Robust firbent robot med tre hjerner

Av Péter Fankhauser, ANYbotics og Zeljko Loncaric, congatec

ANYbotics leverer løsninger for robotapplikasjoner med de mest avanserte krav til mobilitet og autonomi i utfordrende terreng. Den massive innvevde dataytelsen for nøkkeloppgavene – situasjonsforståelse, bevegelseskontroll og oppdragsgjennomføring – leveres av tre COM Express datamaskinmoduler (Computer-on-Modules) fra congatec.

Fra stasjonær til mobil

Takket være fremskrittene innen datamaskinbasert intelligens og sensorteknologi, er tidligere stasjonære roboter som ikke er klar over omgivelsene sine, i ferd med å utvikle seg til smarte autonome mobile roboter. Dette vil ikke bare bidra til å avlaste mennesker fra potensielt farlige oppgaver, men også til å optimalisere repeterende oppgaver i virkelige miljøer fra et økonomisk synspunkt. Slike roboter kan autonomt utføre mange jobber som tidligere krevde menneskelig arbeidskraft, og utvider listen over mulige oppgaver betydelig.

Stor vekst

Med et slikt perspektiv er det ikke overraskende at robotapplikasjoner er et blomstrende marked. Det samlede globale smartrobotmarkedet forventes å vokse med en CAGR på 23% . Likevel varierer veksten avhengig av det spesifikke undersegmentet av robotmarkedet. Markedet for autonome leveringsroboter forventes for eksempel å registrere en CAGR på over 49.5% i løpet av de neste 5 årene, mens markedet for landbruksroboter er spådd å vokse med en CAGR på 22.8% i samme periode.

Roboter i flere markeder

Det globale markedet for sivile autonome mobile roboter, inkludert ubemannede luftfartøy (UAV), ubemannede bakkekjøretøy (UGV) og ubemannede maritime fartøy (UMV) har allerede modnet og forventes derfor å vokse noe langsommere, men fortsatt i en ganske attraktiv hastighet på 15.9% fra 2019 til 2025. Sluttbrukere av slike roboter kan finnes i markeder som energi, prosess, logistikk, transport, produksjon i samarbeidsmiljøer, landbruk og gruvedrift, og mange flere. Med sin firbeinte ANYmal C-robot rettet mot de mest avanserte mobilitets- og autonomikrav i utfordrende terreng, er ANYbotics en av utviklerne som sikter seg inn mot disse markedene.

Autonomi

Det som skiller den autonome mobile roboten ANYmal C fra andre smarte roboter er at den utfører oppgaver med høy grad av autonomi i dynamiske menneskelige miljøer, ikke bare i høyt definerte settinger som automatiserte varehus eller fabrikkproduksjonsceller. Roboten reagerer på bevegelige eller uventede hindringer samt på skiftende miljøforhold (lys, regn, snø osv.). Videre antar den en problemløsende atferd uten ekstern veiledning, eller en enkel stopp for å unngå skader. I stedet må autonome mobile roboter planlegge en alternativ optimal rute til det angitte målstedet og fullføre oppdraget sitt.

Mange sensorer

For å kunne navigere trygt og pålitelig gjennom industrianlegg, trenger autonome robotsystemer (ARS) et bredt spekter av sensorer for å samle inn og tolke utstyr og miljødata. Det endelige målet er at disse ARS oppfyller komplekse oppgaver akkurat som dyktige menneskelige arbeidere, ved å utnytte den mest avanserte mobiliteten og autonomien i utfordrende terreng som store indu- strianlegg og byggeplasser. Dette er den eneste måten de kan avlaste sine menneskelige medarbeidere fra eksponering for potensielt farlige miljøer og for å optimalisere presisjonen og påliteligheten for datainnsamling.

SLAM i komplekse miljø

For å få omfattende situasjonsdata, må ARS være fullpakket med ulike persepsjonssensorer som muliggjør sikker drift. Denne simultane lokaliseringen og kartleggingen (SLAM) må fungere selv i komplekse og dynamiske miljøer. I sin ANYmal C-robot bruker ANYbotics et bredt spekter av sensorer for navigasjon og stiplanlegging. For hindringsdeteksjon og terrenginformasjon er ARS utstyrt med stereoskopiske optiske kameraer på alle sider for å gi et 360-graders synsfelt med dybdeinformasjon. Et sofistikert lysdeteksjons- og avstandssystem (LIDAR) gir ytterligere miljødata for navigering med en rekkevidde på opptil 100 meter. For fjernoperasjon så vel som en innlæringsmodus for dedikerte baner, er ANYmal C utstyrt med to vidvinkelkameraer foran og bak for å gi operatøren fri sikt. For utendørs bruk kan ANYmal C i tillegg utstyres med en mottaker for globale satellittnavigasjonssystemer som GPS.

Bevegelsesstyring

Men situasjonsforståelse for lokalisering og kartlegging er bare en del av oppgaven for å få den autonome firbente roboten i bevegelse. En annen svært viktig funksjon er sanntidsstyring av det avanserte bevegelsessystemet som muliggjør omnidireksjonell bevegelse og lar ANYmal C overvinne opptil 25 cm høye trinn, klatre industrielle trapper opp til 45° og krype inn i rom som er trangere enn 50 cm.

Nyttelast

Foruten navigasjons- og bevegelsesoppgaver, må ANYmal C også oppfylle sitt oppdrag, og for det formålet kan den fritt konfigureres med en sensornyttelast på opptil 10 kg og fungere autonomt i 2 til 3 timer. Den første applikasjonsspesifikke utformingen av ANYmal C er optimalisert for inspeksjonsoppgaver på innen- og utendørs industrianlegg og andre krevende miljøer. For dette er roboten utstyrt med en pan-tilt inspeksjonsenhet som består av et optisk zoomkamera, for å lese målinger fra analoge følere og målere samt sjekke ventiler. Dette er ledsaget av et termisk kamera, for å sjekke maskiner og annet utstyr for uønsket overskuddsvarme eller termiske anomalier. For gasslekkasjedeteksjon er ANYmal C utstyrt med gassensorer, mens en ultralydmikrofon for akustisk inspeksjon hjelper til med å identifisere maskinavvik på et tidlig stadium.

Modulbasert

For å utføre alle tre oppgavene parallelt med høyeste pålitelighet og full ytelse, utnytter ANYbotics et modulært design som er basert på to Intel i7 hexa-core og en Intel i7 dual-core prosessor med virtualisering for ytterligere å separere de forskjellige deloppgavene på enkeltkjerner. Disse prosessorene gir datakraften for avansert bevegelsesstyring, sanntidskartlegging og autonom navigasjon, og de avanserte kundeapplikasjonene ombord. Dette fleksible designet gjør det mulig å balansere pris og ytelse for hver oppgave, og fungerer som grunnlag for eventuelle fremtidige ytelsesoppgraderinger. Alle funksjonene er innkapslet i et brukervennlig, robust og fullstendig vann- og støvtett IP67-design. Dette banebrytende designet kvalifiserer også ANYmal C for mange andre oppgaver, inkludert søk og redning (SAR), sikkerhetskontroller, redning etter jordskjelv, eller rett og slett pakkelevering.

Masse datakraft

For å skape nok datakraft, utnyttet ANYbotics COM Express datamaskinmoduler (Computer-on-Modules – COM) fra congatec. Datamaskinmoduler nyter stor popularitet for slike innvevde systemdesign fordi de tilbyr bruksklare, standardiserte plattformer som er enkle å integrere og som inkluderer alle nødvendige drivere og fastvare. Disse modulene kombinerer alle viktige byggeklosser som CPU, RAM, høyhastighets grensesnitt og ofte også grafikkenheten i én enkelt og validert pakke. En annen fordel er det faktum at COMs med samme formfaktor og standard er skalerbare, både på tvers av prosessorgenerasjoner og produsenter. Dette gir OEM-er full fleksibilitet når de skalerer og oppgraderer sine løsninger med den nyeste prosessorteknologien, selv etter flere år. Kunden kan konsentrere all tid og ressurser på å designe bærekortet og sørge for at alle funksjoner og grensesnitt passer nøyaktig til applikasjonen uten å måtte ta seg av det komplekse prosessordesignet.

Pass på tjenesteoppfølging

Selv om standardiserte COM Express-moduler lett kan byttes ut, kan tjenestene og kvaliteten som tilbys av modulleverandører variere betydelig. OEM-er bør se etter den optimale totalkostnaden for eierskap (TCO). Foruten selve modulprisen, er det mange andre aspekter som spiller en rolle i dette. For det første bør designkvaliteten kontrolleres for å sikre at modulen tilbyr høy termisk, mekanisk og elektrisk motstand. Pålitelige leverandører av innvevde systemer kan legge frem omfattende testdokumentasjon for å bevise et kompatibelt design. For det andre bør modulene leveres med en omfattende kortstøttepakke for all nødvendig maskinvare-nær programvare for å forenkle OS og programvareintegrasjon.

Kort og lang sikt

Den langsiktige tilgjengeligheten av individuelle moduler er en annen nøkkelfaktor for å redusere TCO på lang sikt. Sist, men ikke minst, er designtjenesten som tilbys av den innvevd-leverandøren en viktig faktor. Selv om datamaskinmoduler er applikasjonsklare komponenter og alle funksjonene ovenfor er en del av tilbudet, krever design og utvikling tett samarbeid mellom leverandør og OEM. Det er her spesialiserte distributører og teknologipartnere kommer inn i bildet, og gir omfattende og individuell design-in-service og teknisk støtte for å hjelpe OEM-er med å bringe løsningen deres til markedet så raskt som mulig.

Partner

Det sveitsiske selskapet Fabrimex Systems er en autorisert salgspartner for congatec, der begge kan se tilbake på 7 år med vellykket samarbeid. Fabrimex Systems tilbyr alle congatec-produkter og legger til sin tekniske ekspertise og tilbyr tilleggskomponenter, ingeniørtjenester og tilpassede produkter på systemnivå. Og i denne forbindelse ga ANYbotics Fabrimex Systems og congatec toppkarakterer ettersom "samarbeidet var utmerket, pålitelig og mye moro". Kunden satte pris på den lokale støtten og tjenesten levert av Fabrimex Systems og congatecs produktportefølje inkludert omfattende programvareverktøy, teknisk dokumentasjon og et bredt linjekort som tilbyr en 10-15 års produktlivssyklus med en konsekvent oppgraderingsvei for datamaskinmoduler og ettkorts datamaskiner for fremtidig design og kompatible oppgraderinger.

Artikkelen er også publisert i Elektronikk 12/2022. Dette er den komplette artikkelen.