Im Rahmen eines Forschungsprojekt ist der Prototyp eines mobilen Reinigungsroboters entstanden, der Schmutz automatisch erkennt, ihn wegwischt oder saugt, Bürotüren selbstständig öffnet und sogar Papierkörbe leert. Wie die Software dahinter funktioniert, ob der Prototyp bald serienreif ist und wie der Reinigungsroboter im Praxistest abgeschnitten hat.
Steigender Kostendruck, Personalmangel und Personalfluktuation – Herausforderungen, mit denen sich die Reinigungsbranche zunehmend konfrontiert sieht. Vor diesem Hintergrund wurde Anfang 2016 das Projekt BakeR – Baukastensystem für kosteneffiziente, modulare Reinigungsroboter – gestartet. Das Ziel dahinter: Einen Serviceroboter zu entwickeln, der in der Lage ist, auf Basis einer modularen Plattform verschiedene Reinigungsaufgaben zu übernehmen.
Im Laufe der dreieinhalbjährigen Projektlaufzeit sind schließlich eine autonom navigierende mobile Plattform, Module für die Nassreinigung und das Staubsaugen sowie ein flexibel einsetzbarer Roboterarm entstanden. Je nach Ort und Reinigungsvorgang kann der Roboter das passende Modul selbst auswählen und aufnehmen.
Roboter erstellt ein digitales Reinigungsprotokoll
Seine Arbeit plant der Reinigungsroboter auf Basis der vorliegenden Objektinformationen wie dem Raumbuch, das grundlegende Informationen zu den einzelnen Räumen beinhaltet, sowie dem Revierplan, der die dort zu erbringenden Leistungen definiert. Mit diesen Informationen kann der Roboter die zu reinigende Fläche automatisch in einzelne Räume segmentieren.
Darauf aufbauend errechnet der Roboter eine optimale Reinigungsreihenfolge und generiert systematische Fahrmuster für die Inspektion oder flächige Reinigung in den Räumen. Hierbei wird auch berücksichtigt, wo zu saugen und wo nass zu wischen ist. Nachdem die Reinigung beendet ist, erhält der Anwender ein digitales Reinigungsprotokoll, das alle ausgeführten Tätigkeiten dokumentiert und so für transparente Abläufe sorgt.
Bei den entwickelten Reinigungsmodulen war es wichtig, dass der Roboter diese automatisch wechseln kann und sich zukünftig weitere Module ergänzen lassen. "Mögliche Anwender müssen den Roboter optimal auslasten können. Denn das ist für einen wirtschaftlichen Einsatz essenziell", erklärt Dr. Birgit Graf, Leiterin des BakeR-Projekts und Gruppenleiterin am Fraunhofer IPA.
Wie schlägt sich der Reinigungsroboter im Praxistest?
Das entwickelte Modul für das Nasswischen nutzt einen modifizierten Nassschrubb-Automaten, der zusammen mit den Wassertanks kompakt verbaut ist. Diese Variante des Reinigungsroboters erprobten die Projektpartner Ende 2018 in einem Krankenhaus. Im Rahmen der Tests spielten mehrere Mitarbeiter des Projektpartners und FM-Dienstleisters Dussmann Service einen kompletten Einsatzablauf mit dem Roboter durch und bewerteten Bedienung und Performance.
Das erste Feedback aus den Befragungen war zufriedenstellend: Die Wasserver- und -entsorgung ist ergonomisch gestaltet, die Reinigung des Geräts einfach. Identifizierte Verbesserungspotenziale, die bei der Überarbeitung des Moduls berücksichtigt wurden, betrafen unter anderem die Lautstärke des Reinigungsroboters.
Zudem optimierten die Projektpartner den Anpressdruck des Reinigungsmoduls und die damit verbundene Reinigungsqualität sowie die Fahrstrategie der mobilen Plattform. Um die Reinigungsergebnisse zu prüfen, entwickelten sie zudem eine Softwarekomponente, die Schlierenbildung erkennen kann.
Reinigungsroboter kann nass wischen und staubsaugen
Das Modul für die Trockenreinigung basiert auf einem handelsüblichen Akku-Staubsauger, der für die Integration in den Roboter angepasst wurde. Mithilfe einer speziellen Aktuatorik lässt sich der Bürstenkopf des Saugers vor, zurück und seitlich bewegen. So sind auch schwer zugängliche Bereiche wie Bodenflächen unter Tischen gut erreichbar.
Im Gegensatz zur Nassreinigung findet allerdings keine Komplettreinigung der abzudeckenden Fläche statt. Stattdessen ist der Roboter entsprechend der immer öfter geforderten "ergebnisorientierten Reinigung" in der Lage, mit einer Software Verschmutzungen automatisch zu erkennen, gezielt dorthin zu fahren und diese zu entfernen. Dabei kann die Software zwischen Schmutz und typischen Büroobjekten wie Stiften oder Scheren unterscheiden. Letztere rührt der Reinigungsroboter nicht an.
Der mit dem Saugmodul ausgestattete Reinigungsroboter wurde Mitte 2019 in der Hauptverwaltung von Dussmann Service in Berlin getestet. Auch hier brachten die Mitarbeiter dem Roboter großes Interesse entgegen und bewerteten das zugrunde liegende Konzept als sinnvoll und nützlich.
Reinigungsroboter öffnet Türen und leert Papierkörbe
Neben der Bodenreinigung beinhaltet die Büroreinigung weitere Handhabungsaufgaben, die für eine menschliche Reinigungskraft kein Problem sind, für Roboter aber eine Hürde darstellen. Menschen öffnen selbstverständlich eine Bürotür, verrücken einen Stuhl, um mit dem Staubsauger unter den Tisch zu kommen, oder nehmen einen Papierkorb in die Hand, um ihn zu leeren.
"Diese Fähigkeiten wollten wir auf den Roboter übertragen und so seine Einsatzmöglichkeiten weiter vergrößern", ergänzt Graf. Das dritte im Projekt entwickelte Modul ist deshalb ein Roboterarm mit einem speziellen Greifer. Eine Objekterkennungssoftware zeigt dem Roboter an, wo sich die zu greifenden Objekte befinden. Eine Software für die mobile Manipulation plant die Bewegung und den Griff des Roboterarms, um die gewünschte Handhabungsaufgabe ausführen zu können.
Wie geht es mit dem Reinigungsroboter weiter?
Nach Abschluss des Projektes BakeR stellt sich die Frage: Wie lassen sich die Forschungsergebnisse in die betriebliche Reinigungspraxis transferieren? Dr. Birgit Graf vom Fraunhofer IPA bezieht Stellung.
Frau Dr. Graf, gibt es bereits ein Anschlussprojekt oder konkrete Pläne zum aktuellen BakeR-Prototyp?
Bisher nicht. Zwar konnten in den bisher durchgeführten Praxistests gute Ergebnisse erzielt werden; die Weiterentwicklung des aktuellen Prototypen hin zur Serienreife wäre jedoch noch mit einigem Aufwand verbunden. Dementsprechend sollen in der nahen Zukunft zunächst einzelne, in BakeR entwickelte Technologien in bestehende Produkte integriert und somit deren Fähigkeiten erweitert werden.
Mit welchem Thema hat sich speziell das Fraunhofer IPA im Rahmen von BakeR beschäftigt?
Aktuelle Reinigungsroboter sind darauf ausgelegt, eine große zusammenhängende Fläche – beispielsweise eine Messehalle – am Stück zu reinigen. Wir haben im Projekt auf die Entwicklung von Softwarekomponenten fokussiert, die es dem Roboter ermöglichen, dass er auch in komplexen, kleinteiligen Umgebungen wie etwa Bürogebäuden effizient reinigen kann .
Dabei konnten wir auf diverse Vorarbeiten in der Roboternavigation oder Bildverarbeitung für die Servicerobotik zurückgreifen, die sich aufgrund ihrer Modularität einfach an die Bedarfe verschiedenster Anwendungen anpassen lassen.
Im Kontext der Navigation wurden dabei insbesondere neue Verfahren für die einfache Kartierung der Einsatzumgebung sowie für die Raumsegmentierung und Planung flächendeckender Bewegungsbahnen entwickelt. Neue Bildverarbeitungsmethoden kamen für die kombinierte Schmutz- und Objekterkennung zum Einsatz, die es dem Roboter ermöglicht, sowohl gezielt Verschmutzungen des Bodens zu entfernen als auch am Boden liegenden Gegenständen, die nicht entfernt werden sollen, auszuweichen.
Des Weiteren wurden Methoden für die Schlierenerkennung bei der Nassreinigung entwickelt, mit Hilfe derer das Reinigungsergebnis direkt kontrolliert und im Fehlerfall geeignete Maßnahmen ergriffen werden können. Schließlich ist auch die mobile Manipulation eine wichtige Komponente. Sie ermöglicht es dem Roboter, beispielsweise Bürotüren zu öffnen oder Stühle zu verrücken.
So kann er mehr Aufgaben übernehmen und ist weniger auf menschliche Eingriffe angewiesen. Diese praxiserprobten Softwarekomponenten sind auch in andere Roboter oder Reinigungsmaschinen integrierbar und stehen somit für eine Kommerzialisierung in vielfältigen Anwendungen zur Verfügung.
Wo sehen Sie weitere Forschungsbedarfe, aber auch weitere Potenziale hinsichtlich der gewerblichen Reinigungsrobotik?
Entscheidend für einen flächendeckenden Einsatz ist sicherlich ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Für den Einsatz in komplexen Umgebungen spielt dabei die Flexibilität des Roboters eine große Rolle. Dementsprechend ist die weitere Optimierung der modularen Roboterhardware ein wichtiges Thema für nachfolgende Forschungsarbeiten.
Neben der Reinigung wären auch weitere Anwendungsmodule zum Beispiel für Service und Transport umsetzbar. Damit ließe sich der Roboter auch in Zeiten auslasten, in denen nicht gereinigt werden soll. Weiteren Forschungsbedarf sehen wir im Bereich der Manipulation. Hier könnten beispielsweise Funktionen für die Reinigung von Handläufen und Oberflächen integriert werden, um so das Personal noch mehr zu entlasten.
Die Projektpartner und ihr Beitrag
- Fraunhofer IPA: Projektkoordination; Entwicklung von Softwarekomponenten zur Umgebungserfassung und mobilen Manipulation sowie neuer Sicherheitskonzepte für den Reinigungsroboter; Entwicklung des modularen Softwarekonzepts
- Dussmann Service Deutschland: Definition von Anforderungen aus der Reinigungspraxis sowie Evaluierung des Reinigungsroboters
- Kenter Bodenreinigungsmaschinen: Anpassung und Weiterentwicklung der Reinigungstechnik für den Reinigungsroboter sowie Erarbeitung der Geschäftsmodelle
- MetraLabs Neue Technologien und Systeme: Konzeption, Konstruktion und Aufbau des Reinigungsroboters sowie Entwicklung von Softwarekomponenten zur Navigation
- Amtec Robotics Consult: Entwicklung eines Baukastens kompakter, robuster und kostengünstiger Gelenkmodule, Umsetzung der Aktorik des Reinigungsroboters
Quelle: Fraunhofer IPA