedene Greifpositionen vorgesehen sein, die der Manipulator der Reihe nach anfahren kann, um die dort vorgesehenen Pakete aufzunehmen. Sind beispielsweise zwei Stetigförderer nebeneinander angeordnet, kann eine erste Greifposition auf dem einen, eine zweite Greifposition auf dem anderen Förderer vorgesehen werden, in die die gemäß Palletiermuster als nächstes aufzunehmenden Pakete abwechseln gefördert werden.
Bevor der Manipulator ein Paket aufnimmt, wird überprüft, ob ein als nächstes zur Aufnahme vorgesehenes Paket in der als nächstes anzufahrenden Greifposition bereitgestellt ist. Solange dies der Fall ist, palletiert der Manipulator die Pakete nach dem vorgegebenen Ausgangs-Palletiermuster. Tritt keine Störung in der Bereitstellung der Pakete auf, wird so der Paketstapel nach dem vorab geplanten vorteilhaften Ausgangs-Palletiermuster generiert.
Falls jedoch bei der Überprüfung festgestellt wird, dass in einer, insbesondere der nächsten anzufahrenden, Greifposition ein vorgesehenes Paket nicht bereitgestellt ist, palletiert der Manipulator die Pakete nach einem von dem Ausgangs-Palletiermuster abweichenden Ausweich-Palletiermuster. Durch diese flexible Reaktion des Manipulators können vorteilhafterweise längere Unterbrechungen des Palletiervorgangs, wie sie bisher bei Störungen in der Bereitstellung während der Abarbeitung eines offline geplanten Palletiermusters auftreten, vermieden und die Pakete im Wesentlichen ohne Unterbrechung in Greifpositionen gefördert werden.
In einer bevorzugten Ausführung wird ein Ausweich-Palletiermuster erst während der Palletierung, insbesondere online vorgegeben, sobald festgestellt wird, dass in einer Greifposition kein vorgesehenes Paket bereitgestellt ist. Hierzu können bekannte online-Algorithmen oder, vorzugsweise, im Wesentlichen desselben Algorithmus eingesetzt werden, mit dem auch das Ausgangs-Palletiermuster vorgegeben wird. Während jedoch das Ausgangs-Palletiermuster auf Basis aller zu palletierenden Pakete und einer freien Anfangsladefläche, beispielsweise einer leeren Palette, vorgegeben wird, wird das Ausweich-Palletiermuster auf Basis der in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Pakete und des bereits erzeugten Teilpaketstapels vorgegeben. Hierzu müssen also in dem Algorithmus nur die in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Pakete als Paketvorrat und die Oberseite des bereits erzeugten Teilpaketstapels als die Anfangsladefläche vorgegeben werden. Alternativ ist es auch möglich, vorab ein oder mehrere Ausweich-Palletiermuster zu planen und beispielsweise je nach bereits erzeugtem Teilstapel und/oder in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Paketen ein geeignetes dieser Ausweich-Palletiermuster auszuwählen.
Das Ausweich-Palletiermuster kann auf Basis aller in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Pakete und/oder der theoretisch noch zu palletierenden Pakete bis zu vollständigen Paketstapeln geplant werden. Bevorzugt wird jedoch schrittweise nur ein Ausweich-Palletiermuster zur Anordnung des jeweils nächsten in der Greifposition tatsächlich bereitgestellten Paketes oder der jeweils nächsten in den Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Pakete geplant, um so rasch auf die Variantenvielzahl möglicher Störungen reagieren zu können.
Insbesondere, wenn ein Ausweich-Palletiermuster nur schrittweise erstellt wird, kann der Paketstapel zu einem nicht geeigneten, beispielsweise nicht stabilen Stapel konvergieren. Daher kann es vorteilhaft sein, bei der Vorgabe eines Ausweich-Palletiermuster mehrere mögliche Ablageflächen, insbesondere zusätzliche Paletten zu Verfügung zu stellen, auf die bei der Palletierung ausgewichen werden kann. Wird dann bei Vorgabe des Ausweich-Palletiermusters festgestellt, dass ein Kennwert, beispielsweise für die Stabilität, eines bezüglich der ursprünglichen Ablagefläche nach dem Ausgangs-Palletiermuster geplanten Paketstapels nicht eingehalten werden kann, wird auf eine dieser anderen Ablageflächen gewechselt. Tatsächlich in den Greifpositionen bereitgestellte Pakete werden so auf mehrere Teilpaketstapel verteilt, sobald sie aufgrund einer Störung in der Anlieferung oder eines insoweit schlechteren schrittweisen online-Algorithm us nicht mehr alle auf der ursprünglichen Ablagefläche nach dem Ausgangs-Palletiermuster angeordnet werden können. Zwei oder mehrere solcher Teilpaketstapel können anschließend gegebenenfalls zusammengefügt werden.
Bevorzugt werden wenigstens während der Abarbeitung eines Ausweich-Palletiermusters die in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Pakete, die tatsächlich palletierten Pakete und/oder die möglichen Ablageflächen angezeigt, um beispielsweise in einer Inbetriebnahme eine visuelle Kontrolle zu ermöglichen.
Insbesondere mit einer solchen optischen Anzeige wird es auch möglich, Benutzereingaben bei der Vorgabe eines Ausweich-Palletiermusters manuell einzugeben. Beispielsweise kann ein Benutzer anhand einer Darstellung tatsächlicher Teilpaketstapel und tatsächlich in den Greifpositionen bereitgestellter Pakete den Ausweich-Palletiermusters in einer 2D- oder 3D-Simulation, zum Beispiel mittels einer 6D- oder Space-Maus, vorgeben.
Bevorzugt kann eine solche Benutzereingabe überprüft werden, beispielsweise auf die Stabilität und/oder Dichte des gemäß der Benutzereingabe weitergebauten Paketstapels, ob eine geplante Ablegeposition mit dem Manipulator kollisionsfrei erreichbar ist oder dergleichen. Der Bediener kann bei der Benutzereingabe unterstützt werden, beispielsweise, indem virtuelle Pakete bei der Planung an einem Gitter einrasten oder an Kanten oder Ecken unterliegender Pakete ausgerichtet werden oder indem mögliche Ablageflächen gekennzeichnet werden. Vorzugsweise können angezeigte Pakete gemäß einer Klassifikation, beispielsweise nach Stabilitätsklassen oder Produktgruppen, gekennzeichnet, insbesondere eingefärbt dargestellt werden. Stehen mehrere Ablageflächen, insbesondere Teilpaketstapel, zur Verfügung, werden bevorzugt alle gleichzeitig dargestellt, um dem Benutzer einen besseren Überblick zu verschaffen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: Schritte des Verfahrens nach 6;
2: einen weiteren Schritt des Verfahrens nach 6;
3: einen weiteren Schritt des Verfahrens nach 2;
4: einen alternativen Schritt des Verfahrens nach 6;
5: einen weiteren Schritt des Verfahrens nach 4; und
6: den Ablauf eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt links oben einen Ausgangs-Paketvorrat mit vier Paketen 1.1,...1.4, die auf einer Palette 2 palletiert werden sollen, in der Seit- und darunter in der Draufsicht.
In einem ersten Schritt S10 (vgl. auch 6) wird mittels eines bekannten offline-Algorithmus ein stabiles und dicht gepacktes Ausgangs-Palletiermuster geplant, das in 1 rechts oben wiederum in Seit- und Draufsicht dargestellt ist.
Aus diesem wird in einem Schritt S20 eine Folge 1.3 → 1.1 → 1.2 → 1.4 von Greifpositionen bestimmt, in denen ein Roboter 10 (vgl. 2) die Pakete 1.1,...1.4 der Reihe nach aufnehmen muss. Werden die Pakete einzeln nacheinander auf einem in 1 rechts unten dargestellten Förderband 3 angeliefert, bestimmt diese Folge von Greifpositionen für die Pakete 1.1,...1.4 jeweils am stromabwärtigen Ende des Förderbandes 3 ihre Reihenfolge 1.3, 1.1, 1.2 und 1.4 auf dem Förderband 3, wie sie in 1 rechts unten dargestellt ist,
Während der Abarbeitung dieses Ausgangs-Palletiermusters wird in einem Schritt S25 (vgl. 6) durch eine Kamera 20 (vgl. 2) überprüft, ob in der Greifposition am Ende des Förderbandes 3 jeweils das als nächste zur Aufnahme durch den Greifer vorgesehene Paket bereitgestellt ist.
In der Figurenfolge 2 → 3 werden die Pakete 1.2, 1.4 in korrekter Reihenfolge auf dem Förderband 3 in ihre Greifpositionen gebracht.
Dementsprechend ist die Überprüfung in Schritt S25 positiv („J”) und der Manipulator baut in einem Schritt S30 den Paketstapel 1.3 + 1.1 + 1.2 + 1.4 gemäß dem Ausgangs-Palletiermuster auf.
In der Figurenfolge 4 → 5 sind die Pakete 1.2, 1.4 auf dem Förderband 3 vertauscht. Daher wird in Schritt S25 festgestellt, dass in der Greifposition, die dem Teilpaketstapel 1.3 + 1.1 zugeordnet ist, nicht das eigentlich vorgesehen Paket 1.2, sondern das Paket 1.4 bereitgestellt wird (S25: „N”).
Daher berechnet eine Steuervorrichtung des Roboters 10 ein Ausweich-Palletiermuster. Hierzu versucht der Algorithmus zunächst, das bereitstehende Paket 1.4 auf dem bereits erzeugten Teilstapel 1.3 + 1.1 abzulegen, stellt jedoch fest, dass eine Stabilität S(1.3 + 1.1 + 1.4) des so erzeugten Paketstapel einen Grenzwert G unterschreiten würde (S35: „N”). Daher wird nach dem Ausweich-Palletiermuster das Paket 1.4 in einem Schritt S40 auf einer alternativ bereitstehenden zweiten Pallette 2' abgelegt.
Diese Schritte werden bis zur Abarbeitung aller zu palletierenden Pakete wiederholt. So wird für das als nächstes in der Greifposition am Ende des Förderbandes bereitgestellte Paket 1.2 ein Ausweich-Palletiermuster generiert, in dem es in der ursprünglich vorgesehen Stelle auf dem ersten Teilstapel 1.3 + 1.2 abgesetzt wird.
Nach Abarbeitung aller zu palletierenden Pakete 1.1,...1.4 wird festgestellt, dass die beiden Teilpaketstapel 1.3 + 1.1 + 1.2 und 1.4 zusammengefügt werden können. Auf diese Weise wird sogar das ursprünglich geplante Ausgangs-Palletiermuster 1.3 + 1.1 + 1.2 + 1.4 erreicht, ohne dass die Anförderung der falsch gereihten Pakete unterbrochen werden musste.

1.1,...1.4: Paket
2, 2': Palette
3: Förderband
10: Roboter
20: Kamera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007001263 A1 [0002]
- EP 1211203 B1 [0007]

Claims

Verfahren zum Palletieren von Paketen (1.1,...1.4) mittels eines Manipulators, insbesondere eines Roboters (10), mit den Schritten: (S20) Vorgeben einer Folge (1.3 → 1.1 → 1.2 → 1.4) von Greifpositionen zum Aufnehmen von Paketen mit dem Manipulator; (S25) Überprüfen einer Bereitstellung von vorgesehenen Paketen in den Greifpositionen; und (S30) Palletieren von Paketen (1.4, 1.1,) nach einem vorgegebenen Ausgangs-Palletiermuster (1.3 + 1.1 + 1.2 + 1.4), solange in den Greifpositionen die vorgesehenen Pakete bereitgestellt werden; dadurch gekennzeichnet, dass (S40) der Manipulator die Pakete (1.4, 1.2) nach einem von dem Ausgangs-Palletiermuster abweichenden Ausweich-Palletiermuster (1.3 + 1.1, 1.4) palletiert, falls in einer Greifposition ein vorgesehenes Paket (1.2) nicht bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge von Greifpositionen und/oder das Ausgangs-Palletiermuster vor Anlieferung von Paketen in Greifpositionen vorgegeben wird (S10, S20).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausweich-Palletiermuster vorgegeben wird, wenn festgestellt wird, dass in einer Greifposition kein vorgesehenes Paket bereitgestellt ist (S40).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pakete im Wesentlichen ohne Unterbrechung in Greifpositionen gefördert werden, auch wenn festgestellt wird, dass in einer Greifposition kein vorgesehenes Paket bereitgestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangs-Palletiermuster und das Ausweich-Palletiermuster auf Basis desselben Algorithmus vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangs-Palletiermuster auf Basis aller zu palletierenden Pakete (1.1,...1.4) vorgegeben wird und das Ausweich-Palletiermuster auf Basis von in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellten Paketen (1.4; 1.2), insbesondere schrittweise, vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausweich-Palletiermuster auf Basis mehrerer möglicher Ablageflächen, insbesondere auf Basis mehrerer Paletten (2') und/oder Teilpaketstapel (1.3 + 1.1), vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorgabe eines Ausweich-Palletiermusters gegenüber dem Ausgangs-Palletiermuster wenigstens eine zusätzliche mögliche Ablageflächen (2') zur Verfügung steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teilpaketstapel nach dem Ausweich-Palletiermuster (1.3 + 1.1 + 1.2, 1.4) gegebenenfalls zusammengefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorgabe des Ausweich-Palletiermusters ein Kennwert, insbesondere die Stabilität (S), eines bezüglich einer Ablagefläche geplanten Paketstapels überprüft (S35) und gegebenenfalls auf eine andere Ablagefläche (2') gewechselt wird (S40), falls der Kennwert einen vorgegebenen unteren Grenzwert (G) unter- und/oder einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Greifpositionen tatsächlich bereitgestellte Pakete, bereits palletierte Pakete und/oder möglichen Ablageflächen angezeigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorgabe eines Ausweich-Palletiermusters eine Benutzereingabe vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Benutzereingabe, insbesondere bezüglich einer Folge von Greifpositionen, einer Stabilität eines zu planenden Paketstapels, einer Ablegeposition und/oder ihrer Erreichbarkeit überprüft und/oder unterstützt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass angezeigte Pakete gemäß einer Klassifikation optisch gekennzeichnet, insbesondere eingefärbt werden.
Vorrichtung zum Palletieren von Paketen (1.1,...1.4), mit: einem Manipulator, insbesondere einem Roboter (10), zum Aufnehmen von in Greifpositionen bereitgestellten Paketen; und einer Steuervorrichtung zur Vorgabe eines Palletiermusters (1.3 + 1.1 + 1.2 + 1.4; 1.3 + 1.1, 1.4), nach dem der Manipulator die Pakete palletiert; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Computerprogramm, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausführt, wenn es in einer Steuervorrichtung nach Anspruch 15 abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und ein Computerprogramm nach Anspruch 16 umfasst.