ONSEMI: Mehr Sicherheit bei autonomen mobilen Robotern

Roboter wurden an industriellen Arbeitsplätzen eingeführt, um die Produktivität und Effizienz zu steigern.

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Im Zuge des Übergangs von Industrie 4.0 auf Industrie 5.0 setzen Hersteller KI und andere fortschrittliche Technik ein, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern, wobei der Schwerpunkt auf einem menschenzentrierten Ansatz und Nachhaltigkeit liegt. Dieser Trend zur Verbesserung der Mensch-Roboter-Interaktion hat zu einem deutlichen Anstieg autonomer mobiler Roboter (AMRs) geführt, da Unternehmen versuchen, die Effizienz und Qualität zu verbessern.

AMRs erfordern komplexe Hardware und Software, die in modernen Fertigungs- oder Lagereinrichtungen Seite an Seite mit menschlichen Bedienern arbeiten. Da Roboter große Kräfte erzeugen und sich schneller bewegen können, bergen sie gewisse Risiken, z. B. die Verletzung menschlicher Mitarbeiter bei einer unbeabsichtigten Kollision. Diese Risiken müssen sorgfältig gemanagt werden, sowohl bei der Einrichtung der entsprechenden Betriebsprozesse als auch bei der Konstruktion der Roboter selbst.

Dieser Beitrag untersucht die kritischen Aspekte bei der Entwicklung von AMR-Systemen, die sicher und effektiv mit Menschen zusammenarbeiten können. Wir beschreiben, wie fortschrittlichen Lösungen von onsemi als wesentliche Bausteine für AMR-Subsysteme dienen und Entwicklern ein Toolkit für produktiveres Arbeiten ohne Kompromisse bei der Sicherheit bieten.

Zunehmende Automatisierung neben dem Menschen
Die industrielle Einführung von Robotern begann während des Computerzeitalters in den 1960er Jahren. Heute sind schätzungsweise 3,4 Mio. Industrieroboter im Einsatz. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Fortschritte in der Digitaltechnik zur Entwicklung kollaborativer und mobiler Roboter geführt, die in der Lage sind, in komplexen Umgebungen zu navigieren und in Teams zu arbeiten, um Aufgaben zu erledigen.

Während sich die industrielle Automatisierung von Industrie 4.0 auf Industrie 5.0 weiterentwickelt, wird das Ausmaß der Mensch-Maschine-Interaktion die Nachfrage nach AMRs weiter ankurbeln. Der Markt wird sich voraussichtlich bis 2030 gegenüber dem Wert von 1,02 Mrd. US-$ im Jahr 2022 auf 3,13 Mrd. US-$ verdreifachen (Bild 2).



Der Markt für AMRs wird sich bis 2030 voraussichtlich verdreifachen.

AMRs sind kostengünstig, einfach zu implementieren und können mit menschlichen Bedienern zusammenarbeiten, um bessere Ergebnisse zu erzielen, als diese es allein könnten. Die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Konsistenz kollaborativer Roboter machen sie z. B. ideal für sich wiederholende Aufgaben wie Schweißen und Fließbandarbeit. Menschliche Arbeiter können sich so auf komplexere Aufgaben konzentrieren, die höhere kognitive Fähigkeiten erfordern.

Während herkömmliche, fest installierte Roboter zum Schutz vor Verletzungen physisch von Menschen getrennt sind, bringt das Konzept des gemeinsamen Arbeitsbereichs neue Herausforderungen mit sich. AMRs müssen in der Lage sein, unerwartete Kräfte zu spüren und ihre Bewegung bei Bedarf sehr schnell zu stoppen. Obwohl Kollisionen mit Menschen und Gegenständen am Arbeitsplatz unvermeidbar sein können, müssen Roboter in der Lage sein, die Auswirkungen zu reduzieren, um Verletzungen und Schäden zu vermeiden. Roboterentwickler können jedoch Fortschritte in der Sensortechnik und bei Bildverarbeitungssystemen nutzen, um diese Herausforderungen sicher zu bewältigen und die Kraft und Präzision von Robotern enger mit der kreativen Problemlösungsfähigkeit des Menschen zu kombinieren.

Die wichtigsten Subsysteme innerhalb von AMRs
AMRs verwenden mehrere Sensoren, KI und fortschrittliche Algorithmen, um mit ihrer Umgebung zu interagieren, Entscheidungen zu treffen, Hindernisse zu erkennen und sicher mit menschlichen Bedienern und anderen Maschinen zusammenzuarbeiten.

Das Blockdiagramm in Bild 3 stellt ein typisches AMR-System mit den wesentlichen Subsystemen dar, darunter Bewegungssteuerung, Sensorik, Beleuchtung, Stromversorgung und Aufladen sowie Kommunikation.

Hier konzentrieren wir uns auf die Subsysteme Sensorik, Motorsteuerung und Beleuchtung.



Typisches Design für ein AMR-System.

Sensor-Subsysteme
Sensoren ermöglichen es Robotern, sich an ihre Betriebsumgebung anzupassen und Entscheidungen auf der Grundlage von Echtzeitdaten zu treffen. Zu den Sensoren zählen Bild-, Ultraschall-, Infrarot-, induktive und Trägheitssensoren, um die Navigation und Sicherheit der Roboter zu verbessern. Die Bewältigung komplexer Situationen wie Laderampen kann verschiedene Arten von Sensoren erfordern – Sensorfusion führt dabei die Daten mehrerer Sensoren zusammen.

Der AR0234CS von onsemi ist ein hochentwickelter Global-Shutter-Bildsensor, der klare und scharfe digitale Bilder erzeugt. Mit einem innovativen Pixeldesign erfasst er bewegte Szenen mit 120 Bildern pro Sekunde präzise und schnell. Er erzeugt klare, rauscharme Bilder bei schwachem Licht als auch bei hellen Szenen. Seine Fähigkeit, Videostreams als auch Einzelbilder zu erfassen, macht den AR0234CS zur idealen Wahl für eine Vielzahl industrieller Anwendungen wie AMR.

Der AR0234C ist nur ein Beispiel für die vielen Sensoren im umfangreichen Angebot von onsemi, zu dem auch der ARRAYRDM-0112A20-QFN gehört – eine nahezu schlüsselfertige Lösung für ein Single-Point-LiDAR-System. Der Ultraschallsensor NCV75215 ist aufgrund seiner kostengünstigen ToF-Messungen von 0,25 bis 4,5 m eine gute Wahl für AMR-Anwendungen.

Motion-Control-Subsysteme
Roboter müssen wiederholte und präzise Bewegungen ausführen. Die meisten beweglichen Teile, einschließlich Arme und Traktionssysteme, basieren auf bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), die durch komplexe Algorithmen gesteuert werden. BLDCs werden durch Frequenzumrichter (VFD; Variable-Frequency Drive) gesteuert, die diskrete Bauelemente wie MOSFETs, IGBTs, Gate-Treiber und Dioden verwenden. Leistungsintegrierte Module (PIM) und intelligente Leistungsmodule (IPM) bieten einen höheren Integrationsgrad, reduzieren die Anzahl der Bauteile und sparen Platz.

onsemi bietet diskrete Bauteile als auch Module an, darunter den Motortreiber NCD83591. Der benutzerfreundliche 60V-Mehrzweck-3-Phasen-Gate-Treiber mit Strommessverstärker und hoher Verstärkungsbandbreite eignet sich für die Steuerung von Robotermotoren. Der Gate-Treiber wird im platzsparenden QFN28-Gehäuse (4 mm x 4 mm) mit hohem Integrationsgrad ausgeliefert und optimiert die Gesamtstückliste.

onsemi bietet auch die induktiven Positionssensoren NCS32100 und NCV77320 an, die in Bewegungssteuerungssystemen die Drehung von Rädern oder anderer beweglicher Teile messen.

Beleuchtungs-Subsysteme
Beleuchtungstechnik wird eingesetzt, um den Weg zu beleuchten und AMRs bei der Navigation und Bedienung zu unterstützen sowie mit anderen zu kommunizieren, indem sie ihren Status und ihre Absicht signalisieren und anzeigen. LED-Leuchten werden hier aufgrund ihrer Leistungsmerkmale wie Helligkeit, Farbtemperatur und Stromverbrauch ausgewählt. LED-Beleuchtungslösungen können aus zahlreichen Bauelementen bestehen, darunter LED-Treiber, Abwärts-/Buck- oder Aufwärts-/Boost-Spannungswandler, Leistungs-MOSFETs u. v. m.

LED-Controller und -Treiber sind Komponenten, die den in LEDs fließenden Strom überwachen und es ihnen ermöglichen, Licht einer bestimmten Intensität und Wellenlänge auszusenden. LED-Treiberschaltungen verwenden High-Side- und Low-Side-Leistungs-MOSFETs, um den LED-Strom ein- und auszuschalten und vor Überspannung und Überstrom zu schützen, während sie gleichzeitig die Stabilität der LED-Treiberschaltung gewährleisten. Der NVC7685 verfügt über zwölf lineare programmierbare Konstantstromquellen mit einer gemeinsamen Referenz, die 128 verschiedene PWM-einstellbare Arbeitszyklen ermöglichen. Der lineare LED-Treiber ist für die Regelung und Steuerung von LEDs ausgelegt und eignet sich ideal für AMR- und Fahrzeuganwendungen.

onsemi bietet umfassenden Support im Bereich Robotik
Roboteranwendungen verändern sich ständig und bieten erhebliche Vorteile für denjenigen, die innovative Lösungen als Erste auf den Markt bringen wollen. onsemi ist sich der Herausforderungen bewusst, mit denen Kunden in diesem dynamischen Umfeld konfrontiert sind und hat sein Know-how auf die Unterstützung dieses Marktes ausgerichtet.

Die Führungsposition von onsemi in den Bereichen Sensor- und Robotertechnik beruht auf einer robusten globalen Infrastruktur und den Fähigkeiten in den Bereichen Design, Fertigung und Lösungsentwicklung. Unser umfangreiches Angebot umfasst zahlreiche Technologien, wie BLDC-Motorsteuerungskits, Lösungen zum Laden von Batterien/Akkus, für die Stromwandlung, Sensorfusion, Kommunikation und für LED-Beleuchtungssteuerungen. Mit fundierten Kenntnissen in den Märkten Industrie und Automotive bietet onsemi Unterstützung auf Systemebene und liefert flexible, skalierbare Produkte und Lösungen für Robotersysteme.

Fazit
Im Gegensatz zu früheren Robotergenerationen, die von der menschlichen Belegschaft getrennt waren, müssen heutige moderne Roboter so konzipiert sein, dass sie sicher zusammenarbeiten und körperliche Schäden und Verletzungen verhindern. Eine neue Generation von Roboterlösungen verändert eine Vielzahl von Branchen, darunter Fertigung, E-Commerce, Gesundheitswesen und Transportwesen, in denen der Wettbewerbsdruck Effizienz erfordert, ohne dabei Qualität und Sicherheit zu beeinträchtigen. Diese flexiblen und anpassbaren Roboter sind so konzipiert, dass sie mit Menschen zusammenarbeiten und sich wiederholende Aufgaben ausführen, die Präzision erfordern, sodass sich die Bediener auf höherwertige Tätigkeiten konzentrieren können.

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