Kosteneffiziente Antriebsarchitektur für kollaborative Automatisierung
Creators: name: Schmidt, Tobias
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2024

description: Eine kollaborative Automatisierung für die industrielle Fertigung erfordert die direkte Zusammenarbeit von Mensch und Roboter bzw. intelligenter Maschine. Solche Fabriken nutzen autonome Systeme wie fahrerlose Transportfahrzeuge oder autonome mobile Roboter, um die Produktivität durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter zu steigern. Dieser menschenzentrierte Ansatz sieht einen Kontakt mit dem Menschen vor und darf keine Gefahr darstellen. Funktional sichere Antriebe spielen hierbei eine wichtige Rolle. Der klassische Ansatz, die Antriebselektronik durch eine interne sicherheitsbezogene Logik zu ergänzen, ist bei Antrieben kleiner Leistung nicht optimal. Dieser Ansatz benötigt zusätzlichen Platz im begrenzten Bauraum autonomer Fahrzeuge und ist teurer aufgrund der Zertifizierung sicherheitsrelevanter Komponenten. Zudem ist dieser dezentrale Ansatz nicht ideal für die zentrale sicherheitsbezogene Überwachung von Bewegungen im dreidimensionalen Raum für kollaborative Roboter. Diese Arbeit stellt eine kompakte, funktional sichere und kostengünstige Antriebarchitektur für kollaborative Automatisierung vor, bei der die Sicherheitsfunktionen redundant diversitär ausgeführt werden. Ein Kanal der Sicherheitsfunktionen ist in einem Mikrocontroller implementiert, der zweite in einem FPGA. Statt mit der üblichen Aktualisierungsrate von zehn Millisekunden werden sicherheitsbezogene Feldbusse zyklisch jede Millisekunde oder schneller abgearbeitet, um die erforderlichen schnellen Reaktionszeiten zu erreichen. Die Diagnose der antriebsinternen Sicherheitsfunktionen erfolgt in einer externen sicherheitsbezogenen Logik, weshalb eine Sicherheitszertifizierung des Antriebs nicht notwendig ist. Dadurch können Standardkomponenten verwendet werden, die die Kosten reduzieren und den Austausch von Komponenten vereinfacht. Gleichzeitig erfüllt das Antriebssystem die Anforderungen an eine hochdynamische Reglung für autonome Fahrzeuge nach dem Stand der Technik. Collaborative automation for industrial manufacturing requires direct interaction between humans and robots or intelligent machines. Such factories use autonomous systems such as automated guided vehicles or autonomous mobile robots to increase productivity through close collaboration between humans and robots. This human-centered approach implies that contact with humans is intended and must not cause any danger. Functionally safe drives are an important factor for collaborative automation. The common approach of expanding the drive electronics with drive-internal safety-related logic is not optimal for low-power drives. This approach requires additional space in the limited construction space of autonomous vehicles and is more expensive due to the certification of safety-related components. In addition, this decentralized approach is not ideal for safe motion in three-dimensional space for collaborative robots. This work presents a compact, functionally safe and cost-effective drive architecture for collaborative automation with redundant diverse implemented safety functions. One channel of the safety functions is implemented in a microcontroller, the second in an FPGA. Instead of the typical update rate of ten milliseconds, safety-related fieldbuses are processed cyclically every millisecond or faster to achieve a fast response time. The diagnostics of the drive's internal safety functions are performed in an external safety-related logic, so safety certification of the drive is not necessary. As a result, standard components can be used, making the approach not only more cost-effective, but also simplifying the replacement of components. In addition to the functional safety aspect, the performance requirements of the drive system are also considered and a highly dynamic, state-of-the-art control architecture for autonomous vehicles is used.