Robots Unleashed

Optimierte Halbleiter eröffnen neue Freiheitsgrade, indem sie Roboter außerhalb eines Käfigs mit Menschen interagieren lassen. Für diese Art der Kollaboration müssen diese Roboter – auch Cobots genannt – allerdings bestimmte Designkriterien erfüllen.

Mit freundlicher Genehmigung des Hüthig-Verlags

Cobots unterstützen Menschen in Fabriken

Roboter sind in modernen Fabriken längst zu den Arbeitspferden an den Produktionslinien geworden. Hersteller auf der ganzen Welt profitieren von verbesserter Produktivität und verbesserten Kosten. Vor dem Hintergrund von Industrie 4.0 und der Smart Factory werden traditionelle Produktionsprozesse nun durch die neueste Generation von Industrierobotern, sogenannte kollaborative Roboter oder „Cobots“, revolutioniert. Sie arbeiten mit Menschen zusammen, unterstützen sie bei den jeweiligen Herstellungsprozessen und verbessern durch ihre hohe Präzision und sichere Arbeitsweise die Qualität der fertigen Produkte. Infineon bietet ein umfangreiches Spektrum an Komponenten, von Controllern und Leistungselektronik bis hin zu Sensoren und Chips für Safety- und Security-Funktionen, um die effiziente Elektronik dieser neuen Robotergeneration zu realisieren.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Industrierobotern arbeiten Cobots ohne Sicherheitskäfige und interagieren direkt mit Menschen. Um den damit verbundenen Anforderungen gerecht zu werden, muss ihr Design spezifische Merkmale aufweisen. Damit Roboter und Mensch sicher zusammenarbeiten können, sind insbesondere besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Die wichtigsten Designkriterien für CobotsHohe Leistungsdichte und eine Steuerung mit möglichst kleinem Formfaktor

Hohe Präzision, Integration und Effizienz

Funktionale Sicherheit und Personenschutz im Umfeld

Unterschiedliche Topologien hinsichtlich Anzahl Achsen, Gelenke und Motoren

Schutz des geistigen Eigentums vor Fälschung

Sicherheit als Voraussetzung für Sicherheit

Diese Anforderungen lassen sich bei der Entwicklung von klassischen Robotern, Industrierobotern und den oben genannten kollaborativen Robotern mit intelligenten und effizienten Halbleiterlösungen umsetzen. Und der Markt bietet viel Potenzial. Im Jahr 2015 erreichte der Umsatz im Industrierobotermarkt weltweit fast 10 Milliarden US-Dollar. Für den Zeitraum von 2015 bis 2025 prognostizieren Analysten allein für kollaborative Roboter ein Wachstum von rund 28 Prozent. sind:

Roboter und ihre Anwendung bei Infineon

Infineon produziert nicht nur ein umfassendes Halbleiterportfolio, das in Robotern zum Einsatz kommt, sondern ist selbst Anwender verschiedener Robotergenerationen. Da die in der Chipproduktion eingesetzten Anlagen sehr teuer sind, lag der Fokus hier schon sehr früh auf einer optimierten Automatisierung, um die Maschinenauslastung zu maximieren und die Produktionsqualität ständig überwachen und nachregeln zu können. Dadurch kann die Ausbeute gesteigert und Reinraumeinrichtungen optimal genutzt werden. Viele Konzepte, die derzeit im Bereich Industrie 4.0 diskutiert werden, sind hier bereits im Einsatz, wie beispielsweise die vollvernetzte Produktion. Auch mobile Roboter, sogenannte AGVs (Automated Guided Vehicles), sorgen für die Integration bisher autonomer Produktionsinseln. Neben den Robotern innerhalb der Produktionsinseln arbeiten allein in der Produktionsstätte in Dresden mehr als 170 mobile Roboter. Das daraus resultierende Robotiksystem-Know-how fließt dann wieder in die Entwicklung des Chips ein.

Franka Emika setzt mit „Panda“ auf kollaborative Roboter (Bildquelle: Franka Emika).

Neuer Robotertyp: kompakt, wendig, sicher und geschützt

Technologische Fortschritte in den Bereichen Sensorik, schnelle Analyse riesiger Datenmengen, künstliche Intelligenz und Leistungselektronik haben die neue Generation von Robotern möglich gemacht. Der Robotikmarkt befindet sich im Umbruch. Neben den bekannten Platzhirschen sind viele relativ kleine Start-ups auf den Markt gekommen, Tendenz weiter steigend. Ihr Fokus liegt auf der Entwicklung spezieller Algorithmen als Basis für neue Robotik-Konzepte. Da sie sich weniger für den mechanischen Aufbau und die benötigte Elektronikhardware interessieren, sind sie auf Lieferanten mit Systemkompetenz und entsprechenden Produkten angewiesen. Damit können die spezialisierten neuen Robotik-Start-ups innerhalb weniger Wochen Entwicklungsplattformen aufbauen, die die Grundlage für vielseitig einsetzbare Roboter bilden. Sie erfordern keine aufwändige Programmierung für jede Zielanwendung wie bei früheren Robotergenerationen. Stattdessen lassen sie sich einfach und flexibel umprogrammieren und können ihre Bewegungsabläufe – teilweise sogar autonom – an neue Anforderungen anpassen.

Halbleiterportfolio für moderne Roboter

Die neue Robotergeneration bietet ein breites Anwendungsfeld für moderne Halbleiterprodukte. Dies reicht von Motorsteuerung, leistungsstarker Positions- und Objekterkennung, effizienten und kompakten Antrieben, Stromversorgung und Ladegeräten, über die Implementierung virtueller Schutztüren bis hin zu Sicherheitsfunktionen mit sicherer Authentifizierung und Kalibrierung. In vernetzten Produktionsumgebungen ist funktionale Sicherheit ohne Security nicht möglich. Wesentlich ist auch der Schutz des geistigen Eigentums, insbesondere für Start-ups, deren Expertise in Algorithmen liegt.

Ein weiteres wichtiges Kriterium für die neue Robotergeneration ist eine möglichst kompakte Bauweise, insbesondere eine platzsparende und effiziente Motorsteuerung. Dies wird mit IGBTs und IGBT-Modulen, MOSFETs mit niedrigem Durchlasswiderstand (wie OptiMOS) und hochintegrierten Gate-Treibern mit eingebauten Schutzfunktionen erreicht. Auch die Gewährleistung der funktionalen Sicherheit ist ein besonders wichtiger Aspekt. Parameter wie Drehmoment, Position, Druck etc. müssen mit entsprechenden Sensoren präzise erfasst und die Daten mit leistungsfähigen Sicherheitssteuerungen wie der AURIX-Familie verarbeitet werden.

Entfliehen Sie dem Käfig: Schutz für Menschen

Wer Roboter aus ihren Käfigen befreien will, muss sicherstellen, dass Menschen gar nicht erst in den kritischen Bereich eines mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Roboters gelangen und verletzt werden können, sei es durch eigene Fahrlässigkeit oder eine Fehlfunktion. Roboter ausreichend sensibel zu machen, funktioniert nur mit ausgefeilter Sensorik.

Grundsätzlich muss der Bereich zwischen Mensch und Roboter, aber auch zwischen den Robotern selbst sicherer gemacht werden. Ziel ist es, Schutzzonen flexibler zu gestalten, sodass sich beispielsweise eine viel kleinere Schutzzone dynamisch mit einem sich bewegenden Roboterarm bewegt. Zur Umsetzung der virtuellen Zäune wird ein Zonenkonzept verwendet. Betritt ein Mensch die äußere Begrenzung, ertönt ein Warnsignal, aber der Roboter arbeitet mit voller Geschwindigkeit weiter. Kommt der Mensch näher, wird die Geschwindigkeit reduziert und entsprechend gewarnt. Der Roboter stoppt nur, wenn sich der Mensch direkt im Gefahrenbereich befindet.

Solche Schutzmechanismen erfordern äußerst präzise Objekterkennungsfähigkeiten. Redundante Abtastung bietet maximale Funktionssicherheit. Hilfreich ist auch die Erkennung der Bewegungsrichtung – nähert sich eine Person und entfernt sich wieder oder betritt sie den Gefahrenbereich? Durch intelligentes Erkennen der tatsächlichen Bedrohungslage können unnötige Roboterstillstände oder -verzögerungen – und damit Produktionsausfälle und -kosten – vermieden werden.

Infineon arbeitet in diesem Zusammenhang mit Partnern an Time-of-Flight (ToF)-Konzepten und mit Radarsensoren. Die Umgebung kann somit zu attraktiveren Systemkosten als mit herkömmlichen Lidar-Scannern in 3D gescannt werden. Die 3D-Auflösung ermöglicht es beispielsweise, die Bewegungsrichtung durch den Einsatz spezieller Algorithmen zu antizipieren. Das Werk Dresden arbeitet bereits mit einem Roboter-Prototyp, der mit ToF-3D-Kameras seine Umgebung erkennt und dadurch dann auch Bewegungsrichtungen antizipiert. Ein redundanter Ausbau auf 24 GHz und 60 GHz Radarsysteme ist in Vorbereitung.

Sicherheit und Geborgenheit

Obwohl beide Begriffe Safety und Security zunächst ähnlich klingen, gibt es eine klare Unterscheidung: Während es bei Safety um den Schutz des Menschen geht, umfasst Security den Datenschutz und zielt damit darauf ab, Roboter vor Cyberangriffen zu schützen. Nur datensichere Systeme sind auch funktional sicher – ein Aspekt, der im Kontext von Industrie 4.0 und IoT immer wichtiger wird. Verschlüsselungssysteme müssen sicherstellen, dass der Roboter nur die Funktionen ausführt, die er soll. Dabei geht es insbesondere darum, die Roboter als Teil des Produktionsprozesses vor Manipulationen bei kabelgebundenen oder Remote-Softwareupdates zu schützen. Eine sichere Authentifizierung von Benutzern und neu hinzugefügten Komponenten ist ebenfalls erforderlich.

Um korrekt zu funktionieren, müssen Roboter auch kalibriert werden. Wenn jedoch beispielsweise ein Hacker die Kalibrierungen manipuliert, könnte der Roboter seine programmierten Bewegungsgrenzen überschreiten. Hier treffen Safety und Security aufeinander – ohne effizienten Sicherheitsschutz keine funktionale Sicherheit. Dies ist eine zentrale Anforderung für zukünftige Systeme und wird durch spezielle Sicherheitscontroller (OPTIGA-Familie) oder AURIX-Mikrocontroller mit Funktionen wie HSM (Hardware Security Module) adressiert. Da die Sicherheitsfunktionen in der Hardware implementiert sind, benötigen Anwender nur minimale Detailkenntnisse der Verschlüsselungstechnologien. Darüber hinaus sind die Auswirkungen auf bestehende Softwareimplementierungen äußerst gering.

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