Integrated Motion Device Moderne Motion Control für humanoide Roboter

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Synapticon GmbH

FAULHABER SA

Dank KI-gestützter Anwendungen wachsen die Stückzahlen humanoider Roboter in den Millionen- und Milliardenbereich. Innovationen in der Motion-Control-Technik sind entscheidend, um die Leistungsfähigkeit und Effizienz der humanoiden Roboter zu steigern. Lösungen sind teilweise schon vorhanden, wie die Somanet-Circulo-Familie von Synapticon.

Branchenexperten prognostizieren humanoiden Robotern enormes Wachstum. Die internationale, unabhängige Managementberatung Horváth erwartet in einer aktuellen Studie, dass humanoide Roboter in der Produktion mittelfristig mehr als 50 Prozent der manuellen Tätigkeiten übernehmen könnten. Bis 2030 sollen humanoide Roboter so optimiert sein, dass sie menschliche Fachkräfte in Schnelligkeit, Beweglichkeit und Feinmotorik übertreffen. Diese Roboter, definiert durch zwei Arme und Sensorik zur Wahrnehmung, umfassen sowohl Lauf- und Fahrroboter als auch fest installierte Roboter.

Der Weg zum humanoiden Roboter ist technisch anspruchsvoll. Es sind verlässliche, kompakte und hochintegrierte Antriebslösungen erforderlich, die vor allem auch die funktionale Sicherheit dieser Roboter, die sich im menschennahen Umfeld bewegen, gewährleisten können. Zudem verlangt die Anwendung in Humanoiden ein neues Level an Kosteneffizienz.

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Höhere Leistungsdichte für sichere Servoantriebe

Um die erforderliche Leistungsdichte für sichere Servoantriebe zu erreichen, mussten die Grenzen der Mixed-Signal-Integration und der High-Density-Interconnect-Technologie (HDI), wie sie im Smartphone-Design üblich sind, erweitert und mit Erfahrungen im Leistungsstufendesign kombiniert werden. Das Ergebnis sind ultrakompakte Servoantrieb-­Designs mit intelligentem Management der Wärmeableitung, gehäuseloser EMV-Zertifizierung, Integration aller erforderlichen Funktionalitäten in einem Bauteil und hohe Leistungsdaten unter realistischen thermischen Integrationsbedingungen.

Jüngste Innovationen im Bereich Motion Control nutzen das Potenzial der Integration. Bislang eingesetzte diskrete Komponenten wie separate Servoantriebe, Positionsfeedback-Sensoren, Sicherheitsfunktionen und Bremsen sind automatisch mit einem Overhead an Grösse und Kosten verbunden. Mechanische und elektrische Schnittstellen müssen hierbei die Kompatibilität zwischen einer Vielzahl von Geräten sicherstellen, was die Interaktion zwischen den Geräten begrenzt. In den Servoantrieb integrierte Positionssensoren sparen hingegen erheblich Platz und Kosten. Der Zugriff auf mehr Daten durch die direkte Kopplung von Sensor-­Lesekopf und Servoantriebs-CPU eröffnet neue Möglichkeiten bei der Kalibrierung, sodass kostengünstige Encoder-Technologie High-End-Performance bieten kann.

Ein weiteres Merkmal moderner Servotechnik ist die räumliche Integration der Sicherheitsfunktionalität zwischen Prozessor- und Antriebsmodul. Dadurch kann die Sicherheitserweiterung sicherheitskritische Signale überwachen, erzeugen und empfangen, ohne dass die vorhandene Hardware geändert oder die Lösung aufwändig verdrahtet werden muss.

Robotik-fokussierte Lösungen für die Motion Control

Synapticon hat mit seinen Produkten der Somanet-­Familie ein umfangreiches Portfolio an Motion-Control-Lösungen für Roboteranwendungen geschaffen, das vielfach die Grundlage für die Entwicklung von Humanoiden ist. Die Somanet-Circulo-Familie ist eine voll ausgestattete Komplettlösung, die Servoantrieb, Encoder, funktionale Sicherheit, Bremse und mehr in einem Gerät vereint – das Unternehmen bezeichnet es als Integrated Motion Devices. Diese ermöglichen eine hohe Leistung bei der Bewegungssteuerung, eine vereinfachte Integration und damit einen stark beschleunigten Entwicklungsprozess. Ein hohes Level an Sicherheitszertifizierung (SIL3 PLe) vereinfacht und beschleunigt zudem den Zertifizierungsprozess von Robotern um Jahre. Die dadurch mög­lichen kompakten Antriebsdesigns ermöglichen Platz- und Kosteneinsparungen bei der Konstruktion eines Roboters, was die Voraussetzungen für eine schnellere und einfachere Entwicklung von Robotern schafft.

Funktionale Sicherheit eingebaut

Der funktionalen Sicherheit kommt bei humanoiden Robotern eine völlig neue Bedeutung zu, da es wichtig ist, dass die Nutzer den Systemen vertrauen. Neben den mit Industrierobotern gemeinsamen Sicherheitsaspekten in den Antrieben und der Motion Control gibt es zusätzliche Herausforderungen, die sich aus der Fortbewegung mittels Beinen und aus der intensiven Anwendung von KI für die Steuerung der Roboter ergeben. Servoantriebe für humanoide Roboter müssen für kommerziellen Erfolg generell sicherheitszertifiziert sein, da sie die Grundlage für alle Sicherheitsfunktionen auf höherer Ebene darstellen.

Synapticons Somanet-Safe-Motion-Plattform umfasst eine breite Palette von SIL3-­PLe-zertifizierten Sicherheits- und Safe-­Motion-Funktionen wie STO, SBC, SS1, SS2, SLS, SLP und SLT, die über FSoE oder I/O verfügbar sind. Damit steht erstmals eine Servo-Drive-Plattform im Niederspannungsbereich zur Verfügung, die ein breites Funktionsspektrum auf einem zeitgemässen Sicherheitsleistungsniveau bietet – sicherer Servoregler, sicherer Encoder und sichere Bremse in einem Gerät.

Die Integration der Sicherheitsfunktio­nalität direkt in die Antriebe hat mehrere Vorteile: Der Verkabelungsaufwand wird reduziert, da keine langen Geberkabel oder konventionellen Sicherheitskomponenten erforderlich sind. Die Verlagerung der Sicherheitsverarbeitung von der Sicherheitssteuerung zu den einzelnen Antrieben sorgt für eine schnellere Reaktion.

Chip-Level Integrated Motion Device für humanoide Roboter

Im Hinblick auf humanoide Roboter als Massenprodukte in den eingangs beschriebenen, sehr hohen Stückzahlen ist das Potenzial für Integration oft noch höher, als es Integrated Motion Devices für einzelne Achsen ermöglichen: Die hohe Anzahl an Freiheitsgraden – also Antrieben und Sensoren – bei gleichzeitig minimalem bis hin zu praktisch keinem Bauraum für Elektronik macht eine individuelle Integration mehrerer Achsen und Funktionen in spezifische Baugruppen sinnvoll und teilweise notwendig.

Es ist zu erwarten, dass Humanoiden-­Hersteller diese Baugruppenintegration zur Bewahrung von Flexibilität intern beherrschen wollen. Dies vollständig intern abzubilden, würde immense Ressourcen binden und extrem lange Produkteinführungs- und Innovationszyklen bedeuten. Keine gute Grundlage für Wettbewerbsfähigkeit.

Synapticon bietet mit seinen Somanet-­Core-SoCs (System-on-Chips) und Chipsets für vollwertige und sofort vollfunktionale Motion-Control-Instanzen in solchen Baugruppen eine Lösung zwischen der kompletten Eigenentwicklung und einem fertigen Standard-Produkt. Hersteller sparen sich mit diesem aus Halbleiterkomponenten, Schaltplänen und Software bestehenden Plattformprodukt viele Jahre Entwicklung und verfügen innerhalb kürzester Zeit über eine individuell integrierte, hochleistungsfähige und ausgereifte Motion-Control-Lösung.

Darüber hinaus arbeitet Synapticon an der Übertragung des Integrated-Motion-­Device-Konzepts auf die Chip-Ebene. Hierbei sind Motion Controller, Encoder, Kommunikation und Safety nicht mehr nur in einer Elektronikbaugruppe, sondern auf einem System-­on-Chip integriert. Ziel dieser zukünftigen Generation der Somanet-Core-Familie ist es, den Herstellern die Entwicklung solcher integrierten Mehrfachbaugruppen so einfach wie möglich zu machen. Gleichzeitig sollen, analog zur Entwicklung bei Smart­phone-SoCs der letzten 15 Jahre, durch die maximale Integration der Platzbedarf und die Kosten minimiert werden.

Integrated Motion Device

Sichere und effiziente Bewegungssteuerung im Maschinenbau

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