Entwicklung und umfassende Lösungen für intelligente Roboter

Da sich die Industrie der Industrie 5.0 nähert—der nächsten Phase der Digitalisierung der Fertigung—wächst die Nachfrage nach verbesserter Mensch-Maschine-Interaktion und robotischen Funktionen. Die Anwendung von intelligenten Robotern reicht von Roboterarmen über rollende autonome Lieferroboter bis hin zu vollständig autonomen humanoiden Robotern, wobei die Entwicklungen allmählich reifen. Anders als traditionelle Industrieroboter nutzen intelligente Roboter eine Vielzahl von Sensoren, künstliche Intelligenz (AI) und fortschrittliche Algorithmen, um mit ihrer Umgebung zu interagieren, Hindernisse zu erkennen und mit Menschen und anderen Maschinen zusammenzuarbeiten.
 
Die Vorteile des Einsatzes autonomer Roboter umfassen eine gesteigerte Produktivität und Effizienz. Sie führen repetitive und/oder zeitaufwändige Aufgaben aus, sodass menschliche Mitarbeiter sich auf Tätigkeiten mit höherem Mehrwert konzentrieren können. Systeme mit leichterer Nutzlast können durch 12V-Batterien betrieben werden, während höhere Spannungen (wie 48V) genutzt werden können, um Betriebsströme zu reduzieren und somit Leitungskonfektion und Kosten zu senken.
 
Heute erlebt der globale Markt für intelligente Roboter dank Fortschritten in der künstlichen Intelligenz eine erhebliche Expansion. Dies ermöglicht den Bau raffinierterer autonomer Roboter, die nicht nur in Lagerhäusern, sondern auch im Freien und in weniger kontrollierten Umgebungen eingesetzt werden können. Autonome Roboter bieten Lösungen in verschiedenen Branchen wie E-commerce, Fertigung und Gesundheitswesen und können hochgradig individuell angepasst werden.

Sichere Batterieladeverwaltung und Spannungswandlungssysteme

onsemi hat eine umfassende Palette intelligenter und mobiler Robotiklösungen eingeführt, die speziell für Anwendungen in intelligenten Robotern entwickelt wurden. Diese Lösungen sind äußerst vielfältig, und im Folgenden werden die wichtigsten Produkte basierend auf Funktionsblöcken skizziert.
 
Zuerst sind Batterieladegeräte nicht Teil des Roboters selbst (extern) und beinhalten typischerweise die Umwandlung von einphasigem 120–230 V Wechselstrom zu 12–48 V Batteriestrom. Ladegeräte können drahtgebunden oder drahtlos sein. AC/DC-Ladegeräte bestehen in der Regel aus zwei Subsystemen: einer Power Factor Controller (PFC)-Stufe und einem Resonant (LLC)-Konverter.
 
Im Power Factor Controller ist der NCP1680 ein bridgeless Totem-Pole CrM (Critical Conduction Mode) PFC-Controller. Er unterstützt konstante Ein-Zeit-CrM und Talfrequenz-Synchronisations-Rückführung, die eine Effizienzoptimierung über den gesamten Lastbereich ermöglichen. Er verfügt über AC-Leitungsüberwachung, AC-Phasenerkennung, ein neuartiges Valley-Sense-Schema und Nullstromerkennung. Er eliminiert die Notwendigkeit für externe Komponenten wie einen Halleffekt-Sensor zur Zyklus-für-Zyklus-Strombegrenzung und ist für Leistungsstufen unter 350W geeignet. Ein weiterer Power Factor Controller, der NCP1681, ist ein bridgeless Totem-Pole Multi-Mode PFC-Controller. Er unterstützt festfrequente CCM (Continuous Conduction Mode), konstante Ein-Zeit-CrM und Talfrequenz-Rückführung. Mit proprietären Strom-Sense- und Valley-Sense-Schemas ist er für hohe Leistung geeignet und unterstützt Multi-Mode-Anwendungen bis zu 1kW und CCM-Anwendungen über 2,5kW.
 
Zusätzlich ist der Offline-Controller NCP4390 ein sekundärseitiger LLC-Resonanzkonverter mit synchroner Gleichrichtersteuerung, un in SOIC-16 verpackt. Er verfügt über eine synchronisierte Gleichrichtungssteuerung mit Doppelrand-Nachführung, unterstützt einen weiten Betriebsfrequenzbereich (39 kHz bis 690 kHz), verhindert nicht nullen-Spannungswechselfrequenz (NZP) durch Kompensationsrücknahme (Frequenzverschiebung) und ermöglicht programmierbare Totzeiten für Primär- und SR-Schalter.
 
Die Batterie-, Batteriemanagement- und Spannungswandlungssysteme bilden die Onboard-Komponenten des Roboters. Typischerweise verwenden mobile Roboter Lithium-Ionen oder Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4)-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer höheren Energiedichte häufiger anzutreffen. Andererseits sind LiFePO4-Batterien stabiler, weniger anfällig für Überhitzung und haben eine niedrigere Nennspannung. Die am häufigsten verwendeten Batteriesysteme sind 12–48V, die parallel geschaltet werden können, um die Leistung zu verbessern.
 
Eine typische 24V Batterie hat eine Kapazität von etwa 50Ah und wiegt ungefähr 10kg. Der Energiestrang liefert alle Logik- und Niederspannungs-Schienen im System. In der Regel ist keine Isolation erforderlich (Batteriespannung liegt unter 50V) und er arbeitet mit Low Dropout Regulators (LDOs), um mehrere parallele Buck-Konverter zu implementieren.
 
onsemis FAN65008B-Konverter ist ein synchroner Abwärtsregler, der Hoch- und Tiefseiten-Leistungs-MOSFETs und einen spannungsfesten PWM-Controller mit fester Frequenz integriert. Er bietet einen breiten Spannungsumwandlungsbereich mit einer Effizienz von über 95% bei Ausgangsströmen über 2A. Er unterstützt einen weiten Eingangsspannungsbereich von 4,5V bis 65V und liefert einen kontinuierlichen Ausgangsstrom von 10A. Darüber hinaus unterstützt er programmierbare Schaltfrequenzen von 100kHz bis 1MHz und enthält Funktionen wie Thermoabschaltung, UVLO, Überlast- und Kurzschlussschutz.

Erweiterte Kommunikations- und Schutzfunktionen für AMR/AGV

Alle Bausteine in AMR/AGV-Systemen müssen miteinander kommunizieren. Derzeit sind viele Kommunikationsmethoden verfügbar. Traditionell wurden CAN, LIN, RS-485, RS232 und andere Methoden verwendet. Allerdings können all diese Kommunikationsmethoden jetzt durch 10Base-T1S ersetzt werden, was es mehreren PHYs ermöglicht, sich mit einem gemeinsamen Bus nur mithilfe eines verdrillten Paares zu verbinden. Dies reduziert die Anzahl der benötigten Switch-Ports und beseitigt die Notwendigkeit für Gateways. 10BASE-T1S benötigt nur ein ungeschirmtes verdrilltes Paar (UTP), was die Verkabelungskosten erheblich senkt.
 
Der Ethernet-Controller NCN26010 von onsemi ist ein industrieller Ethernet MAC+PHY IC-Controller mit 10 Mb/s, der 10BASE-T1S unterstützt und dem IEEE 802.3cg-Standard entspricht. Er integriert einen MAC und 10BASE-T1S PHY und unterstützt den PLCA-Burst-Modus. Wenn ein Knoten mehr Daten senden muss als alle anderen Knoten, ermöglicht er jeder PLCA-Transferchance, mehr Frames zu senden. Er unterstützt mehr als acht Knoten über 25 m UTP-Kabel, bietet verbesserte Rauschimmunität, enthält eine weltweit eindeutige MAC-Adresse und ist in einem 32-Pin-QFN-Gehäuse erhältlich.
 
Im Hinblick auf den intelligenten Schutz steigern Technologien wie eFuse und SmartFET die Effizienz und Zuverlässigkeit, während sie die Ausfallzeiten von Robotern reduzieren. eFuse ist eine selbstgeschützte, rückstellbare elektronische Sicherung, die üblicherweise zur Überwachung von Eingangs-/Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Temperatur verwendet wird. Die eFuse verhindert Überstrom, Überspannung und hohe Temperaturen und schützt nachgeschaltete Komponenten, Anschlüsse und PCB-Leiterbahnen vor Schäden. Sie kann in Hot-Plug-Szenarien und Situationen eingesetzt werden, die eine Begrenzung des Einschaltstroms erfordern. SmartFET ist geeignet, um Niederspannungs-Versorgungsschienen (z.B. 12V) zu schützen, indem es Kurzschlussschutz, Einschaltstrombehandlung, thermische Abschaltung mit automatischem Neustart zur Vermeidung hoher Temperaturen bietet. Es umfasst auch Überspannungsschutz.
 
Onsemis aktuelle Schutzlösung, der NIS3071, ist eine vierkanalige eFuse, die vier unabhängige Kanäle unterstützt, jeweils bis zu 2,5A und 60V. Sie ist hoch skalierbar, mit kombinierbaren Ausgängen, um den Stromgrenzwert auf 10A zu erhöhen. Sie unterstützt thermalen Schutz pro Kanal, digitale Freigabe, gemeinsame Fehlpinnenn, einstellbare Einschaltzeitsteuerung und einstellbare Überstrombegrenzung.
 
Der geschützte MOSFET, NCV84045, ist ein vollständig geschützter Single-Channel-High-Side-Treiber mit erweiterten Schutzfunktionen. Er unterstützt CMOS-kompatible Steuereingänge, liefert Ausgangsströme bis zu 32A und hat einen extrem niedrigen typischen RDS(ON) von 50mΩ. Er bietet diagnostisches Feedback mit Stromsense-Ausgang, integrierte Klemme für induktives Schalten, Schutz vor Verlust der Masse und Verlust der VD sowie ESD-Schutz und Kurzschlussschutz.

Komplette Lösungen für Motorsteuerung und Positionssensorik

Die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) dient als das "Gehirn" des gesamten Systems, verwaltet alle internen Systemkommunikationen und Interaktionen mit der Außenwelt. Abhängig von der Komplexität des Systems muss sie über ausreichende Rechenkapazität verfügen. Außerdem benötigen intelligente Roboter Unterstützung für Simultaneous Localization and Mapping (SLAM), eine Methode zur Erstellung von Karten unbekannter Umgebungen. Mobile Roboter verwenden SLAM-Algorithmen, um sich autonom in ihrer Umgebung zu bewegen. Andererseits werden Bewegungs- und Aktuatorsteuerung zur Steuerung der Räder verwendet, die den Roboter bewegen. Roboter können auch Roboterarme oder Hebemechanismen verwenden, um Lasten zu handhaben. Alle diese Funktionen basieren typischerweise auf bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), die ausgeklügelte Algorithmen für eine präzise Steuerung erfordern.
 
Der onsemi Gate-Treiber NCD83591 ist ein dreiphasiger Gate-Treiber, ideal für industrielle Anwendungen. Er unterstützt einen Betriebsspannungsbereich von 5-60V und liefert bis zu 250mA konstante FET-Stromsteuerung. Er kann Motor-PWM bis zu 30kHz ausführen und verfügt über einen individuellen Sechs-Gate-Steuermodus. Er integriert Schutzfunktionen wie UVLO, HBM und CDM ESD, internen Gate-Pull-Down bei Stromausfall und mehr und wird in einem 28-poligen QFN-Gehäuse geliefert.
 
Der MOSFET NTMJST2D6N08H bietet 2,8mΩ RDS(ON) und 80V VDS, mit niedriger Kapazität und Gate-Ladung zur Reduzierung der Schaltverluste. Er wird in einem TCPAK57-Gehäuse geliefert, das Wärme von oben abführt, die PCB-Temperaturen senkt und die Nutzbarkeit der PCB verbessert.
 
Der MOSFET NTMFS0D4N04XM ist ein Spitzenklasse 40V MOSFET aus der T10M-Familie, entworfen für BLDC-Motorantriebe. Er unterstützt 0,42mΩ RDS(ON) zur Minimierung der Leitungsverluste und wird in einem 5mm x 6mm Gehäuse geliefert. Er verfügt über hervorragende weiche Rückgewinnungsmerkmale, und seine niedrigen Spannungsspitzen reduzieren Stress und EMI-Probleme.
 
Induktive Positionssensoren messen die Rotation von Rädern oder anderen beweglichen Teilen, um ihre Position und Orientierung in der Umgebung genau zu verfolgen. Sie können Teil der elektronischen Kommutation für BLDC-Steuerung sein. Induktive Encoder bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen optischen oder magnetischen Sensoren, sind robust, leicht, erfordern wenige Komponenten und sind resistent gegen Vibrationen oder Verschmutzungen.
 
Die induktive Erfassungslösung NCS32100 ist ein kontaktloses Sensorsystem, das aus zwei PCBs besteht: einem Rotor mit zwei gedruckten Induktivitäten (keine gelöteten Komponenten) und einem Stator mit gedruckten Induktivitäten und einem Encoder-IC. Im Vergleich zu herkömmlichen optischen Encoderlösungen, die über 100 Komponenten benötigen können, um zu funktionieren, erfordert der NCS32100 nur 12 Komponenten, um minimale funktionale Systeme zu erreichen.
 
Der onsemi NCS32100 berechnet Position und Geschwindigkeit und verfügt über einen absoluten Encoder, der seine Position ohne Bewegung bestimmen kann. Er unterstützt volle Genauigkeit bei 6.000 U/min (bis zu 45.000 U/min). Ein 38mm-Sensor bietet eine Genauigkeit von ±50 Bogensekunden (0,0138 Grad) oder höher. Er kann Vibrationen, die durch Rotationsbewegungen verursacht werden, unterscheiden und ablehnen, unterstützt 20-Bit-Einzel-Umdrehungs- und 24-Bit-Mehrfach-Umdrehungsauflösungsausgänge, integriert einen CortexM0+ MCU und ist hoch konfigurierbar. Er ist eine kostengünstigere Alternative zu verschiedenen optischen Encodern, mit einer Selbstkalibrierungsfunktion, die über einen einzigen Befehl ausgeführt werden kann.

Erweiterte Beleuchtungs-, Sensor- und drahtlose Lösungen

Der Roboter kann mit LED-Leuchten ausgestattet werden, um ihre Anwesenheit für Menschen und andere Roboter anzuzeigen. Im Vergleich zu älteren Lichtquellen sind LEDs effizienter, leichter und haben eine längere Lebensdauer. Abhängig von der Lichtfarbe können Roboter Richtungen anzeigen, Statussignale geben und mehr. Basierend auf der erforderlichen Leistung und Anwendung bietet onsemi eine Vielzahl von LED-Treibern und Steuerungen an.
 
Der lineare LED-Treiber NCV7685 ist ein 12-Kanal-LED-linearer Stromtreiber mit I2C-Unterstützung, der in der Lage ist, 12 parallele Konstantstromkanäle zu treiben, die jeweils 60mA Sinkenstrom liefern. Er unterstützt 128 Stufen des Duty Cycle, wobei jeder Kanal unabhängig kontrolliert wird. Er bietet erweiterte Diagnoseoptionen und entspricht dem AEC-Q100-Standard.
 
Um wirklich autonome, intelligente robotische Systeme zu ermöglichen, die nicht auf einen festen Weg angewiesen sind (wie bei AGVs erforderlich), muss das System Kollisionen mit Hindernissen oder anderen Robotern verhindern und, am wichtigsten, Kollisionen mit Menschen vermeiden. Tiefenmessung kann mit verschiedenen Sensoren wie LiDAR, Bildgebung, Radar und Ultraschall erreicht werden, die jeweils ihre Stärken und Schwächen haben.
 
Die Kombination von Daten aus mehreren Sensormodalitäten wird als Sensorfusion bezeichnet. Sensorfusion nutzt die Stärken aller Sensoren, da keine einzelne Sensortechnologie unter allen Bedingungen zuverlässige Informationen liefern kann. Mehrere operative Sensoren können zusammenarbeiten, um einen zuverlässigeren Datensatz bereitzustellen.
 
Das Silizium-Photomultiplikatoren-Array RDM-0112A20 von onsemi ist eine NIR-verstärkte SiPM für LiDAR-Anwendungen. Es verfügt über ein 12-SiPM-Pixel-Array mit einer gemeinsamen Anode, keinen schnellen Ausgang, eine aktive Mikrozellfläche von 20x20 µm und eine Photonendetektionseffizienz (PDE) von 16% bei 905nm. Die Mikrolinsentechnologie ermöglicht maximale optische Effizienz mit einem empfohlenen Vop von 30V.
 
Die Silizium-Photomultiplikatoren MicroFC-100 ist eine 1x1 mm SiPM geeignet für Single-Point oder 2D LiDAR. Sie unterstützt Standard- und Schnell-Ausgang und bietet die höchste Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich. Abhängig von der Mikrozellengröße hat sie eine PDE von mehr als 18% bei 420nm, mit einem empfohlenen Vop von 25,2V, und wird in Mikrozellengrößen von 10, 20 oder 35 µm angeboten.
 
Optische Sensoren können für die Tiefenmessung, Orientierungserkennung oder zur Bereitstellung zusätzlicher Funktionen für Roboter verwendet werden, wie Inspektion oder Bilderkennung. Verschiedene Subsysteme in Robotern können mehrere Bildsensoren (IS) und IS-Prozessoren enthalten. Diese sind die einzigen Sensorlösungen, die in der Lage sind, Farben zu erkennen. Mit optischen Sensoren kann das System Hindernisse erkennen, die Sicherheit verbessern oder Informationen (z.B. Barcodedaten) auslesen.
 
Der Bildsensor AR0234 von onsemi ist ein 1/2,6” 2,3Mp CMOS-Digitalbildsensor mit einem aktiven Pixelarray von 1920x1200. Er verfügt über branchenführende Global-Shutter-Effizienz, ausgezeichnete Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen und Infrarotleistung und unterstützt automatische Belichtung, Fensterung und Zeilen-/Spaltüberspring-Modi.
 
Der AR0822 ist ein 1/1,8” 8Mp CMOS-Digitalbildsensor mit einem 3840x2160 aktiven Pixelarray. Er unterstützt Rolling Shutter, onboard eHDR, hohe Empfindlichkeit, geringes Ausleserauschen, intelligente Linearisation zur Minderung von Bewegungsartefakten und LED-Flimmern sowie verbesserte NIR-Reaktion.
 
Drahtlose Konnektivitätssysteme können verwendet werden, um Sensordaten zu sammeln, Überwachung und Lokalisierung im Rahmen von SLAM-Algorithmen durchzuführen. Bluetooth® Angle of Departure (AoD) ist ein Indoor-Positionierungssystem, das ähnlich wie GPS im Freien funktioniert. Im AoD-Verfahren verwendet das Sendegerät mehrere in einem Array angeordnete Antennen, um ein 250-kHz-Signal zu senden. Das Empfangsgerät hat eine Antenne und sammelt Daten, während das Signal vom Sendegerät durch sie hindurchgeht, was die Berechnung der Richtung des Signals ermöglicht.
 
Der Bluetooth Low Energy RSL15 von onsemi ist eine drahtlose Mikrocontroller-Einheit (MCU), die die Bluetooth 5.2-Technologie und einen sicheren Arm® Cortex®-M33-Prozessor übernimmt. Mit integriertem Energiemanagement, flexiblen GPIO- und Taktungsschemata sowie einer großen Versorgungsspannungsbereich bietet das Gerät maximale Designflexibilität für Anwendungen mit hoher Leistung und extrem niedrigem Energieverbrauch. Es optimiert die Energieeffizienz, minimiert die Batterieentladung, reduziert die Akkugröße und verlängert die Lebensdauer von batteriebetriebenen Sensoren. Ausgestattet mit einem branchenführenden leistungsstarken Mikrocontroller mit extrem niedrigem Energieverbrauch und einem leicht zu verwendenden SDK ist es die sicherste Bluetooth® Low Energy MCU mit dem geringsten Stromverbrauch in der Branche.

Fazit

Die Entwicklung intelligenter Roboter schreitet in einem noch nie dagewesenen Tempo voran. Von der industriellen Produktion über Haushaltsdienste bis hin zu medizinischen und Bildungsbereichen werden die Anwendungsszenarien der Robotiktechnologie immer vielfältiger. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt in den Bereichen künstliche Intelligenz, Internet der Dinge und Sensortechnologien werden intelligente Roboter nicht nur effizienter, präziser und vielseitiger, sondern passen sich auch besser den menschlichen Bedürfnissen an. onsemi bietet eine umfassende Palette von Produktlösungen, um die Entwicklung intelligenter Roboter zu beschleunigen und hilft damit, eine effizientere, bequemere und intelligentere Zukunft zu gestalten.