Verteilte Sensoren für autonome Roboter

In der Science-Fiction werden Roboter seit Generationen auf unterschiedlichste Weise in Geschichten über die Gesellschaft integriert, von hilfreichen, gutartigen Dienern, die unser Leben einfacher und besser machen, bis hin zu harschen, seelenlosen Herrschern, die uns ausrotten wollen. Die Geschichte beginnt immer damit, dass Roboter Menschen bei der Erledigung von niederen, sich wiederholenden und gefährlichen Aufgaben ersetzen, und mit dem Aufkommen der KI übertreffen sie schließlich gut ausgebildete Menschen. 

Es ist nicht ungewöhnlich, sie im Einsatz zu sehen, von kleinen Bodenreinigern bis hin zu Lieferrobotern und Drohnen. Als Gesellschaft sind wir bereit, sie in unser Leben zu integrieren, vor allem, wenn sie autonom handeln, sich verständigen können und sogar ein Selbstbewusstsein entwickeln. 

Seit Jahrzehnten ersetzen Arbeitsroboter in Automobilfabriken, Chemiewerken und Fabriken viele Menschen und haben sich als kosteneffektiv, produktivitätssteigernd und exakt erwiesen, denn Fertigungs- und Industrieanwendungen sind die treibende Kraft für die Fortschritte der Robotertechnik. 
Obwohl die Anfangsinvestitionen für den Kauf, die Programmierung und den Einsatz von Fertigungsrobotern immer noch hoch sind, bringen sie den Fertigungsunternehmen viele Vorteile. 

Mit dem immer stärker werdenden Trend, die Fertigung in die Heimat zurückzuholen, bedeutet der Wettbewerbsdruck, dass nur Roboter eine hohe Produktivität bei niedrigen Kosten aufrechterhalten können. Sie können vierundzwanzig Stunden am Tag ohne Pause arbeiten. Sie machen weder Urlaub noch Ferien. Sie melden sich nicht krank (wenngleich sie ab und zu kaputt gehen). 

Das Entscheidende ist, dass Fertigungsunternehmen, die Roboter beschäftigen, keine Beiträge zur Sozialversicherung, Arbeitslosenversicherung, Arbeiterunfallversicherung, Krankenversicherung, Rentenversicherung usw. für diese entrichten müssen. 
In dem Maße, in dem ortsfeste und funktionsgebundene Roboter durch mobile, autonome, multifunktionale, lernende Maschinen ersetzt werden, gewinnen Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Kostenbewusstsein an Bedeutung. Roboterdesigner stehen nun vor der Wahl, wie sie ihre Roboter und deren Arbeitsumgebung gestalten. 

Zehn Kilo Chips in einem fünf Kilo schweren Roboter

Sensoren sind der Schlüssel für jede Roboterkonstruktion. Sie versorgen Maschinen mit Informationen über die Außenwelt. Während stationäre Roboter der älteren Generation weder navigieren, noch Hindernisse erkennen oder wissen müssen, wo sie sich befinden, und keine alternative Routen finden müssen, ist dies bei neuen Robotern sehr wohl der Fall. Daher müssen viele Arten von Sensoren implementiert, überwacht, priorisiert, interpretiert und zur Festlegung von Maßnahmen verwendet werden. Die Frage, mit der sich die Designer heute konfrontiert sehen, ist, wie die Sensoren verteilt werden können, ohne dass Größe und Gewicht des Roboters beeinträchtigt werden. Ist alles im Inneren des Roboters untergebracht? Oder erhält der Roboter sensorische Daten und Anweisungen von einer Anlage, einer drahtlosen Steuerung oder einer Cloud?

Je mehr Aufgaben man an den Roboter überträgt, desto größer muss er sein. Je schwerer der Roboter ist, desto mehr Batteriestrom benötigt er. Dies schränkt die Betriebszeit, die Geschwindigkeit und die Leistung ein und erhöht die Kosten, da das Gerät während des Aufladens oder des Batteriewechsels außer Betrieb genommen werden muss. 

Der Platz ist begrenzt, und das Gewicht ist ein Problem. Daher ist es nur folgerichtig, mehr Intelligenz in die Umgebung zu integrieren, damit die Roboter selbst weniger davon benötigen. Kleiner, schneller, mehr Betriebszeit, geringere Kosten. Eine Win-win-Situation, oder? Nun, nur bis jetzt. 

Selbst bei einer intelligenten Umgebung müssen Intelligenz und Sensoren in jeden Roboter integriert werden. Fehlertoleranz bedeutet, dass die Sicherheit im Falle eines Kommunikationsfehlers nicht beeinträchtigt wird. Daher ist die Verwendung von leichten Onboard-Sensoren wie Messwertgebern, Videokameras, Temperatur- und Batteriespannungssensoren usw. von Vorteil. Selbst die heute verfügbaren 2D-Lidar-Technologien können in einen kostengünstigen, effizienten Roboter integriert werden. 

Ausfallsichere Sensoren für beispielsweise Näherungs- oder Stromversorgungsprobleme sollten priorisiert werden. Ein Roboter kann zum Beispiel nicht wissen, dass er von einem Hindernis festgehalten wird, aber ein Stromsensor an den Antriebsmotoren kann einen Fehler schnell erkennen und die Stromzufuhr zum Motorantrieb sofort unterbrechen. Ein zentraler Anlagencomputer oder ein Cloud-Controller kann nicht schnell genug reagieren, um einen möglichen Brand zu verhindern. 

In einer Fabrik oder einem industriellen Umfeld kann die drahtlose Kommunikation eine Herausforderung darstellen. Eine Fertigungshalle ist eine im elektronischen Sinne schwierige Umgebung. Wenn es zu Fehlern und Wiederholungsversuchen kommt, kann es sein, dass ein Roboter die Signale nicht rechtzeitig erhält, um die Sicherheit zu gewährleisten. Es kann auch bedeuten, dass drahtlose Verbindungen eine höhere Leistung übertragen müssen, um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten. 

Offene Welt, geschlossene Fertigungshallen; verteilte Kommunikationsoptionen

Ein einzigartiger Ansatz, der viele dieser Probleme lösen kann, ist die Verwendung eines geschlossenen, verteilten Netzwerks für den Einsatz von Sensorarrays und Back-Channel-Informationen von den Robotern. Durch die Verwendung von Kommunikationsknoten, die über die gesamte Fertigungshalle verteilt sind, kann ein geschlossener Feedback-Mechanismus geschaffen werden, bei dem die Anlagensteuerung eine High-Level-Überprüfung für jeden Schritt des Roboters erhält. 

Sensoren und Kommunikationsknoten können strategisch an bestimmten und geplanten Orten platziert werden. Ein 5G, Wi-Fi® oder Bluetooth®-Signal ist bei einem Abstand von 3 Metern viel zuverlässiger als bei einem Abstand von 15 Metern. So kann sofort ein zuverlässiges Primär- und/oder Backup-Kommunikationsschema zu geringen Kosten realisiert werden. Selbst die preiswertesten Schmalband-AM- oder FM-Datenverbindungen können gleichzeitig mit der High-Level-Kommunikation betrieben werden. So kann beispielsweise ein mobiler Roboter, der an einem stationären Roboter vorbeifährt, dessen Sicherheitsdaten erfassen und weitergeben. 

Roboter, die diese digitalen Kontrollpunkte passieren, können den Batteriestand, die Innentemperaturen, den Vibrationspegel, die Belastung und die Beanspruchung der von ihnen getragenen Lasten sowie den Zustand ihres zentralen Prozessors, der Sichtsysteme und den allgemeinen Status melden.Es kann sogar die RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) zur Überprüfung von Robotern eingesetzt werden, wenn diese einzelne Kontrollpunkte passieren. Wie man erkennen kann, wird der Roboter – selbst bei einem hohen Grad an Autonomie – bei diesem Ansatz zu einer Art Peripheriegerät in der Fertigungshalle. 

Verteilte serielle Architekturen: Topologien und Vorteile

Serielle Kommunikation ist ideal für die verteilte Kommunikation in einem definierten oder großen Bereich. System- und Anlagenentwickler und -manager haben mehrere Möglichkeiten und Optionen für die Technologie und die Arten von seriellen Netzwerken, die leicht implementiert werden können. 

Ethernet ist eine serielle Netzwerktechnologie, die verwendet werden kann. Es kann mit Cat5- und/oder Cat6-Mehrfachverdrahtungen in einem einzigen Kabel verdrahtet werden. Für jede Punkt-zu-Punkt-Ethernet-Verbindung sind acht Drähte erforderlich, was die Kosten erhöht und die Zuverlässigkeit verringert. Ethernet bietet eine schnelle Kommunikationsübertragung und die Möglichkeit, einige hundert Meter weit zu übertragen, und kann als Knotenpunkt für serielle Netzwerke in Zonen verwendet werden. Es ist jedoch nicht besonders immun gegen elektronische Störeinflüsse und elektrostatische Entladungen (ESD), so dass es keine gute Wahl für Maschinenstandorte ist. Darüber hinaus benötigt jeder Knoten in einem Ethernet-Netzwerk zusätzliche Prozessorressourcen und Bandbreite. Im Gegensatz dazu kann eine kostengünstigere asynchrone, paketorientierte serielle Datenverbindung mit Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) verwendet werden. 

UART-basierte serielle Verbindungen sind womöglich die einfachsten und zuverlässigsten. Drahtlose serielle Verbindungen sind robust und zuverlässig, selbst in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen (EMI) und härtesten ESD-Bedingungen. Es gibt auch eine Vielzahl von Treibern und Empfängern, die Hunderte und sogar Tausende von Metern weit übertragen können und dabei bestimmte Datenraten beibehalten. 

In Bezug auf die Architektur kann ein verteiltes, serielles Sensor-Array von einer zentralen Stelle aus gesteuert und überwacht werden, aber auch von verschiedenen Orten oder aus der Ferne zugänglich sein. Diese Methoden schließen sich nicht gegenseitig aus. So kann zum Beispiel ein zentraler Computer immer die Hauptarbeit übernehmen, während ein Backup-System überwacht und bei einem Fehler des primären Systems einspringt. 

Zudem verfügen serielle Netze über eine Punkt-zu-Punkt-Flexibilität. Die einfachste und zuverlässigste Architektur ist die direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Abbildung 1A~). Dies ist die schnellste und direkteste Verbindungsart. Hardware- und/oder Software-Handshaking können eine zuverlässige Datenübertragung gewährleisten. 

Eine Reihe von verketteten (Daisy Chain-)Geräten kann so konfiguriert werden, dass eine einzige Datenverbindung mit vielen verteilten Sensoren oder Aktoren kommuniziert (Abbildung 1B). Die Daten durchlaufen jeden Knoten und werden über Leitungsempfänger und Treiber, die als Durchgangspuffer fungieren, zurück zum Ausgangspunkt geleitet. Jeder Knoten kann einzeln adressiert werden, oder es kann auf alle gleichzeitig zugegriffen werden, wie es z. B. bei einem „Emergency Shutdown“-Befehl der Fall wäre. 

Wenn Geräte in einer Schleife konfiguriert sind, können die Durchleitungstreiber eliminiert werden und alle Daten kehren zum Ausgangspunkt zurück. Die Datenraten sind in der Regel auf eine einzige Baudrate für ein Netz mit String- oder Schleifenarchitektur eingestellt. Eine Baumkonfiguration ist ebenfalls möglich, wenn mehrere serielle Multiport-Konsolensteuerungen verwendet werden (Abbildung 1C). Auf diese Weise können mehrere Sensoren oder Sensorzonen in der seriellen Domäne eingerichtet werden, wenn die Datenraten vom Host schnell genug sind, um alle unteren Ebenen zu versorgen. Ist dies nicht der Fall, kann die Ethernet-Verbindung als Konsolenserver der obersten Ebene verwendet werden. Dies kann eine hilfreiche Architektur sein, wenn Sensorzonen mit einem lokalisierten Bereich definiert sind. 

Abbildung 1: (A) Punkt-zu-Punkt-Direktverbindung. (B) Schleife oder Daisy Chain von verbundenen Geräten. (C) Baumkonfiguration. (Quelle: Mouser Electronics)

Neben der Fernverteilung von Sensoren und Aktoren können verteilte Knoten auch dedizierte HF-Verbindungen für die Sicherheitskontrolle oder RFID-Scanner zum Lesen und Schreiben von Daten auf Robotern in der Anlage enthalten, wenn diese bestimmte Schlüsselpositionen passieren. Wann immer eine Sicherheitsredundanz praktisch ohne zusätzliche Kosten konstruiert werden kann, ist es ratsam, diese Redundanz zu nutzen. 

Typen von Serial Link Layer-Protokollen

Ein „Oldie but Goodie“, mit dem die meisten von uns vertraut sind, ist RS-232. Dieses Single-Ended Physical Layer Schema verwendet ein Non-Return-to-Zero (NRZ) Signalisierungsprotokoll, das eine logische Null als positive Spannung und eine logische Eins als negative Spannung darstellt. Die Signalleitung liegt somit nie brach. Daher ist RS-232 relativ robust und unterdrückt Rauschen und Impulsstörungen gut. Die Fehlersuche ist einfacher, da eine nicht angeschlossene Leitung keine Spannung anzeigt. 

Während RS-232 einige hundert Meter weit übertragen kann, kann RS-422 einige tausend Meter weit übertragen. Bei RS-422 wird für jedes Signal ein differentielles Adernpaar verwendet. Dies macht es immun gegen Gleichtaktstörungen, die in einer lauten Fabrikumgebung auftreten können. Es erfordert die doppelte Anzahl von Drähten und ist nicht so verbreitet wie RS-232, das früher für die meisten Computerperipheriegeräte und Modems verwendet wurde. 

RS-485 ist ebenfalls ein Differentialmedium, aber auch ein gemeinsam genutztes Medium. Alle RS-485-Geräte werden an das gleiche physikalische Leitungspaar angeschlossen. Dies bedeutet, dass RS-485-Geräte nur im Halbduplex-Modus arbeiten können, während RS-232 und RS-422 im Vollduplex-Modus arbeiten können. Alle RS-485-Geräte haben in der Regel die gleichen Kommunikationsmerkmale wie Baudrate, Parität und Stoppbits. 

RS-485 kann zudem mehrere tausend Meter überbrücken, wenn es richtig implementiert ist, und wird häufig in Fertigungs- und industriellen Umgebungen verwendet. In allen Fällen bieten die Halbleiterhersteller kostengünstige, ausgereifte und wettbewerbsfähige Leitungstreiber und -empfänger mit integriertem ESD- und Rauschschutz an. 
Hinweis: UART-geframte asynchrone Paketformate wie RS-232, RS-422 und RS-485 werden auch in der Automobilwelt für das Controller Area Network (CAN) und OBDII-Steuer- und Sensorbusse verwendet. 

Die ältere, aber beliebte Midi-Schnittstelle verwendete ebenfalls ein UART-basiertes Paketprotokoll. Diese Signalisierungsverfahren sind gut bekannt und werden durch Tools und Entwicklungs-Firmware unterstützt. Sie sind ideal für verteilte Sensoren und Aktoren in einer industriellen Umgebung, insbesondere wenn ein Multiport-Server verwendet werden kann. 

Mediale Server-Lösungen

Multiport-Konsolen bieten mehrere individuelle serielle Anschlüsse, die über IP, wie Ethernet und TCP/IP-Zugangspunkte, zugänglich sind. Die als 8- oder 16-Port RS-232 erhältlichen Konfigurationen können die Ports als RS-485 oder RS-422 mit den entsprechenden Schnittstellen verwendet werden. 

Die beiden 10/100/1000-Ethernet-Ports können die Gesamtbandbreite von bis zu 921,6 KBit/s der einzelnen seriellen Ports unterstützen und ermöglichen die Anbindung an lokale Computerressourcen sowie an entfernte und weltweit verteilte Computer und Cloud-basierte Dienste. 

Die standardmäßige 1U-Rack-Montagekonfiguration ermöglicht eine einfache Integration in praktisch jede Anlage. Darüber hinaus verfügt jede serielle Schnittstelle über einen integrierten 15-KV-ESD-Schutz. Diese Konsolenserver fungieren als ideale Schnittstelle zwischen TCP/IP-Netzwerken und SPS, CNC-Maschinen, Waagen, Scannern und praktisch allen Arten von sensorgestützten Systemen. Viele Sensorsysteme, die von Originalherstellern (OEM) zur einfachen Verwendung angeboten werden können, unterstützen diese seriellen Standards, und die Konsolenserver ermöglichen eine individuelle Verbindung zu diesen Sensoren. Beachten Sie, dass jedes Gerät seine eigene Baudrate, Parität und Stoppbit-Konfiguration haben kann, was die Einrichtung und Nutzung vereinfacht und die Bandbreite maximiert, da das langsamste Gerät die schnelleren nicht einschränkt. 

Die Steuerung über Windows-Dienstprogramme, Webbrowser, Telenet und verschiedene Konsolen ermöglicht Betreibern und Programmierern eine einfache Einrichtung, Bedienung und Überwachung. Netzwerkmanagement-Tools wie SNMP MIB-II ermöglichen auch Standard-Toolsets für Betrieb und Überwachung. Durch die rückseitig montierte Verkabelung bleiben Implementierungen sauber und wartungsfreundlich für einfache Erweiterungen oder Aktualisierungen. Durch die integrierte Ethernet-Konnektivität können verschiedene Topologien implementiert werden, um ein einfaches, kostengünstiges und effektives distribuiertes Sensorarray zu schaffen. 

Beispiel Fertigungshalle und distribuierte Robotersensoren: 
Man könnte sich beispielsweise ein zentrales Computersystem als Master vorstellen, das über einen Ethernet-Switch mit seriellen Konsolenservern verbunden ist. Dadurch wird die Hochgeschwindigkeitsbandbreite für jede Zone bereitgestellt, wobei die Konsolensteuerung als Verbindung zu den einzelnen Sensoren fungiert. 

In Abbildung 2 wird in einer Beispieltopologie eine redundante Kontrollverbindung über Ethernet-Switches mit höherer Geschwindigkeit für die Weiterleitung an lokalisierte Zonen verwendet. Jede lokalisierte Zone kann die Vorteile der seriellen Konsolenserver nutzen, um direkte Verbindungen zu jedem Sensor, HF-Link oder Aktor herzustellen, an dem sich die Roboter vorbeibewegen. 

Eine entfernte oder redundante Verbindung kann als Backup, Watchdog oder Failsafe eingerichtet werden, selbst wenn ein Fehler in der primären Steuerung auftritt. Dies kann ein lokaler redundanter Controller oder ein ferngesteuertes oder cloudbasiertes Überwachungs- und Steuerungssystem sein.
 

Abbildung 2: Beispieltopologie (Quelle: Mouser Electronics)

Schlussfolgerungen

Die Kombination von eingebetteten und verteilten Sensoren in der Umgebung eines Roboters kann der sicherste und zuverlässigste Weg sein, eine Fertigungs- oder Industrieumgebung zu implementieren, die die Automatisierung auf die nächste Stufe hebt. Es können Zonen eingerichtet und redundante Sicherheitsmechanismen überwacht werden, um sicherzustellen, dass alle Systeme korrekt funktionieren. 

Serielle Schnittstellen sind nach wie vor die kostengünstigste Methode, um Sensoren und Aktoren zu distribuieren.
Praktisch jeder Mikrocontroller verfügt über eine UART-basierte Kommunikation, und OEM- und selbst entwickelte Sensoren lassen sich leicht in diese Art von Netzwerken integrieren. Dies ermöglicht es zudem, die Roboter rationalisierter und weniger kompliziert zu machen, da viele ihrer Aufgaben an eine intelligentere Anlage ausgelagert werden können.