Was ist notwendig, damit humanoide Roboter in der echten Welt eingesetzt werden können? Lesen Sie hier die Erkenntnisse unserer Fachleute 

Wichtige Erkenntnisse:

• Halbleiter sind der entscheidende Faktor, um humanoide Roboter von spezialisierten Fabrikumgebungen auf Anwendungen in der echten Welt zu skalieren.
• Humanoide Roboter sind auf die Sensorfusion aus mehreren Kameras, mmWave-Radar, taktilen Rückmeldungssensoren und Positions-Encodern angewiesen, um fundierte Entscheidungen zu treffen.
• Fortschrittliche humanoide Designs können mehr als 50 Freiheitsgrade umfassen. Dies erfordert eine enge Integration von Sensorik, Datenverarbeitung, Kommunikation und Motorsteuerung auf Systemebene, um Bewegungen zuverlässig zu synchronisieren.

Niemand mag gern Wäsche zusammenlegen – wie wäre es, wenn ein Roboter das für Sie erledigen könnte?

Hier kommen humanoide Roboter ins Spiel. Der Markt für humanoide Roboter wird bis 2050 voraussichtlich auf 5 Billionen US-Dollar anwachsen. Lange wurden sie als Zukunftsmusik betrachtet, aber inzwischen haben Entwicklungsteams bereits humanoide Roboter gebaut, die in Fabrikumgebungen arbeiten können.

Das ist allerdings nur ein Bruchteil ihres vollen Potenzials, und um dieses wirklich ausschöpfen zu können, werden Halbleiter immer wichtiger.

Traditionell wurden mit künstlicher Intelligenz (KI) Daten analysiert, um Erkenntnisse zu generieren und die menschliche Entscheidungsfindung zu unterstützen.

„KI wird physisch, und humanoide Roboter sind einer der Orte, an denen wir das tatsächlich sehen können“, so Giovanni Campanella, General Manager für Robotics and Automation bei TI.

Physische KI ist die reale Manifestation dieser KI-Modelle, die es humanoiden Robotern ermöglichen, Objekte zu manipulieren oder sich in komplexen Umgebungen zurechtzufinden.

„Diese Fähigkeiten sind nur dank der Fortschritte in der Halbleitertechnologie möglich“, so Giovanni.

Wir haben unsere Fachleute gefragt, wie es Halbleitertechnologien humanoiden Robotern ermöglichen könnten, von spezialisierten Anwendungen in skalierbare, reale Systeme vorzudringen, und was notwendig sein wird, um sie für den praktischen Einsatz zu skalieren.

Erweiterung der Fähigkeit, die Welt wahrzunehmen

Genau wie wir unsere Sinne nutzen, um zu sehen und zu fühlen, statten Entwicklungsteams humanoide Roboter mit Sensoren aus, um die Umgebung wahrzunehmen.

Zum Beispiel erfordert das Erkennen von Objekten zuverlässige Kamerasensoren für das Sehen und die räumliche Wahrnehmung sowie taktile Rückmeldungssensoren, um Aufgaben zu unterscheiden, wie beispielsweise das Ziehen eines Kabels mit Drehmoment oder das Öffnen einer Tür.

Kein einziger Sensor allein kann jedoch die Umgebung komplett erfassen.

„Millimeterwellen-Radartechnologie ergänzt Kameras und andere Sensoren durch eine robuste Wahrnehmung bei schwierigen Lichtverhältnissen, Staub, Nebel und weiteren Sichtbehinderungen “, so German Aguirre, Systems Manager für Robotics bei TI. Positions-Encoder liefern dem Roboter zudem Rückmeldungen darüber, wo sich seine Gliedmaßen befinden.

„Deshalb ist das Zusammenführen von Daten verschiedener Erfassungsmodalitäten unerlässlich“, so Giovanni. „Mit diesem Designansatz ist es möglich, das Potenzial von humanoiden Robotern auszuschöpfen und ihre Anwendungsfälle zu erweitern.“

Die Kombination von Daten aus mehreren Sensoren mit dem Ziel, ein umfassenderes Verständnis der Roboterumgebung zu schaffen, wird als Sensorfusion bezeichnet.

„Entwicklungsteams benötigen die Sensorfusion für den Bau humanoider Roboter, die fundiertere Entscheidungen treffen können“, so German „wie etwa das Greifen von unterschiedlich großen  Objekten, das Umgehen physischer Hindernisse und die sichere Interaktion mit Menschen.“

Hinzufügen von Motoren für mehr Fingerfertigkeit

Überlegen Sie einmal, wie viele Gelenke nötig sind, um Ihre Faust zu öffnen und zu schließen.

„Das Umsetzen von Bewegungen, die sich für uns mühelos anfühlen, in einem Roboter erfordert Motoren, die mit Sensoren kombiniert werden müssen, damit sich der humanoide Roboter sicher und genau bewegt“, so Giovanni.

Um die Geschicklichkeit zu erhöhen, sind mehr Freiheitsgrade nötig – dieser Begriff bezeichnet die Anzahl der Gelenke in der Hand eines humanoiden Roboters, die jeweils von einem Motor gesteuert werden –, damit dieser komplexe Aufgaben konsistent ausführen kann.

„Entwicklungsteams setzen mehr Motoren in ihren Designs ein. Die Hersteller, mit denen wir heute zusammenarbeiten, entwickeln Hände, die jeweils bis zu 25 Freiheitsgrade haben könnten“, sagt German. „Fortschrittliche humanoide Designs können sogar mehr als 50 Freiheitsgrade aufweisen, was nicht selten Dutzende verteilter Motorsteuerungsknoten im gesamten Roboter erfordert.“

Systemorientiertes Skalierbarkeitskonzept

Angesichts der zunehmenden Komplexität humanoider Roboter gewinnt die Koordination von immer mehr Motoren mit präzisem Timing entscheidende Bedeutung.

„Die Skalierbarkeit wird zu einer wachsenden Herausforderung, da der Bedarf an Motoren steigt“, so Giovanni.

Wie aber gelingt es den Entwicklungsteams, sämtliche Motoren im gesamten Körper eines Roboters zu synchronisieren?

„Ein humanoides System ist nur so stark wie sein schwächstes Subsystem“, so German. „Skalierbare humanoide Plattformen erfordern eine enge Integration von Sensorik, Datenverarbeitung, Kommunikation und Motorsteuerung.“

TI ermöglicht das Skalieren humanoider Roboter mithilfe einer ganzen Reihe ineinandergreifender Technologien:

• Deterministische Echtzeitkommunikation wie EtherCAT und Industrial Ethernet ermöglichen eine synchronisierte Bewegungssteuerung über verteilte Aktoren hinweg.
• Sensoren erfassen die Umgebung, in der der humanoide Roboter arbeitet.
• Die auf MCUs ausgeführten KI-Algorithmen interpretieren die Sensordaten und treffen Entscheidungen.
• Die Motorsteuerung führt Entscheidungen über eine kontinuierliche Echtzeitrückkopplungsschleife aus.

Gesteigerte Anpassungsfähigkeit in für Menschen ausgelegten Umgebungen

Humanoide Roboter arbeiten in Umgebungen, die wir als strukturiert oder unstrukturiert bezeichnen. In strukturierten Umgebungen arbeiten Roboter unter vorhersehbaren Bedingungen, aber laut Giovanni ist der zuverlässige Betrieb in unstrukturierten Umgebungen nach wie vor eine der größten Herausforderungen der Branche.

„Für die Wahrnehmung in einer unstrukturierten Umgebung müssen Sensoren wie Radar, Lidar und Kamera fusioniert und KI-Modelle ausgeführt werden, damit der Roboter Objekte unter einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen erkennen, klassifizieren, lokalisieren und verfolgen kann“, so Giovanni.

Die Gewährleistung einer sicheren Mensch-Maschine-Interaktion ist ein weiterer wichtiger Aspekt, wenn es darum geht, humanoide Roboter in der Praxis einzusetzen.

Radar kann als zusätzliche Sensormodalität für die Hinderniserkennung und das Erfassen von Personen fungieren und trägt in Kombination mit anderen Sensoren und Functional-Safety-Architekturen zur Verbesserung der allgemeinen Systemsicherheit bei.

„Zum Beispiel kann der Roboter langsamer werden oder anhalten, wenn sich ein Mensch in der Nähe befindet“, erklärt German.

Mikrocontroller für die Echtzeitsteuerung müssen häufig Functional-Safety-Normen erfüllen und eine sichere Kommunikation unterstützen. Unsere sicherheitszertifizierten integrierten Power-Management-ICs können SIL-2-konforme mmWave-Radarsensoren versorgen, um eine zuverlässige und sichere Radarlösung zu realisieren.

Wie sieht die Zukunft für humanoide Roboter aus?

„In Zukunft werden wir mehr Fingerfertigkeit und gleichmäßige Bewegungen mit besseren, KI-gestützten Entscheidungen erleben, die die Grundlage für diese Maschinen bilden werden“, sagt German. „Wir werden uns besser auf eine sichere Interaktion verlassen können. Derartige Fortschritte werden dazu beitragen, Roboter aus dem Prototypstadium heraus- und in echte kommerzielle Implementierungen einzubringen. Die Arbeit, die TI heute leistet, macht genau dies möglich.“