Hochintegrierte MCUs und Prozessoren optimieren Industrieroboter-Design

Industrieroboter kommen in der Montage, beim Transport, beim Verpacken, beim Schweißen und in der Logistik großflächig zum Einsatz. Die von Robotern gebotenen Vorteile resultieren aus den Verbesserungen der funktionalen Sicherheit und der Zuverlässigkeit der von den Roboteranbietern entwickelten Systeme. Im Angebot von Texas Instruments (TI) findet sich eine breite Palette von Systemen, die sehr gut für diese Applikationen geeignet sind.

Bild 1: Beispiel eines Steuerungsmoduls für High-End-Industrieroboter mit Haupt-CPU, Servoverarbeitung Bildverarbeitung und entsprechenden Sensoren. Texas Instruments

Beispiele sind die Sitara-Prozessoren für die CPUs (Central Processing Units) von Robotern und die Arm-Cortex-R4- und -R5-basierten Hercules-Mikrocontroller für Functional-Safety-Anwendungen. Anwender, die die Einhaltung bestimmter Safety Integrity Levels (SILs) in ihren Roboterprodukten anstreben, können ihre Systeme mit Hercules-Bausteinen realisieren und sie anschließend durch eine unabhängige Prüfstelle zertifizieren lassen.

Eine weitere expandierende Robotik-Anwendung sind unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicles, UAV) oder kurz Drohnen. Bedingt durch Fortschritte in der Sensor- und Batterietechnik sind Drohnen in landwirtschaftlichen Anwendungen inzwischen sehr verbreitet – beispielsweise für die Bestandsüberwachung und die Boden- und Feldanalyse. In ländlichen Regionen einiger Staaten kommen Drohnen bereits für die Zustellung von Impfstoffen und Blutkonserven zum Einsatz und mit zunehmender Weiterentwicklung der Technik kommen weitere Anwendungsgebiete hinzu.

Steuerungssysteme für Industrieroboter

An Hochleistungs-Industrieroboter-Systemen in Fabriken sind Roboterarme, Steuerungen und sogenannte Teach Pendants zu finden. Über ein konfigurierbares und flexibles System auf der Basis einer modularen Systemarchitektur ist die Steuerung des Systems dafür ausgelegt, viele Arten von Roboterarmen zu steuern. In Bild 1 ist das Blockschaltbild eines typischen High-End-Industrieroboters zu sehen. Was die Skalierbarkeit betrifft, unterstützt die Steuerung die Funktionsmodule und die Möglichkeit zum Skalieren der Performance und Funktionalität abhängig von der Systemkonfiguration.

Die grundlegende Robotersteuerung umfasst verschiedene Module zur Unterstützung der Haupt-CPU sowie für die Bewegungsteuerung, die I/O-Steuerung, Sensoren, funktionale Sicherheit und industrielle Kommunikation. Der Backplane-Systembus, der die verschiedenen Funktionsmodule miteinander verbindet, ist von entscheidender Bedeutung für den leistungsfähigen Roboterbetrieb, weshalb er auf einen hohen Datendurchsatz und geringe Latenz angewiesen ist. Eine typische Robotersteuerung nutzt eine ASIC-, PCIe- oder Ethernet-Basis für den Backplane-Systembus. Neben diesen üblichen Modulen einer Robotersteuerung lässt sich ein zusätzliches Funktionsmodul hinzufügen, um die Fähigkeiten des Roboterarms abgestimmt auf die Anforderungen der einzelnen Anwendungen zu erweitern.

Sitara-Prozessoren

Bild 2: Einplatinen-Robotersteuerung für Cobots und Scara-Roboter. Da Scara-Roboter deutlich näher am Menschen zum Einsatz kommen, gewinnt funktionale Sicherheit hier große Bedeutung. Texas Instruments

Sitara-Prozessoren können den Funktionalitäts- und Performance-Ansprüchen der meisten Funktionsmodule von High-End-Industrierobotersteuerungen genügen. Die Sitara-Prozessoren AM57x bringen die hohe Verarbeitungsleistung mit, die vom Haupt-CPU-Modul und vom Servoverarbeitungs-Modul gefordert wird. Digitale Signalprozessoren (DSPs) ermöglichen mit ihrer zusätzlichen Signalverarbeitungs-Performance außerdem eine Bewegungs- und Servosignalverarbeitung mit geringerem Stromverbrauch.

Die Sitara-AMIC-Prozessoren wiederum sind für die industrielle Kommunikation optimiert und eignen sich als Schnittstelle zum System-Backplane-Bus, wenn ein industrielles Kommunikationsprotokoll benötigt wird. Sitara-Prozessoren unterstützen mit ihrem Programmable-Real-Time-Unit-Industrial-Communications-Subsystem (PRU-ICSS) mehrere industrielle Kommunikations-Protokolle. Ebenso lässt sich mit ihnen der Kosten- und Zeitaufwand senken, der für die Entwicklung separater Module zur Unterstützung verschiedener industrieller Kommunikations-Protokolle einzukalkulieren ist.

Integrierte Steuerung für Cobots und Scara-Roboter

Das Steuerungssystem für einen kollaborativen Roboter (Cobot) oder einen Scara-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm, horizontaler Gelenkarmroboter) ist einfacher als eine High-End-Robotersteuerung, da sie üblicherweise weniger Achsen steuern muss und weil die Geschwindigkeit geringer ist als bei High-End-Robotern. Bild 2 zeigt ein exemplarisches Blockschaltbild einer Single-Board-Steuerung für Cobots oder Scara-Roboter. Das Steuerungssystem kann ebenfalls deutlich einfacher aufgebaut sein und aus einer Leiterplatte oder allenfalls aus einigen wenigen Platinen bestehen. Parallel zu alldem werden kleinere Abmessungen und niedrigere Systemkosten immer wichtiger, um Platz in der Fabrik zu sparen und die Steuerung als Bestandteil eines Industrieroboter-Armsystems zu integrieren. Da ein Scara-Roboter deutlich näher am Menschen zum Einsatz kommen kann, gewinnt die funktionale Sicherheit erheblich größere Bedeutung, damit ein Roboter arbeiten kann, ohne dass weitere Sicherheitseinrichtungen wie etwa Schutzzäune notwendig sind.

Die Sitara-Prozessoren AM57x und AM65x unterstützen den Großteil der erforderlichen Features und Funktionalitäten mit integrierter Industrie-Kommunikation, Motorsteuerung und funktionaler Sicherheit und machen es damit möglich, Robotersteuerungen mit weniger Systembauteilen zu realisieren.

Steuerung für kartesische Roboter

Bild 3: Für kartesische Roboter vereinen die Sitara-Prozessoren AM437x und AMIC120 Mehrprotokoll-Industriekommunikation, Bewegungssteuerung und Motorsteuerung auf einem Chip. Texas Instruments

Eine Robotersteuerungs-Lösung für einen kartesischen oder Ein-Achsen-Roboter ist deutlich einfacher, erfordert sie doch lediglich elementare Funktionen zum Steuern der Motoren für eine oder zwei Achsen. Dennoch beruhen heutige Steuerungssysteme auf mehreren MCUs und ASICs, da Roboter- und Motorsteuerung getrennt sind und ein zusätzlicher IC für die Industrie-Kommunikation benötigt wird. Die Bausteine Sitara AM437x und AMIC120 bieten in einem einzigen Baustein eine Mehrprotokoll-Industriekommunikation, eine Roboter- und Bewegungssteuerung sowie die Motorsteuerung mit Encoder-Schnittstelle und unterstützen Steuerungen für kartesische Roboter mit einer oder zwei Bewegungsachsen (Bild 3).

Industrie-Kommunikation

Es gibt auf dem Markt mehr als ein Dutzend Kommunikationsprotokolle für Industrial Ethernet, Feldbus und Positions-Encoder, und alle haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. EtherCAT, Profinet und EtherNet/Industrial Protocol gehören zu den beliebtesten Ethernet-basierten Protokollen auf dem Servoantriebs-Markt. Hiperface Digital Servo Link, EnDat 2.2 und Bidirectional Interface for Serial/Synchronous C wiederum sind zu den besonders populären Positionsencoder-Protokollen für andere Arten von Industrierobotern zu rechnen.

Für viele dieser Protokolle gibt es ASICs, mit denen Anwender die Verbindung zu Host-Prozessoren herstellen können, um bestimmte Kommunikationsprotokolle zu unterstützen. In einigen Fällen, in denen eine Mehr-Chip-Lösung zum Einsatz kommt, läuft der Protokoll-Stack auf dem Host-Prozessor, während der ASIC für die MAC-Schicht (Media Access Control) zuständig ist. Hersteller, die nur ein einziges Protokoll unterstützen wollen, bevorzugen diese verteilte Architektur, da ASICs meist für bestimmte Kommunikations-Standards optimiert sind. Sobald mehrere Protokolle zu unterstützen sind, verliert eine Mehr-Chip-Lösung an Attraktivität, denn der Entwicklungsaufwand und die Kosten vergrößern sich, und außerdem sind für die einzelnen Protokolle mehrere Versionen der Boards vorzuhalten. Bringt ein Host-Prozessor integrierte Mehrprotokoll-Unterstützung mit, so können die Designer die Kosten, die Leiterplattenfläche und den Entwicklungsaufwand reduzieren. Nicht zuletzt wird die Latenz minimiert, die mit der Kommunikation zwischen externen Komponenten und dem Host einhergeht.

Funktionale Sicherheit

Hochintegrierte MCUs und Prozessoren können dazu beitragen, die Entwicklung der funktionalen Sicherheit zu rationalisieren. Die gemäß den Sicherheits-Standards IEC 61508 entwickelten Hercules-MCUs von TI bringen Features mit, die die Implementierung funktionaler Sicherheit in der Hardware ermöglichen und das Detektieren potenzieller Ausfallarten in Echtzeit zulassen. Darüber hinaus werden Hercules-MCUs in Anwendungen eingesetzt, die einen besonderen Prozessor zur Ausführung einer speziellen Funktion erfordern. Die Hercules-MCUs übernehmen in diesen Systemen die Funktion eines „Safety-Checkers“, der dafür sorgt, dass sich das System stets in einem sicheren Betriebszustand befindet. Die ARM-basierten Prozessoren der Reihe Sitara AM65x enthalten zwei oder vier ARM-Cortex-A53-Kerne und ein MCU-Subsystem mit zwei ARM-Cortex-R5F-Kernen, um den Anwendern eine einfachere Entwicklung von Functional-Safety-Applikationen zu ermöglichen.

Grundlage für maschinelles Lernen schaffen

Ebenso wie die Roboter-Technologien, wird auch die entsprechende Sensortechnologie ständig weiterentwickelt. Ähnlich wie bei den fünf Sinnen des Menschen, bringt das Kombinieren verschiedener Sensortechnologien die besten Ergebnisse, wenn Robotersystemen in wechselnden und unkontrollierten Umgebungen zum Einsatz kommen. Selbst die einfachsten, von einem Roboter ausgeführten Aufgaben sind zukünftig darauf angewiesen, dass per Bildverarbeitung Daten in Machine-Learning-Technik eingespeist werden. Zum Beispiel wäre das Greifen eines Objekts ohne vorbestimmte Orte und Bewegungen nicht möglich, ohne dass durch maschinelle Bildverarbeitung ein dreidimensionales Abbild rekonstruiert wird und diese visuelle Information mithilfe von Machine-Learning-Algorithmen in eine erfolgreiche Aktion seitens des Roboters verwandelt wird.

Machine Learning und die davon abgeleitete Variante Deep Learning haben es in letzter Zeit zu Beliebtheit gebracht, wenn es gilt, die von Sensoren gesammelten Daten zu verarbeiten und das betreffende System zu intelligenten Entscheidungen zu befähigen. Mit den Prozessoren des Typs Sitara AM5749 können Designer Machine-Learning-Inferenzen an der Edge ausführen. Machine-Learning-Technologie trägt dazu bei, die Programmierung zu vereinfachen und neue Wege für den Betrieb von Robotern zu ebnen.

Software spielt ebenfalls eine immer wichtigere Rolle für die Entwicklung und das Deployment von Robotern. Designer benötigen deshalb eine einfach anwendbare, flexible Softwareplattform, um ihre Produkte nach Bedarf durch weitere Features zu ergänzen. Lösungen wie das Processor SDK (Software Development Kit) erlauben es Designern, Software in maximalem Umfang wiederzuverwenden und über das gesamte Prozessor-Portfolio von TI hinweg zu migrieren. Das Processor SDK ist eine vereinheitlichte Softwareplattform für TI-Prozessoren, die ein zügiges Setup ermöglicht und umgehenden Zugang zu Benchmarks und Demos gestattet. Spezialisierte Versionen des Processor SDK Linux enthalten überdies Unterstützung für das ROS-Frame

(na)