Service-Roboter sind komplexe Systeme und erfordern kompakte Designs mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit. Einerseits müssen sie zwar extrem kompakt, aber andererseits im Hinblick auf die technischen Parameter auch sehr robust sein. Kriterien wie eine hohe Energieeffizienz sowie ein gutes Batteriemanagement für lange Nutzungszeiten, kleine Abmessungen und ein ausgezeichnetes Thermomanagement sind Schlüsselfaktoren, um die Kundenanforderungen zu erfüllen oder sogar zu übertreffen. Auf der Software-Seite für vernetzte Service-Roboter kommen noch Anforderungen wie Datenschutz, Authentifizierung und Autorisierung hinzu.

Eckdaten

Service-Roboter halten sowohl Einzug in die Privathaushalte als auch in die industrielle Fertigung. Damit diese aber reibungslos arbeiten, ist eine Vielzahl an Halbleiter-Komponenten nötig. Sensoren übernehmen die Positionsbestimmung und die Zustandserfassung, wohingegen die MOSFETs die Leistungselektronik regeln.

Entscheidend für den Erfolg von Robotern ist die Verfügbarkeit und Skalierbarkeit der dafür notwendigen Halbleiterlösungen. Im Folgenden werden Anwendungen und Vorteile für verschiedene Antriebslösungen für Roboter diskutiert, der Fokus liegt dabei auf MOSFETs, Gehäusetechnologien und schnell schaltenden Hf-Lösungen wie Gallium-Nitrid (GaN).

Bild 1: Block-Diagramm für ein typisches Roboter-System

Bild 1: Block-Diagramm für ein typisches Roboter-System Infineon

Typische Systemarchitektur für Service-Roboter

Eine gängige Roboter-Architektur basiert in den meisten Anwendungsfällen auf einer zentralen Recheneinheit (CPU), Batterie-/Power-Management-Einheit, Batterie-Ladungssystemen, drahtlosen Kommunikationsmodulen (COM), Benutzerschnittstelle (HMI), Sensoren und Antrieben mit oder ohne Bürsten. Auch wenn einige Roboter nicht all diese Komponenten benötigen, gibt das doch einen guten Systemüberblick.

Die Haupt-CPU ist das „Gehirn“ und damit die „Intelligenz“ des Systems. Der entsprechende Prozessor ist für die Koordination des Gesamtsystems verantwortlich und steuert die planmäßige, unabhängige Befehlsausführung verschiedener Module. Die verbleibenden Module führen die Befehle aus und senden Statusinformationen an die Haupt-CPU.

Viele Service-Roboter arbeiten mit Batteriebetrieb, damit diese flexibel einsetzbar sind. Diese Roboter haben daher eine On-board-Ladeschaltung für die Verbindung mit der Netzversorgung. In diesem Fall verfügt der Roboter über ein Batterieladesystem, um die erforderliche Hochvolt-Gleichspannung für das Power-Management zur Verfügung zu stellen. Hier ist jedoch ein Trend zu kabellosem Laden (Wireless Charging) zu beobachten. Speziell bei Robotern, die kontinuierlich arbeiten sollen, liegt der Vorteil auf der Hand: ein Aufladen ist auch während des Betriebs möglich.

Häufig sind heutige Robotersysteme batteriebetrieben, weswegen in den meisten Systemen eine Batterie-/Power-Management-Einheit integriert ist. Diese Funktionseinheit überwacht den Zustand der Batterien und schützt das System vor Überspannung und zu hohem Stromfluss. Für das Batteriemodul ist Security auch ein wichtiger Aspekt. Allerdings ist für Funktionen wie das Messen der Batteriedaten und das Monitoring des Batteriesystems ein separater Mikrocontroller notwendig. Neben der Einheit für das Batteriemanagement sorgt eine Power-Management-Einheit für die Stromversorgung der verschiedenen Komponenten des Robotersystems und überwacht die entsprechenden Spannungen für eine stabile Versorgung der anderen Module. Dies kann mit Hilfe von Abwärtswandlern oder linearen Spannungsreglern erfolgen.

Ausgestattet mit Modulen für die drahtlose Kommunikation können Roboter mit anderen Systemen wie anderen Robotern oder Steuereinheiten kommunizieren. Ganze Roboter-Flotten lassen sich so in Echtzeit steuern. Die Kommunikation basiert dabei üblicherweise auf Wi-Fi oder Bluetooth. Vielfach ist der lokale Controller für den Kommunikationsprozess verantwortlich und fungiert als Gateway zwischen der Haupt-CPU des Roboters und der externen Peripherie.

Immer mehr Roboter interagieren auch mit den Menschen. Die Schnittstelle zum Benutzer kann dabei etwa ein einfaches oder auch hochauflösendes Display sein. Aber auch LEDs eignen sich für eine Rückmeldung an den Benutzer. Eine entsprechend integrierte „Intelligenz“ vorausgesetzt, kann der Roboter auch über Sprache interagieren, wobei sowohl Spracheingabe und -ausgabe erforderlich sind.

Die unterschiedlichen Robotik-Designs verfügen in der Regel über verschiedene Sensoren. Dazu gehören Positionssensoren (Hall-Sensoren oder Encoder), Geschwindigkeits-, Winkel- und Stromsensoren in den Antrieben. Für eine präzisere Abbildung der Umgebung benötigen Roboter weitere Sensoren wie Radar- oder Bewegungssensoren zur Erfassung von Entfernung und Richtung, barometrische Luftdruck-Sensoren und 3D-Sensoren für die Objekterkennung. Präzise, schnelle Umgebungssensoren erweitern die autonomen Möglichkeiten für Roboter deutlich. Sie sind damit beispielsweise auch einsetzbar in hochautomatisierten Lagerhäusern, in denen ständig Bewegung herrscht.

Jedes Robotik-Design benötigt darüber hinaus Antriebsmodule. Sind eine genaue Positionierung, hohe Geschwindigkeit und ein geräuschloser Betrieb erforderlich, dann wird ein Designer auf bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und präzise Positionssensoren zurückgreifen. Genügt auch eine einfache Motoransteuerung, die relativ langsam und weniger genau sein muss, dann können kostengünstigere Bürstenmotoren zum Einsatz kommen. Darüber hinaus gibt es auch Roboter, bei denen man beide Antriebslösungen findet.

Wie sich Schalt- und Leistungsverluste reduzieren lassen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

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