Inspektionsroboter mit drei Gehirnen und vier Beinen

Dank der Fortschritte im Bereich der computerbasierten Intelligenz und Sensortechnologie entwickeln sich bisher stationäre Roboter ohne Situationsbewusstsein hin zu intelligenten, autonomen und mobilen Robotern. Dies hilft nicht nur, Menschen potentiell gefährliche Arbeiten abzunehmen, sondern auch repetitive Aufgaben in realen Arbeitsumgebungen arbeitsökonomisch zu optimieren. Solche Roboter können viele Aufgaben autonom ausführen, für die bisher menschliche Arbeitskraft erforderlich war, und die Liste der möglichen Aufgaben deutlich erweitern.

Ein Modell, dessen erstes anwendungsspezifisches Design ihn als Inspektionsroboter qualifiziert, ist der Anymal C von Anybotics. Er soll seine Aufgaben mit einem hohen Autonomiegrad in dynamischen, für Menschen gemachten Umgebungen erfüllen, statt nur in streng definierten Bereichen, wie automatisierten Lagereinrichtungen oder Produktionszellen in Fabriken.

Autonome Inspektion

Der Inspektionsroboter reagiert auf sich bewegende oder unerwartete Hindernisse, aber auch auf sich verändernde Umweltbedingungen (Blitze, Regen, Schnee und ähnliches). Des Weiteren setzt er ein Problemlösungsverhalten, ohne dass er dafür externe Anweisungen benötigt oder einfach stoppt, um Unfälle zu vermeiden. Autonome mobile Roboter müssen hier eine alternative optimale Route zum vorgegebenen Zielort planen und ihre Mission erfolgreich abschließen.

Um sicher und zuverlässig durch Industrieanlagen zu navigieren, benötigen autonome Robotersysteme (ARS) wie ein solcher Inspektionsroboter eine große Bandbreite von Sensoren, um Geräte- und Umgebungsdaten zu erfassen und zu interpretieren. Letztlich sollen solche ARS komplexe Aufgaben genau so wie qualifizierte menschliche Arbeiter erfüllen können, weil sie über höchste Mobilität und Autonomie in anspruchsvollen Umgebungen wie großflächigen Industrieanlagen und Baustellen verfügen. Nur so können sie ihren menschlichen Kollegen Aufgaben wie die Inspektion in potenziell gefährlichen Umgebungen abnehmen und die Präzision und Zuverlässigkeit der Datenerfassung optimieren.

Um umfassende Daten zum Situationsbewusstsein zu erhalten, müssen ARS mit verschiedenen Perzeptions-Sensoren ausgestattet werden, die einen sicheren Betrieb ermöglichen. Diese simultane Lokalisierung und Kartierung (Simultaneous Localization And Mapping – SLAM) muss auch in komplexen und dynamischen Umgebungen funktionieren.

System mit umfassender Sensorik

Für den Anymal C setzt Hersteller Anybotics eine große Bandbreite von Sensoren zur Navigation und Wegplanung ein. Zur Erkennung von Hindernissen und Geländedaten ist das ARS auf allen Seiten mit stereoskopischen optischen Kameras ausgestattet, um ein 360-Grad-Sichtfeld mit Tiefeninformationen zu ermöglichen.

Ein "Light Detection and Ranging" (LIDAR)-System stellt zusätzliche Umgebungsdaten zur Navigation in einem Bereich von bis zu 100 Metern zur Verfügung. Für die Teleoperation sowie den Programmierungs-Betriebsmodus für festgelegte Laufwege ist der Inspektionsroboter mit zwei Weitwinkelkameras an der Vorder- und Rückseite ausgestattet, um dem Bediener ein klares Sichtfeld zu ermöglichen. Für den Einsatz in Außenbereichen kann er zusätzlich mit einem Empfänger für globale Navigationssatellitensysteme wie GPS ausgerüstet werden.

Situationsbewusstsein für die Lokalisierung und Kartierung ist jedoch nur ein Aspekt dessen, um den autonomen vierbeinigen Roboter in Bewegung zu bringen. Eine weitere, äußerst wichtige Funktion ist die Echtzeitsteuerung des fortschrittlichen Bewegungsapparats, der sogar omnidirektionale Bewegungen möglich macht und dem ARS so erlaubt, Stufen von bis zu 25 Zentimetern Höhe zu überwinden, Industrietreppen mit bis zu 45 Grad zu erklimmen und in Zwischenräume mit weniger als 50 Zentimeter Höhe zu kriechen.

Aktuelle Hauptaufgabe: Inspektion in Industrieanlagen

Neben den Navigations- und Bewegungsaufgaben muss der Anymal C auch seine jeweilige Hauptaufgabe erfüllen, wofür er mit einer Sensoren-Traglast von bis zu zehn Kilogramm frei konfiguriert werden und für zwei bis drei Stunden autonom agieren kann.

Das flexible Design erlaubt es, ein ausgewogenes Preis-Leistungs-Verhältnis für jede Aufgabe zu finden. Zudem dient es auch als Grundlage für spätere Performance-Upgrades. Alle Funktionen sind in ein robustes und vollständig wasser- und staubdichtes IP67-Design integriert. Das macht das Gerät nicht nur als Inspektionsroboter, sondern zudem für viele andere Aufgaben geeignet, einschließlich Such- und Rettungsaufgaben (Search and Rescue – SAR), Sicherheitskontrollen, Rettung nach Erdbeben oder auch einfach Paketlieferungen.

Das erste anwendungsspezifische Design des Geräts als Inspektionsroboter wurde für Aufgaben in Innen- und Außenräumen von industriellen Anlagen und anderen anspruchsvollen Umgebungen entwickelt. Hierfür ist der Roboter mit einer Schwenk-/Neige-Inspektionseinheit mit optischer Zoom-Kamera ausgestattet, um Messwerte von analogen Anzeigen und Messinstrumenten abzulesen und Ventile zu prüfen - Arbeiten, die sonst ein menschlicher Kollege bei seiner Inspektion erfüllen müsste.

Video zum Inspektionsroboter Anymal C:

Der Inspektionsroboter verfügt zusätzlich über eine Wärmebildkamera, um Maschinen und andere Geräte auf unerwünschte Abwärme oder thermische Anomalien zu überprüfen. Zur Erkennung von Gaslecks ist er mit Gassensoren ausgestattet und ein Ultraschallmikrofon für die akustische Prüfung hilft, Maschinenanomalien bereits frühzeitig zu erkennen.

Um alle drei Aufgaben parallel ausführen zu können, setzt der Hersteller auf ein modulares Design. Es basiert auf zwei Intel i7 Hexa-Core- und einem Intel i7 Dual-Core-Prozessor mit Virtualisierung, um die verschiedenen Teilaufgaben auf einzelne Kerne aufzuteilen. Diese Prozessoren stellen die Rechenleistung für die Bewegungssteuerung, das Echtzeit-Mapping und die autonome Navigation sowie die integrierten Kundenanwendungen zur Verfügung.

Das flexible Design erlaubt es, ein ausgewogenes Preis-Leistungs-Verhältnis für jede Aufgabe zu finden. Zudem dient es auch als Grundlage für spätere Performance-Upgrades. Alle Funktionen sind in ein robustes und vollständig wasser- und staubdichtes IP67-Design integriert. Das macht das Gerät nicht nur als Inspektionsroboter, sondern zudem für viele andere Aufgaben geeignet, einschließlich Such- und Rettungsaufgaben (Search and Rescue – SAR), Sicherheitskontrollen, Rettung nach Erdbeben oder auch einfach Paketlieferungen.

Standardisierte Plattform

Zur Integration der Rechenleistung setzt Anybotics COM Express Computer-on-Modules von Congatec ein. Computer-on-Modules erfreuen sich großer Beliebtheit für solche Embedded Systeme, da sie applikationsfertige, einfach zu integrierende und standardisierte Plattformen inklusive aller  nötigen Treiber und Firmware darstellen.

Diese Module kombinieren alle wesentlichen Bausteine wie CPU, RAM, High-Speed-Schnittstellen und zumeist auch die Grafikeinheit in einem einzelnen, validierten Paket. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass Computer-on-Modules mit dem gleichen Formfaktor und Standard höchst skalierbar sind, sowohl über Prozessorgenerationen als auch Hersteller hinweg.

Dies bietet OEMs vollständige Flexibilität bei der Skalierung und der Aufrüstung ihrer Lösungen mit der neuesten Prozessortechnologie, selbst nach mehreren Jahren. Der Kunde kann seine Zeit und Ressourcen ganz auf das Design des Carrierboards fokussieren und so sicherstellen, dass alle Funktionen und Schnittstellen genau zur Anwendung passen, ohne sich mit der komplexen Integration des Prozessors befassen zu müssen.