Aktordesign und Edge-KI Verbesserte Bewegungsqualität für humanoide Roboter

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Breitbandige Motorregelung, GaN-Leistungsstufen und Edge-KI verbessern die Bewegungsqualität humanoider Roboter – trotz begrenztem Bauraum und im Rahmen wachsender Safety-Anforderungen.

Anders als in Branchen mit etablierten Architekturen und Schnittstellen verlangt das Design eines humanoiden Roboters (Bild 1) abhängig von den Anforderungen, Abmessungen und Performance-Vorgaben der jeweiligen Anwendung nach unterschiedlichen Ansätzen. Angesichts der Vielfalt der Designkonzepte müssen OEMs und Systemintegratoren verschiedene Strategien ausloten, um den Platzbedarf zu reduzieren und die Effizienz und Leistungsfähigkeit zu verbessern. Dies wiederum kann die Komplexität des Designs erheblich erhöhen und die Entwicklungszeit entsprechend verlängern.

In diesem Beitrag geht es darum, wie Fortschritte im Bereich der breitbandigen Motorregelungen, der Galliumnitrid-Leistungsstufen und der Edge-KI die Fähigkeiten der Aktoren verbessern, indem sie für Flexibilität sorgen, ohne dass auf branchenweit gültige Standards zurückgegriffen werden kann. Platzrestriktionen und Functional-Safety-Aspekte sind zwei weitere Themen, auf die kurz eingegangen wird.

Breitbandigere Motorregelungen

Die Bewegungen humanoider Roboter können rasch instabil, ineffizient und unsicher werden, wenn Position, Drehzahl und Drehmoment nicht präzise und reaktionsschnell geregelt werden. Breitbandige Motorregelungen helfen bei der Umsetzung gleichmäßiger, menschenähnlicher Bewegungen, indem sie den Algorithmen, die von der Motorregelung und den eingebetteten Prozessoren ausgeführt werden, die Möglichkeit geben, das Verhalten der Aktoren fortlaufend an wechselnde Belastungen und externe Kräfte anzupassen.

Für die Realisierung einer breitbandigen Motorregelung sind Mikrocontroller (MCUs) erforderlich, die wie etwa die MCUs der C2000-Serie für Echtzeitregelungen ausgelegt sind. Diese Bausteine unterstützen die schnelle Verarbeitung von Strom-, Drehzahl- und Positionsregelschleifen mit geringer, deterministischer Latenz.

Um die Leistungsfähigkeit des humanoiden Bewegungssystems zu optimieren, bedarf es großer Regelungsbandbreiten wie zum Beispiel:

• Stromregelungs-Bandbreite über 5 kHz für eine reaktionsschnelle Drehmomentregelung;

• Drehzahlregelungs-Bandbreite über 1 kHz im Interesse gleichmäßiger Bewegungsprofile; oder

• Positionsregelungs-Bandbreite über 1 kHz zur präzisen Positionierung von Gelenken.

Das Erreichen dieser Bandbreiten erfordert es ebenfalls, dass das Netzwerk die von der MCU kommenden Positions- und Drehzahlvorgaben mit minimaler, deterministischer Latenz überträgt. EtherCAT unterstützt Bewegungs-Updateraten zwischen 4 und 32 kHz und eine Übertragungsbandbreite von 100 MBit/s, sodass die Sollwertübertragung mit den Bandbreiten der inneren Regelschleifen schritthalten kann, nach denen Echtzeit-MCUs verlangen – und dies für alle Gelenke gleichzeitig und ohne Performance-Einbrüche, wenn weitere Gelenke hinzukommen.

Effizienz und thermische Eigenschaften des Gesamtsystems

Wenn die Regelungsbandbreite über mehrere Gelenke hinweg gesteigert wird, nehmen die Verlustleistung und die Entwärmungs-Anforderungen zu, sodass der Wirkungsgrad zu einem wichtigen Designkriterium wird. Schließlich können humanoide Roboter Dutzende von gleichzeitig aktiven Aktoren enthalten, sodass sich selbst geringfügige Effizienzmängel in den einzelnen Gelenken rasch aufsummieren und zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung führen können, was die Betriebszeit begrenzt und die Leistungsfähigkeit einschränkt.

Wenn es gelingt, die Antriebseffizienz durch fortschrittliche Power-Technologien wie GaN zu verbessern, kommt dies dem Wirkungsgrad und damit auch den thermischen Eigenschaften zugute. GaN-Leistungsstufen können Wirkungsgrade von über 99 % erreichen, während es bei siliziumbasierten Designs nur 95 % sind. Dies bedeutet eine signifikante Verbesserung für die Leistungsdichte und das Wärmemanagement. Entwickler können mithilfe von GaN Schaltfrequenzen von über 100 kHz implementieren, sodass kleinere passive Bauelemente verwendet werden können, während das EMI-Niveau gering bleibt.

Bei der Entwicklung von Systemen für humanoide Roboter sollten Designer auf der Aktorebene eine Leistungsdichte von mehr als 5 W/cm³ anstreben, und die Dauerleistung sollte gemäß den Anforderungen des jeweiligen Gelenks skaliert werden. Während Fingergelenke zwischen 5 und 20 W angesiedelt sein dürften, sind es bei Schulter- und Ellenbogengelenken typisch zwischen 100 und 750 W Dauerleistung. Halbbrücken-Leistungsstufen auf GaN-Basis mit integrierten Treibern helfen bei der Umsetzung dieser hohen Leistungsdichten.

Das thermische Verhalten lässt sich auch durch Systemintegration beeinflussen. Unter anderem macht es die Integration von Regelung, Sensorik und Power-Management möglich, die Gesamteffizienz auf der Gelenkebene zu steigern, was angesichts der wachsenden Komplexität humanoider Roboter immer wichtiger wird.

Verbesserungen durch Edge-KI

Edge-KI spielt auf der Aktorebene eine wichtige, wenn auch nur unterstützende Rolle, indem sie die Abläufe auf der Gelenkebene überwacht und schützt. Durch Analyse von Strom, Drehmoment und Last kann KI frühzeitige Anzeichen für Verschleiß und anormales Verhalten erkennen. Bei dieser vorausschauenden Instandhaltung werden potenzielle Ausfälle identifiziert, noch bevor sie sich nachteilig auf den Systembetrieb auswirken können.

Der Einsatz von Edge-KI im Aktor verlangt nach schlanken Neural-Network-Architekturen, um den Restriktionen gerecht zu werden, denen Echtzeit-MCUs in Sachen Rechenleistung, Speicherkapazität und Latenz unterliegen. In Bewegungssystemen werden Rückmeldesignale wie etwa Phasenstrom, Busspannung, Position und Drehzahl durch ein Edge-KI-Modell ausgewertet, um Probleme auf Systemebene zu detektieren, damit frühzeitige Anzeichen für Motorausfälle oder für Verschleiß in Lagern oder Reduziergetrieben detektiert werden können. Die im Zuge der Systemüberwachung erfassten Daten lassen sich zudem per Machine Learning zur Feinabstimmung von Regelungs- und Diagnoseparametern nutzen. Dies trägt dazu bei, die dynamische Performance und Konsistenz zu wahren – ungeachtet von Verschleiß, Drift und wechselnden Betriebsbedingungen, was bei zunehmender Alterung der Bauteile wichtig ist.

Edge-KI unterstützt außerdem lokale Schutzfunktionen. Durch Echtzeit-Abschätzung der Drehmoment- und Lastbedingungen können die Aktoren eines Roboters erkennen, wenn sie sich betrieblichen Grenzen nähern. Sie können daraufhin Abhilfemaßnahmen einleiten, indem sie beispielsweise die Ausgangsleistung limitieren, um Schäden zu verhindern. Diese Fähigkeiten kommen der Sicherheit der Interaktionen zwischen humanoiden Robotern und Menschen entgegen.

Implementierung eines kompakten Aktordesigns

Das begrenzte Platzangebot stellt eine weitere grundlegende Herausforderung dar, denn die Gelenke in humanoiden Robotern müssen trotz kleiner Abmessungen ein hohes Drehmoment liefern und schnell reagieren.

Um menschenähnliche Abmessungen einzuhalten, ist also eine hohe Leistungsdichte notwendig. Die ideale Konfiguration für das Ellenbogengelenk eines humanoiden Roboters erfordert beispielsweise einen Durchmesser zwischen 50 und 100 mm.

Dieser hohe Grad an Kompaktheit ist ohne Integration nicht umsetzbar. Aktordesigns müssen Logik, Sensorik und Kommunikation auf engstem Raum kombinieren und dennoch akzeptable thermische Eigenschaften bieten. Die Designentscheidungen variieren deshalb abhängig von der Funktion und Größe des jeweiligen Gelenks und dem verfügbaren Platz. Bild 2 zeigt exemplarisch eine kompakte Testplatine für das 48V/1kW-Motorregelungssystem eines Robotergelenks mit 70 mm Durchmesser.

Einhaltung der Functional-Safety-Vorgaben

Anders als bei Cobots und Industrierobotern gibt es derzeit noch keine festgelegten, speziell für humanoide Roboter geltenden Normen. Die Normungsorganisationen werden künftig jedoch sehr wahrscheinlich Sicherheits-Spezifikationen für humanoide Roboter entwickeln, wenn die Nachfrage auf dem Markt wächst und die Zahl der sinnvollen Anwendungsfälle steigt.

Bis zur Festlegung von Sicherheitsanforderungen sollten die Entwickler von humanoiden Robotern ihre aktuellen Designkonzepte gründlich untersuchen, um künftige Modifikationskosten zu senken. Normen wie etwa ISO13849 oder IEC 61508 bieten einen Ausblick auf potenzielle künftige Anforderungen.

Fazit: Integration und Sicherheit gemeinsam denken

Der effektive Umgang mit den soeben skizzierten Herausforderungen verlangt nach einer systematischen Vorgehensweise schon in einer frühen Phase des Designs. Dabei sollten rigorose Prüf- und Validierungsprotokolle einbezogen und sicherheitszertifizierte MCU-Plattformen wie die MCUs AM2612 und F28P650 von Texas Instruments zugrunde gelegt werden, um die Sicherheitsnormen für die Interaktion mit humanoiden Robotern zu erfüllen.

 (sg)

* Han Zhang ist Applications Manager im Team für anwendungsspezifische MCU-Lösungen zur industriellen Motorsteuerung bei TI und konzentriert sich auf Motorsteuerungslösungen für Haushaltsgeräte, Robotik und industrielle Automatisierungsanwendungen.

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