Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Bruns

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Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Bruns

Helmut-Schmidt-Universität
Fakultät für Maschinenbau; Lehrstuhl für Maschinenelemente und Technische Logistik

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Bruns

Helmut-Schmidt-Universität
Fakultät für Maschinenbau; Lehrstuhl für Maschinenelemente und Technische Logistik

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Auf industriellem Niveau ist das Öffnen und Verpacken von Paketretouren im Warenversand per Hand ein ausgeprägter Kostentreiber. Die entlastende Automatisierung des  Kommissionierungsprozesses ist jedoch technologisch komplex, da individuelle Einflussfaktoren wie die Oberfläche oder Konsistenz von Produkten berücksichtigt werden müssen. Rainer Bruns ist Professor für Maschinenelemente und Technische Logistik an der Helmut-Schmidt-Universität und forscht zu automatisierten Greifsystemen, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit zur menschlichen Hand besonders für fragile Produkte geeignet sind. Darüber hinaus untersucht er diverse Sicherheitsaspekte von Flurförderzeugen.

Automatisierte Kommissionierung von fragilen Produkten

Professor Bruns entwickelte mit seinem Team ein automatisiertes Greifsystem für ein breites Artikelspektrum. Mittels seines universellen Greifkonzepts ist das sichere Zugreifen und gezielte Ablegen von tausenden verschiedenen Gegenständen automatisiert möglich. Rainer Bruns Untersuchungen ergaben, dass sich unregelmäßige Verpackungen oder variierende Elastizitäten bestmöglich mit einem Dreifingergreifer bearbeiten lassen. Vorbild ist die menschliche Hand, allerdings mit einer stark reduzierten Sensorik. Der für diesen Zweck entwickelte ‚MTL Elastogripper‘ wird durch hochelastische Biegeaktoren angetrieben, die dank einer Veränderung des Innendrucks auf unterschiedliche Produkte spezifisch und dabei schonend reagieren können. Zukünftig ist die Integration des automatisierten Greifsystems in die vollautomatische Handhabung von Logistikgütern vorgesehen – dabei soll das Greifsystem durch ein Kommissioniersystem in Form eines mobilen Roboters unterstützt werden. Dieses Kommissioniersystem stellt dabei Daten wie Greifdruck oder Zielposition bereit. Gleichzeitig entwickelt Professor Bruns das Greifsystem technisch weiter, um beispielsweise auch extrem empfindliche Gemüsesorten wie Pilze oder Salate automatisch kommissionieren zu können. Neben der automatischen Kommissionierung untersucht Professor Bruns Effizienzmöglichkeiten von Lagern. Dabei strebt er die optimale Auslastung eines Lagers an und hat hierfür ein analytisches Lagermodell entwickelt, welches Lagerflächen und Bestände – unter Berücksichtigung vielfältiger Einflussfaktoren – intelligent verwaltet.

Technische Optimierungen bei Flurförderzeugen

Für den Warentransport im Lager sind Gabelstapler oder sogenannte Portalstapler innerhalb eines Hafens unersetzlich. Portalstapler zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht nur Container transportieren, sondern auch mehrere Container übereinander stapeln können, wodurch sie eine Höhe von knapp 15 Metern aufweisen:  Hierdurch sind sie jedoch anfällig für Kippunfälle. Professor Bruns entwickelte deshalb ein Computermodell, durch das sich gefährliche Fahrsituationen simulieren lassen. Dieses Computermodell wird für Schulungen von Portalstaplerfahrer:innen genutzt und zugleich Herstellern zur Verfügung gestellt, damit diese bei zukünftigen Modellen insbesondere die Kippsicherheit berücksichtigen können. Daneben untersucht Rainer Bruns die optimale Last für das Gegengewicht bei Leichtstaplern, um die Standsicherheit der Flurförderzeuge zu gewährleisten – bei gleichzeitig niedrigeren Energiekosten. Um das Gegengewicht möglichst zu verringern, führte Professor Bruns dynamische Sicherheits-Messungen mit einem weitverbreiteten Leichtstapler und verschiedenen Gewichten durch. Anhand des anschließend erstellten validierten Modells für den Referenzstapler lassen sich Konzeptstapler ableiten, die leichter als bisherige Stapler bei hoher Standsicherheit sind. Zu effizienteren Flurförderzeugen führen ebenfalls die von Professor Bruns entwickelten Fahrersitze, die statt auf Metallfedern auf einer Flüssigkeit beruhen – sogenannte elektrorheologisch gelagerte Fahrersitze, die leichter sind als herkömmliche Sitze. Durch eine aktive Federung dieser Fahrersitze werden zusätzlich Vibrationsbelastungen für Fahrer:innen reduziert.

Forschungstransfer für die technische Logistik

Professor Bruns Forschung im Bereich der technischen Logistik und Maschinenelemente findet Anwendung in diversen Branchen, wie beispielweise innerhalb der Drogeriebranche oder dem Warenversand im E-Commerce. Rainer Bruns verfügt über langjährige Erfahrung mit Industriekooperationen für die Schwerpunkte Flurförderzeuge und automatische Kommissionierung. Darüber hinaus lassen sich in den Instituts-Laboren unter anderem elektrorheologische Flüssigkeiten prüfen oder Industrieroboter für die Entwicklung von Greifern nutzen.

Aktuelle
Forschungsprojekte /
Aktivitäten

Neue Algorithmen schützen Portalstapler vor dem Umkippen

Portalstapler, auch als Van Carrier oder Straddle Carrier bekannt, werden in großer Stückzahl auf Containerterminals zum Transportieren und Stapeln von Containern eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Schwerpunktlage können diese Fahrzeuge beim schnellen Durchfahren enger Kurven umkippen. Professor Bruns hat einen Algorithmus zur optimalen Geschwindigkeitsregelung für diese Fahrzeuge entwickelt und diesen in ersten Simulationen überprüft. Der Algorithmus wirkt vorausschauend und soll dafür sorgen, dass das Fahrzeug selbst  in heiklen Situationen durch gezielten Bremseingriff stabil bleibt.

Greifsysteme für die Anwendung in der Logistik quantitativ bewerten

Statt vielfach gleiche Produkte unter vorhersagbaren Bedingungen zu greifen, müssen im logistischen Umfeld unterschiedlichste Produkte bei variierenden Umgebungsbedingungen erfasst werden. Diese komplexe Aufgabe erfordert eine systematische Planung und Entwicklung von Greifsystemen, die neben dem reinen physischen anfassen auch alle anderen Prozessschritte, wie z.B. das Erkennen von Objekten und die Greifregelung mitberücksichtigt. Professor Bruns hat eine Methode entwickelt, mit der die einzelnen Schritte des Greifprozesses analysiert und statistisch untersucht werden können, um damit die Zuverlässigkeit des eingesetzten Systems für die jeweilige Aufgabe quantitativ angeben zu können. Dies befähigt den Anwender Greifsysteme beurteilen und mit anderen vergleichen zu können.

Parameteridentifikation mit Hilfe eines strukturmechanischen Modells für Superelastikreifen

Die mechanischen Reifeneigenschaften von Flurförderzeugen beeinflussen neben der Fahr- und Kippstabilität auch maßgeblich die Schwingungsbelastungen auf den Fahrer. Die Identifikation dieser Eigenschaften stellt sowohl für die richtige Reifenwahl, als auch für die Durchführung von dynamischen Fahrzeugsimulationen eine große Bedeutung dar. Die zugrundeliegenden Belastungszustände und daraus resultierenden Deformationen lassen sich jedoch experimentell schwer bestimmen. Professor Bruns entwickelte und validierte ein auf der Finiten-Elemente-Methode basierendes strukturmechanisches Modell für Superelastikreifen (SE-Reifen). Damit können die Parameter der mechanischen Reifeneigenschaften simulativ bestimmt werden und dies reduziert den experimentellen Aufwand erheblich. Das Modell wurde erfolgreiche zur Bestimmung der Steifigkeit und Dämpfung eines gängigen Reifentyps durchgeführt.

Elektrorheologisches Servoventil mit hoher Reaktionsfähigkeit

Servoventile spielen eine wichtige Rolle als Steuerorgan in leistungsfähigeren und hochdynamischen hydraulischen Aktuatoren, worunter eine antriebstechnische Baueinheit verstanden wird. Das Ventil soll dem hydraulischen Aktuator über einen weiten Frequenzbereich einen ausreichenden Volumenstrom zur Verfügung stellen, um große Dehnungen bei hohen Betriebsfrequenzen zu erreichen. Professor Bruns erforscht, wie elektrorheologische Effekte durch elektrische Eingangssignale innerhalb weniger Millisekunden direkt in eine mechanische Stellgröße umgewandelt werden und so als elektrohydraulischer Ventiltrieb genutzt werden können. Bruns entwickelte ein zweistufiges Servoventil mit einer elektrorheologischen Vorsteuerstufe und zudem ein Modell zur Beschreibung der statischen und dynamischen Eigenschaften des Systems.

Hinderniserkennung für mobile Arbeitsmaschinen durch Fusion von Radar- und Videodaten

Professor Bruns entwickelte ein Verfahren zur automatischen Hinderniserkennung für mobile Arbeitsmaschinen. Das Verfahren basiert auf der Fusion von Daten eines Radarsensors und einer Monokamera. Die Hinderniserkennung erfolgt dabei, indem im Kamerabild die für das Fahrzeug befahrbare Fläche segmentiert wird. Die Segmentierung basiert auf der sogenannten Wasserscheidentransformation. Die Koordinaten der vom Radarsensor erkannten Hindernisse, werden in das Kamerabild transformiert und dienen der Wasserscheidentransformation als Hintergrundmarker. Erste Messungen mit dem System zeigen bereits erfolgsversprechende Ergebnisse. Sowohl in der Halle, im Schatten und im direkten Sonnenlicht kann die Fahrbahn vor dem Fahrzeug segmentiert werden.

Zukunftsvision

Einen universellen und intuitiv bedienbaren Logistikroboter für einfache Greiftätigkeiten zu entwickeln, ist die Vision von Professor Bruns. Dadurch ließen sich beispielsweise in der Logistik plötzlich auftretende Sortiertätigkeiten extrem zügig erledigen und die bedienende Person muss kein:e Expert:in sein, um die Roboterlösung zu bedienen.

Schwerpunkte

  • Prozessautomatisierung bei der Warenkommissionierung
  • Bio-Inspirierte Universalgreifer
  • Schwingungsentkopplung mit elektrorheologischen Aktoren
  • Innovative Steuerung von logistischen Lagern
  • Aktive Standsicherheitssysteme
  • Aktive elektrorheologische Federung von Fahrersitzen

Kooperationen

  • Mitglied des wissenschaftlichen Kuratoriums der Forschungsgemeinschaft für Logistik e. V.
  • Initiator der Hamburger Staplertagung
  • Mitglied des Beirates der Zeitschrift „Hebezeuge und Fördermittel“
  • Autor des Kapitels „Flurförderzeuge“ des Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau
  • Gründungsmitglied und Schatzmeister der „Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik“ WGTL
  • Stellvertretender Obmann des Arbeitskreises „Fördertechnik, Materialfluss, Logistik“ im Hamburger Bezirk des VDI
  • Mitglied des europäischen Kreises deutschsprechender Fördertechnikprofessoren

Interessiert an

  • Optimierung von logistischen Prozessen und Systemen
  • Greifsysteme für die Anwendung in der Logistik
  • Technische Produktentwicklung für die Intralogistik und die passive und aktive Schwingungsisolierung
  • Betriebsverhalten von Industriereifen (Statik, Quer- und Vertikaldynamik, Verschleiß und Lebensdauer)
  • Betriebsverhalten von mechanischen Bauteilen und Baugruppen (statische und dynamische Belastungsgrenzen, Eigendynamik)
  • Standsicherheit von mobilen Arbeitsmaschinen (statische und dynamische)
  • Fahrdynamik von mobilen Arbeitsmaschinen
  • Statische und dynamische Analyse von Elastomer-Bauteilen mit FEM

Professor Bruns arbeitet branchenübergreifend mit Logistik Unternehmen, E-Commerce Firmen, Lebensmittelhändlern, dem Versandhandel und der Landwirtschaft zusammen. Dabei legt er Wert auf eine partnerschaftliche Zusammenarbeit mit KMUs, Großunternehmen oder der öffentlichen Hand.

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