Multi-Modul-Maschine Vierbeiniger Roboter mit drei »Gehirnen«

Der »ANYmal C« von ANYbotics navigiert autonom und sicher durch Industrieanlagen.
Der »ANYmal C« von ANYbotics navigiert autonom und sicher durch Industrieanlagen.

Im industriellen Umfeld nehmen Roboter Menschen immer mehr Aufgaben ab. Jedoch sind für zentrale Aufgaben wie Situationsbewusstsein oder Bewegungssteuerung hohe Rechenleistungen nötig. Computer-Module können sie zur Verfügung stellen.

Dank der Fortschritte im Bereich der Computer-basierten Intelligenz und Sensortechnik entwickeln sich bisher stationäre Roboter ohne Situationsbewusstsein hin zu intelligenten, autonomen und mobilen Robotern. Das hilft nicht nur, Menschen potenziell gefährliche Arbeiten abzunehmen, sondern auch, sich wiederholende Aufgaben in echten Arbeitsumgebungen zu optimieren. Solche Roboter können Aufgaben autonom ausführen, für die bisher menschliche Arbeitskraft erforderlich war. Außerdem können sie die Liste der möglichen Aufgaben deutlich erweitern.

Bei solchen Perspektiven überrascht es nicht, dass der Markt für Robotik-Anwendungen boomt. Für den weltweiten Markt intelligenter Roboter wird eine jährliche Wachstumsrate von 23 Prozent [1] erwartet. Jedoch unterscheidet sich das Wachstum für die jeweiligen Untersegmente des Robotermarktes. Für den Markt für autonome Lieferroboter wird beispielsweise eine jährliche Wachstumsrate von über 49,5 Prozent über die nächsten fünf Jahre vorausgesagt [2], der Markt für landwirtschaftliche Roboter soll im gleichen Zeitraum jährlich um 22,8 Prozent wachsen [3]. Der weltweite Markt für zivile, autonome Roboter, der die Bereiche unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicles – UAV), unbemannte Landfahrzeuge (Unmanned Ground Vehicles – UGV) und unbemannte Seefahrzeuge (Unmanned Maritime Vehicles – UMV) umfasst, ist bereits gereift. Somit wird hier eine etwas geringere, jedoch immer noch ansprechende Wachstumsrate von 15,9 Prozent [4] im Zeitraum von 2019 bis 2025 erwartet. Endanwender für solche Roboter finden sich in Märkten wie Energie, Prozesstechnik, und Logistik. Genauso darf man die Bereiche Transport, Fertigung in kollaborativen Umgebungen und Landwirtschaft nicht vernachlässigen. Mit seinem vierbeinigen Roboter »ANYmal C« ist ANYbotics einer der Entwickler, der sich auf Märkte mit hohen Anforderungen an Mobilität und Autonomie in anspruchsvollem Gelände konzentriert (Bild 1).

Doch was unterscheidet den autonomen Roboter ANYmal C von anderen intelligenten Robotern? Er erfüllt seine Aufgaben mit einem hohen Autonomiegrad in dynamischen, für Menschen gemachten Umgebungen, statt lediglich in streng definierten Bereichen, wie automatisierten Lagereinrichtungen oder Produktionszellen in Fabriken. Der Roboter reagiert auf sich bewegende oder unerwartete Hindernisse, genauso wie auf sich verändernde Umweltbedingungen wie Blitze, Regen oder Schnee. Außerdem kann er ohne externe Anweisungen Schwierigkeiten lösen und stoppt automatisch, um Unfälle zu vermeiden.

Sensoren zum Erkennen der Umgebung

Um sicher und zuverlässig durch Industrieanlagen zu navigieren, benötigen autonome Robotersysteme (ARS) eine große Bandbreite von Sensoren. So können sie Geräte- und Umgebungsdaten erfassen und interpretieren. Letztlich sollen solche ARS komplexe Aufgaben genauso, wie qualifizierte, menschliche Arbeiter erfüllen können. Denn sie verfügen über höchste Mobilität und Autonomie in anspruchsvollen Umgebungen wie großflächigen Industrieanlagen und Baustellen. Lediglich so können sie ihren menschlichen Kollegen Aufgaben in potenziell gefährlichen Umgebungen abnehmen und die Präzision und Zuverlässigkeit der Datenerfassung optimieren.

Um umfassende Daten zum Situationsbewusstsein zu erhalten, sind ARS mit verschiedenen Perzeptions-Sensoren auszustatten. Ein zeitgleiches Lokalisieren und Kartieren (Simultaneous Localization And Mapping – SLAM) muss in komplexen und dynamischen Umgebungen funktionieren. Für ANYmal C setzt ANYbotics unterschiedliche Sensoren zur Navigation und Wegplanung ein. Zum Erkennen von Hindernissen und Geländedaten ist das ARS auf allen Seiten mit stereoskopischen, optischen Kameras ausgestattet. Es ermöglicht ein 360-Grad-Sichtfeld mit Tiefeninformationen. Ein fortschrittliches Light Detection and Ranging (LIDAR)-System stellt zusätzliche Umgebungsdaten zur Navigation in einem Bereich von bis zu 100 m zur Verfügung. Für die Teleoperation sowie den Programmierungs-Betriebsmodus für festgelegte Laufwege ist der ANYmal C mit zwei Weitwinkelkameras an der Vorder- und Rückseite ausgestattet. So hat der Bediener ein klares Sichtfeld. Für den Einsatz in Außenbereichen ist es möglich, den ANYmal C zusätzlich mit einem Empfänger für globale Navigationssatellitensysteme wie GPS auszurüsten.

Roboter klettert, kriecht und steigt Treppen

Situationsbewusstsein für das Lokalisieren und Kartieren ist jedoch lediglich ein Aspekt, um den autonomen vierbeinigen Roboter zu bewegen. Eine weitere Funktion ist die Echtzeitsteuerung des Bewegungsapparats, der sogar omni-direktionale Bewegungen möglich macht. Es erlaubt ANYmal C, Stufen von bis zu 25 cm Höhe zu überwinden, Industrietreppen mit bis zu 45° Neigung zu erklimmen und in Zwischenräume mit weniger als 50 cm Höhe zu kriechen.

Neben den Navigations- und Bewegungsaufgaben muss der ANYmal C ebenso seine jeweilige Hauptaufgabe erfüllen. Hierfür ist er mit einer Sensoren-Traglast von bis zu 10 kg frei konfigurierbar und kann für zwei bis drei Stunden autonom agieren (Bild 2). Das erste anwendungsspezifische Design des ANYmal C wurde für Inspektionsaufgaben in Innen- und Außenräumen von Industrie-Anlagen und anderen anspruchsvollen Umgebungen entwickelt. Hierfür ist der Roboter mit einer Schwenk-/Neige-Inspektionseinheit mit optischer Zoom-Kamera ausgestattet, um Messwerte von analogen Anzeigen und Messinstrumenten abzulesen und Ventile zu prüfen. Er verfügt zusätzlich über eine Wärmebildkamera, um Maschinen und andere Geräte auf unerwünschte Abwärme oder thermische Anomalien zu überprüfen. Zum Erkennen von Gaslecks ist der ANYmal C mit Gassensoren ausgestattet. Ein Ultraschallmikrofon für die akustische Prüfung hilft, Maschinenanomalien bereits frühzeitig zu erkennen.

Prozessoren von Intel

Um alle drei Aufgaben parallel, zuverlässig und mit hoher Leistung ausführen zu können, setzt ANYbotics auf ein modulares Design. Es basiert auf zwei Intel i7-Hexa-Core-Prozessoren und einem Intel i7-Dual-Core-Prozessor mit Virtualisierung, um die verschiedenen Teilaufgaben auf einzelne Kerne aufzuteilen. Die Prozessoren stellen die Rechenleistung für die Bewegungssteuerung, das Echtzeit-Mapping und die autonome Navigation sowie die integrierten anspruchsvollen Kundenanwendungen zur Verfügung. Mit dem flexiblen Design ist es möglich, ein ausgewogenes Preis-Leistungsverhältnis für jede Aufgabe zu finden. Zudem dient es als Grundlage für spätere Leistungs-Upgrades. Alle Funktionen sind in ein benutzerfreundliches, robustes und vollständig wasser- und staubdichtes IP67-Design integriert. So eignet sich der ANYmal C zudem für viele andere Aufgaben, einschließlich Such- und Rettungsaufgaben (Search and Rescue – SAR), Sicherheitskontrollen, oder Paketlieferungen.

Herzstück COM-Express-Module

Zur Integration der Rechenleistung setzt ANYbotics COM-Express Computer-on-Modules (CoMs) von Congatec ein (Bilder 3a und 3b). CoMs sind ideal für Embedded Systeme, da sie anwendungsfertig, einfach zu integrieren und standardisiert sind. Sie besitzen außerdem alle nötigen Treiber und Firmware. So kombinieren die Module alle wesentlichen Bausteine wie CPU, RAM, Schnittstellen sowie die Grafikeinheit in einem Produkt. Ein weiterer Vorteil ist, dass CoMs mit gleichem Formfaktor und Standard skalierbar sind, sowohl über Prozessorgenerationen als auch Hersteller hinweg. OEMs bietet das vollständige Flexibilität beim Skalieren und Aufrüsten ihrer Anwendungen mit der aktuellen Prozessortechnik, selbst nach mehreren Jahren. So kann der Kunde seine Zeit und Ressourcen auf das Design des Carrierboards fokussieren und gewährleisten, dass alle Funktionen und Schnittstellen genau zur Anwendung passen, ohne sich mit der komplexen Integration des Prozessors befassen zu müssen.

Obwohl Standard COM-Express-Module austauschbar sind, können die Service-Leistungen und die gelieferte Qualität der Module stark schwanken. OEMs sollten nach optimalen Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership – TCO) suchen. Neben dem Preis des Moduls selbst spielen hierbei viele weitere Aspekte eine Rolle. Zunächst sollte ein Anwender die Design-Qualität prüfen, um sicherzustellen, dass das Modul eine hohe thermische, mechanische und elektrische Widerstandsfähigkeit bietet. Verlässliche Embedded-Anbieter können eine umfassende Prüfdokumentation zum Nachweis eines konformen Designs vorlegen. Zweitens sollte den Modulen ein umfassendes Board Support Package mit sämtlicher benötigter Software beiliegen, um die Betriebssystem- und Software-Integration zu vereinfachen. Die Langzeitverfügbarkeit einzelner Module ist ein weiterer wesentlicher Faktor zum Reduzieren der TCO auf lange Sicht. Schließlich ist der vom Embedded-Hersteller angebotene Service ein wichtiger Faktor.

Auch wenn Computer-on-Modules anwendungsfertige Komponenten und alle oben genannten Funktionen Teil des Angebots sind, erfordert das Design und das Entwickeln eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Anbieter und dem OEM. Hier kommen neben dem direkten Kontakt zum Hersteller auch spezialisierte Händler und Partner ins Spiel, die einen umfassenden und individuellen Integrationsservice und technischen Support bieten.

Literatur

[1] https://www.businesswire.com/news/home/20200414006063/en/Global-Smart-Robot-Market-Expected-Grow-CAGR
[2] https://www.marketwatch.com/press-release/the-autonomous-delivery-robots-market-is-expected-to-register-a-cagr-of-over-495-during-the-forecast-period-2020---2025-2020-03-03?mod=mw_quote_news
[3] https://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/agricultural-robot.asp
[4] https://www.marketwatch.com/press-release/global-autonomous-mobile-robots-market-2020-cagr-status-future-demand-growth-factor-analysis-top-key-players-regions-and-industry-size-and-forecast-to-2025-2020-04-14

Die Autoren

Péter Frankhauser ist Mitbegründer und CEO des in Zürich ansässigen Start-ups ANYbotics, das autonome mobile Roboter für raue Umgebungen entwickelt, wie den Laufroboter ANYmal C. Während seines Doktorats an der ETH Zürich entwickelte Frankhauser Kartierungs-, Planungs- und Steuerungsstrategien für Roboter mit Beinen, die über unwegsames Gelände klettern.

Zeljko Loncaric ist Marketingingenieur bei Congatec in Deggendorf. Vor seinem Eintritt bei Congatec Mitte 2010 war er in verschiedenen Positionen bei internationalen Unternehmen in den Bereichen Produktmanagement, Marketing und Sales Marketing in Deutschland und Australien tätig. Loncaric besitzt einen MBA in Betriebswirtschaftslehre und einen Abschluss in Medientechnik der Universität Deggendorf.