Eckdaten

Synapticon hat einen modularen Baukasten entwickelt zur Realisierung intelligenter Achsen für Automated Guided Vehicles (AGV). Bei der Somanet-Plattform werden verschiedene Getriebe und Elektromotoren unterschiedlicher Ausprägung von Drittanbietern mit Software und Controllern von Synapticon kombiniert.

Schon bevor Columbus aus Versehen den amerikanischen Kontinent entdeckte, wurden in Venedig Schiffe nach einem Fließband-ähnlichen Konzept gebaut. Es dauerte dann aber bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts, bis Henry Ford das erste permanente Fließband in Betrieb nahm und somit die Produktivität seiner Fabriken drastisch steigerte. Seither ist das Fließband aus den meisten Fertigungsstätten nicht mehr wegzudenken und bildet die Grundlage für die effiziente Massenfertigung.

Beispiel eines Somanet-Knotens.

Beispiel eines Somanet-Knotens. Synapticon

Ein 1000-Watt Sensor-Motor-Interface der Somanet-Reihe.

Ein 1000-Watt Sensor-Motor-Interface der Somanet-Reihe. Synapticon

Beispiel einer integrierten, intelligenten Achse. Der Somanet-Knoten ist in der Achse.

Beispiel einer integrierten, intelligenten Achse. Der Somanet-Knoten ist in der Achse. Synapticon

SoCs in Massen: mehrere System on Chips.

SoCs in Massen: mehrere System on Chips. Synapticon

Was über 100 Jahre lang nahezu konkurrenzlos war, sieht sich nun jedoch einem ambitionierten Herausforderer gegenüber: Mobile robotische Systeme stehen in den Startlöchern, um sich den Aufgaben anzunehmen, in denen sich das klassische Fließband als zu unflexibel erweist.

Im industriellen Umfeld wird das Fließband zunehmend durch teil- oder vollautonome, mobile robotische Systeme abgelöst oder ergänzt. In vielen Branchen sollen die Produkte immer individueller und spezifischer konfiguriert werden. Hier sind unidirektionale Transportsysteme zu unflexibel und ineffizient. Daneben gibt es im Logistikumfeld, in Pflegeeinrichtungen und anderen Bereichen eine stark steigende Nachfrage nach autonomen Transportsystemen. Damit sich diese etablieren, müssen sie aber nicht nur leistungsstark, sondern auch kostengünstig und wartungsarm sein. Intelligente Achsen sind hierfür ein erfolgsversprechender Ansatz.

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) beziehungsweise Automated Guided Vehicles (AGV) sind per se keine neue Entdeckung, konnten sich bisher aber nur sehr vereinzelt gegen klassische Lösungen wie Fließbänder, bemannte Gabelstabler und festinstallierte Regalroboter durchsetzen. Die Gründe dafür sind vielfältig. So ist der Schritt von Prototypen hin zu einer Serienfertigung bei vielen Produkten oft äußerst aufwendig und mit immensen Kosten verbunden. Zudem erwies sich die Integration von Antrieb, Navigationstechnik und Mechanik oft als sehr komplex und teuer. Ein weiterer Kostenfaktor und zugleich mögliche Fehlerquelle ist die umfangreiche Verkabelung bei mobilen Systemen, die auf einer zentralen Steuerungseinheit basieren.

Baukasten für intelligente Achsen

Damit sich eine Technologie durchsetzt, müssen zwei Dinge gegeben sein: erwiesene Praxistauglichkeit und ein akzeptabler Preis. Dies war bisher bei AGVs nur selten der Fall. Deshalb hat Synapticon einen modularen Baukasten entwickelt. Der Baukasten zur Realisierung der intelligenten Achsen ist kompakt: verschiedene Getriebe und Elektromotoren unterschiedlicher Ausprägung von Drittanbietern werden mit Software und Controllern von Synapticon kombiniert.

Die Controller basieren auf der Somanet-Plattform, die Synapticon entwickelt hat, um „künstliche Nervensysteme“ für Roboterarme, mobile Roboter und vergleichbare Applikationen zu realisieren. Der Fokus dieser Plattform liegt auf einer leistungsfähigen, kompakten und zugleich kostengünstigen Motor- und Bewegungssteuerung sowie dem komfortablen Abrufen und Verarbeiten von Sensordaten, wie sie beispielsweise von Navigationsinstrumenten (Laser, Kamera und weitere) gesendet werden.

Somanet ist ein Baukasten, der verschiedene Module und Chips umfasst. Die SoCs (System on Chip) von Synapticon kommen dabei in den Core-Modulen zum Einsatz. Der Baukasten ermöglicht den Aufbau von Echtzeit-Steuerungssystemen, in denen Software lokal auf Aktoren ausgeführt wird. Damit können Entwickler verteilte Systeme konfigurieren, aufbauen und programmieren, bei denen Aktorsteuerung, Erfassung von Sensordaten und Datenverarbeitung vollständig integriert sind. So lassen sich Motoren und Sensoren relativ einfach in komplexe Steuerungen integrieren und intelligent verwenden.

Hier wird einer der Kerngedanken der intelligenten Achsen deutlich. Die Daten werden nicht in einer zentralen Einheit erfasst, verarbeitet und dann an den Antrieb weitergereicht. Bei diesem Ansatz kommunizieren die Achsen miteinander und entscheiden dann, wie viel Drehmoment beispielsweise auf das jeweilige Rad gegeben wird.

Die Somanet-Chips integrieren industrielle Kommunikationsstandards, Sensordatenerfassung und Motorsteuerung. Auf der Basis verschiedener Prozessor-Architekturen bieten sie hochparallele, Echtzeit-Prozessorkerne. Mit den Chips kann ein Board-Design einfach skaliert werden, indem mehr Instanzen einer Anwendung zu einem System-on-Chip hinzugefügt werden.

Die Module umfassen eine Auswahl an Embedded-Hardware- und Software-Modulen, basierend auf den Chips. So können elektronische Nervensysteme gebaut werden, die aus mehreren Steuerungsknoten bestehen. Diese Knoten werden direkt am jeweiligen Sensor oder Aktor platziert. Jeder Steuerungsknoten umfasst ein Modul für die Kommunikation, ein Prozessormodul und eine Leistungselektronik für Motoren sowie Sensorschnittstellen.

Hardware und Software abstimmen

Die Modulreihe für Motorregler beispielsweise ist geeignet für bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC, PMSM) bis 5000 W Dauerbelastung, ebenso wie für Bürsten-Gleichstrommotoren gleicher Größe. Mit bis zu vier Stromsensoren, einer Hall-Sensorschnittstelle, RS422-, BiSS- und SPI-Schnittstellen für Inkrementalgeber, digitalen GPIO-Schnittstellen und analogen Eingängen ist eine Vielzahl von Messwertgebern einsetzbar.

Die Motorsteuerungssoftware enthält alles, was für die Verwendung der Hardwareressourcen des Servomotor-Antriebsmoduls erforderlich ist. Open-Source-Sinus- und Open-API-Feld-orientierte Methoden zur Steuerung/Kommutierung stehen als Basis für die mitgelieferten DS402-konformen Positions-, Drehzahl- und Drehmoment-/Stromregelkreise über EtherCAT zur Verfügung. Außerdem lassen sich die Motoren durch einen einfachen Aufruf einer Python-Bibliothek über Ethernet ansteuern – ohne jegliche Vorkenntnisse im Bereich elektrischer Antriebe. Standardkommunikation, moderne Programmierung und Robotik rücken so sehr nah zusammen.

Hohe Flexibilität

Flexibilität ist auch für die Adaption der Antriebseinheit in das Steuerungskonzept der jeweiligen Fahrzeuge beziehungsweise mobilen robotischen Systemen gegeben. Als Kommunikationsschnittstellen stehen Ethernet, EtherCAT, Profinet und CAN zur Verfügung. Weitere Standards wie EtherNet/IP oder Powerlink können optional ebenfalls unterstützt werden.

Diese Flexibilität ist notwendig, da ein AGV – je nach Umgebung – aus verschiedenen Quellen Informationen über seine Position und die noch zu bewältigende Wegstrecke erhält und schnell verarbeiten muss. So fällt es einem System, das sich auf dem flachen Boden einer „statischen“ Fabrikhalle befindet, leichter, sich zu orientieren, als einem System im Außeneinsatz, das mit Erschütterungen, Unebenheiten im Boden, spontanen Hindernisse und dergleichen zurechtkommen muss.

Die Software für autonome Navigation hat sich beispielsweise in Rasenmährobotern bewährt, die ohne den sonst üblichen, im Garten vergrabenen Draht zur Orientierung im Gelände auskommt. Das vollintegrierte und dezentrale Antriebskonzept, bei dem alle erforderlichen Komponenten in der intelligenten Achse untergebracht sind, reduziert den Aufwand bei der Verkabelung enorm und damit auch die Kosten. Es bietet dem Anwender hohe Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion von AGVs.