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Voraussetzungen für Kollaborativ-Roboter

Auf die Echtzeitsteuerung kommt es an

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Handheld-Bediengeräte wie das abgebildete eignen sich auch für die Robotik.
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Um Leichtbauroboter in kollaborativen Anwendungen gemeinsam mit Menschen einsetzen zu können, müssen die eingebetteten oder an der Edge positionierten Echtzeitsteuerungen einige technische Bedingungen erfüllen. Doch welche sind das?

Vor der Covid-19-Pandemie wurde viel über die Bedrohung von Arbeitsplätzen durch Roboter vor allem in der Fertigung diskutiert. Während der Pandemie-bedingten Lockdowns wurden Roboter dann in Anwendungen eingesetzt, die potenziell gefährliche Kontakte verringern sollten, etwa in Krankenhäusern bei der Lieferung von Medikamenten an Patienten. Dies hat die Akzeptanz automatisierter Plattformen wohl erhöht.

Bestimmte Aufgaben in der Industrie oder auch die Inventurzählung gelten als zu gefährlich oder zu mühsam und repetitiv für den Menschen. Hier können Roboter Effizienz und Genauigkeit deutlich verbessern. Auch künstliche Intelligenz wird in der Robotik eine wachsende Rolle spielen, aber bislang fehlt es den Systemen an kritischem Denken und Kreativität. Aus Sicht des Autors wird es statt einer Entweder-oder-Situation immer mehr Anwendungen geben, in denen Menschen eng mit einem Roboter zusammenarbeiten, um gemeinsam Produkte zu erstellen oder Aufgaben zu erfüllen.

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Ian Ferguson, Lynx Software Technologies
© Lynx-Software-Technologies

Die meisten Industrieroboter, die heutzutage in Fertigungsanlagen eingesetzt werden, sind teuer, statisch und groß, führen aber eine bestimmte Funktion sehr effektiv aus. Die Berechnungen des Return on Investment (ROI) führen dazu, dass solche Roboter nur in größeren Fertigungsanlagen eingesetzt werden. Neben Bildverarbeitungssystemen werden sie künftig auch zusätzliche Sensoren und Machine Learning bieten, um bestimmte Aufgaben wie etwa die Korrektur schlechter Schweißpunkte besser ausführen zu können. Immer stärkere Verbreitung finden zudem kollaborative Leichtbauroboter, auch als Cobots bekannt, die einfacher zu konfigurieren, kostengünstiger und in einigen Fällen auch mobil sein werden. Anstatt eine Aufgabe zig- oder hundertmillionenfach zu wiederholen, lassen sie sich so umprogrammieren, dass sie kleine bis mittelgroße Produktionslinien unterstützen. Im Gegensatz zu traditionellen Industrierobotern, die isoliert vom Menschen agieren, arbeiten Cobots „Hand in Hand“ mit menschlichen Arbeitern. Entscheidend wird sein, die Prozesse in Fertigung und Logistik neu zu überdenken, um die Stärken von Robotern und Menschen gleichermaßen zu nutzen.

Drei Hauptaspekte der Technologie sind entscheidend, um diese Veränderungen zu ermöglichen:

Reduzierung der Systemkosten: Um die Kosten, den Stromverbrauch und den Platzbedarf der Elektronik zu reduzieren, werden Funktionen, die früher in mehreren Systemen implementiert waren, auf einer einzigen konsolidierten Platine (und immer häufiger in einem einzigen heterogenen Multicore-Prozessor) untergebracht. Diese Devices müssen Betriebssysteme wie Linux und Windows ausführen und zugleich das Echtzeitverhalten der repetierend tätigen Elemente der Plattform sicherstellen. Sie werden als Systeme mit gemischter Kritikalität bezeichnet.

Echtzeitsysteme auf der Basis eines Single-Core-Prozessors sind in der Industrie wohlbekannt. Dort hat sich ein Verfahren zur Entwicklung von Echtzeitsystemen etabliert, das auf der Annahme einer konstanten Worst-Case-Ausführungszeit (WCET) beruht. Dies bedeutet, dass die gemessene Worst-Case-Ausführungszeit einer Software Task, wenn sie allein in einem einzigen Kern ausgeführt wird, gleich bleibt, sofern die Task zusammen mit anderen Tasks ausgeführt wird. Diese Grundannahme bildet die Basis für eine Planbarkeitsanalyse, die eine Planungssequenz ermöglicht, in der alle Tasks innerhalb ihrer Fristen erledigt werden. Dieser Ansatz versagt jedoch bei Multicore-Prozessoren, weil Systemressourcen wie Speicher und I/O von den Anwendungen gemeinsam genutzt werden. Die resultierende Interferenz kann im schlimmsten Fall zu Spitzen bei den Ausführungszeiten führen.

Safety und Security: Beide Aspekte sind wichtig. In den meisten Produktionsumgebungen werden Cobots wahrscheinlich nicht direkt mit der Außenwelt verbunden sein. Diese Systeme werden innerhalb der Fabrik an deren Netzwerk angeschlossen, sodass ein Schutz gegen Hacks vorhanden sein muss, die entweder versehentlich oder absichtlich von jemandem oder etwas verursacht werden, der oder das direkt oder über ein Netzwerk Zugriff auf den Cobot erhält. Das Hauptaugenmerk muss hier in erster Linie auf der funktionalen Betriebssicherheit liegen. Software ist nicht perfekt. Hardware kann versagen.


  1. Auf die Echtzeitsteuerung kommt es an
  2. Sicherheit für den Menschen

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