Engere Einbindung von Robotern in "Gesellschaftlich relevante Leistungskomponenten" trägt zu höherer Mobilität bei

Die bedeutende japanische Sicherheitsfirma Sohgo Security Services Co., Ltd., bekannt unter dem Namen ALSOK, begann vor mehr als dreißig Jahren mit der Entwicklung von Robotern, um Menschen bei unterschiedlichen Aufgaben zu ersetzen. Sie waren unter den Ersten, die in das Geschäft mit Robotern einstiegen. Takayoshi Tsuchiya, der Verantwortliche für die Roboterentwicklung, diskutierte mit uns über die Zukunft der intelligenten Roboter und deren Interaktion sowie die für deren Erschaffung notwendige Technologie mit Kei Nishioka, Projektmanager für Leistungsmodule bei Rohm Co., Ltd. Japan - Entwickler der Leistungsmodule für die in der Robotik wesentlichen Antriebssysteme.

Takayoshi Tsuchiya

Sohgo Security Services Co., Ltd.

Nishioka:　Warum entschied ALSOK als Bereitsteller von Sicherheitssystemen, mit der Entwicklung von Robotern zu beginnen?

Tsuchiya:　Unsere Arbeit begann 1982 und der wichtigste Grund war die Notwendigkeit, die Effizienz der Sicherheit am Standort zu erhöhen. Wir dachten, dass Roboter die erforderliche Arbeitskraft reduzieren könnten und sich damit die Effizienz bei Sicherheitsanwendungen mit zentralisierter Arbeitskraft verbessern ließe. Wir machten uns bereits Sorgen über eine mögliche zukünftige Verknappung der Arbeitskräfte aufgrund des steigenden Durchschnittsalters der Bevölkerung in Japan. Die Einführung der Roboter würde auch die Ermüdung des Sicherheitspersonals verringern und arbeitsbedingten Verletzungen vorbeugen.

Nishioka:　Wann führte dies zu einem neuen Geschäftszweig?

Tsuchiya:　2002 begannen wir, den C4 GuardRobo zunächst für den Innenbereich zu verkaufen. Er war selbstfahrend mittels Elektromotor mit einer Reihe von Schutzfunktionen ausgestattet, einschließlich Sensoren zum Detektieren menschlicher Gegenwart sowie Feuer und einer Bildüberwachungsfunktion. Ebenso verfügte er über ein Display mit Touch-Panel-Eingabe und eine Sprachinformationsfunktion.

Roboter verbreiten sich in Wissenschaftsmuseen und anderen Einrichtungen in ganz Japan

Nishioka:　Das bedeutet, dass Sie seit mehr als einem Jahrzehnt Produkte auf dem Markt gebracht haben. Wie sieht Ihre Produktpalette heute aus?

Tsuchiya:　Der zuerst 2006 als Schutzroboter eingeführte Reborg-Q ist das jüngste Modell (Abb. 1).

Wie andere Modelle in der Serie ist er mit einer Reihe Schutzfunktionen und mit Rädern und Elektromotoren versehen und damit selbstfahrend. Das Energiesystem enthält sowohl wiederaufladbare Akkumulatoren als auch Bleisäurebatterien. Der Roboter patrouilliert entlang einer programmierten Route und überträgt währenddessen Videobilder von der umgebenden Anlage und andere Informationen an die Sicherheitszentrale. Anschließend kehrt er automatisch zu seiner Ladestation zurück. Optionale Einheiten stehen für die Erledigung verschiedener gefährlicher Aufgaben, wie beispielsweise dem Feuerlöschen, zur Verfügung.

Nach Fertigstellung des Reborg-Q erhielten wir eine große Anzahl von Nachfragen von verschiedenen Gewerbekomplexen, Wissenschaftsmuseen und anderen Einrichtungen, die nach berichtenswerten Attraktionen mit fortschrittlicher Technologie suchen. Also haben wir die Technologie des Reborg-Q auf die An9 Produktserie übertragen zur Betonung der Funktion Informationsbereitstellung.
Nun liegen zwei Typen vor: Das An9-RP selbstfahrende System für Gewerbekomplexe und ähnliche Anwendungen und das An9-RP immobile System für Empfangstresen in Firmen. Alle diese Roboter werden quer durch Japan vielfältig genutzt, so auch im Tokyo Tower, im Wissenschaftsmuseum in Tokyo, dem Otsuka Museum für Kunst und der Canal City Hakata.

Weitere entscheidende Verbesserung der Sensing Technologie

Kei Nishioka

Projektmanager, Leistungsmodule
Rohm Co., Ltd.

Nishioka:　Roboter dringen nach und nach in jeden Lebensbereich vor und das Sensing (Abtasten) stellt hierbei eine Technologie dar, die für die Umsetzung robotischer Funktionen absolut unverzichtbar ist. Rohm nutzt die in jahrzehntelanger Arbeit in diesem Feld gewonnene Halbleitertechnologie für die Entwicklung von unterschiedlichsten Sensoren, einschließlich Beleuchtungssensoren, Näherungsschaltern und Breitband-Bildwandlern. Überdies stellt Rohm Lösungen bereit, die Sensoren mit Kommunikationstechnik, Energieerzeugung und anderen Anwendungen kombinieren. Diese Sensoren werden bei der Umsetzung neuer Funktionen für Roboter hilfreich sein.

Ja, Sensing ist sehr wichtig in der Roboterentwicklung und es bestehen noch viele ungelöste Probleme mit der Sensing Technologie. Beispielsweise werden Lasersensoren eingesetzt, um Menschen und Hindernisse zu detektieren. Das Detektieren ist allerdings nur in der Ebene möglich. Wir hoffen, dreidimensionales Detektieren möglich zu machen. In Kombination mit Gesichtserkennungssystemen sollte es möglich sein, das Bild des gesamten menschlichen Körpers zu erfassen.
Wir hoffen auch, die Funktionen zum Detektieren von Hindernissen und Menschen in Bewegung erweitern zu können. Für bewegte Roboter kann es sehr schwierig sein zu erkennen, ob der erkannte Gegenstand in Ruhe oder ebenfalls in Bewegung ist. Durch die Lösung dieses Problems ließe sich die Funktionalität signifikant verbessern.

Nishioka:　Eine weitere Technologie, die zur Weiterentwicklung von Robotern beitragen kann, sind die Leistungsmodule, an denen ich arbeite (Abb. 2) - sie stellen wesentliche Komponenten in Motorantriebsschaltungen dar. Die jüngste Entwicklung von Leistungshalbleitern unter Verwendung von Werkstoffen der nächsten Generation wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) beschleunigt sich und damit auch die der Leistungsmodule, in denen diese Werkstoffe enthalten sind. Sie bieten eine exzellente Energienutzungseffizienz und sollten geeignet sein, einen Beitrag zu immer kleineren, energieeffizienten Roboterantriebssystemen zu leisten.

Fig. 2 Intelligente Komplett-SiC Leistungsmodule für Fahrzeuganwendungen

Auch erste SiC Leistungshalbleiter gelangen in die kommerzielle Nutzung, wie Schottky-Dioden, MOSFETs and Leistungsmodule. Tatsächlich war Rohm der erste japanische Halbleiterhersteller, der im April 2012 begann, SiC Schottky-Dioden in großen Mengen zu fertigen. Im Dezember desselben Jahres waren wir die erste Firma weltweit, die begann, MOSFETs in großer Menge zu fertigen.

Tsuchiya:　Alle von uns hergestellten, selbstfahrenden Roboter erzielen ihre Mobilität über ein System, das wiederaufladbare Batterien mit Elektromotoren kombiniert. In diesem System kommen reichlich Leistungskomponenten zum Einsatz.

Wenn wir unsere Roboter entwerfen, achten wir extrem auf Energieeffizienz und Gewicht. Der Reborg-Q Schutzroboter misst 650 mm x 700 mm x 1300 mm und wiegt 120 kg. Die Sicherstellung der Stabilität erfordert ein beträchtliches Gewicht, d. h. wir können nicht einfach ein leichtgewichtiges Modell bauen, aber wenn wir überflüssiges Gewicht vermeiden können, trägt dies zu einer verbesserten Mobilität bei.

Nishioka:　 Die Speicherung von Energie und die Herstellung von kleineren und leichteren Motorantrieben und anderen Systemen sind wichtige Themen für Elektrofahrzeuge (EV) und Hybridfahrzeuge. Um diesen Anforderungen nachzugehen haben wir ein kompaktes intelligentes Energiemodul entwickelt, in dem eine Antriebsschaltung mit hocheffizienten SiC Leistungskomponenten und verschiedenen Schutzschaltungen kombiniert ist. Es nimmt nur ca. ein Zehntel des Volumens von konventionellen Modulen in Anspruch. Auf dem Markt gibt es unseres Wissens nichts, was ähnlich klein wäre.
In diesen Modulen kommt ein neu entwickelte integrierte Gate-Treiber Schaltung (IC) mit internen isolierten Komponenten. Wir haben die Gate-Treiber-ICs und isolierte Komponenten in einem einzigen Gehäuse integriert und haben auch eine neue Architektur für die isolierten Komponenten gewählt, um das Volumen zu verringern (Abb. 3).

Abb. 3 Gate-Treiber IC mit eingebetteter isolierter Komponente

Tsuchiya:　Ein weiteres großes Problem für die Robotermobilität stellen die Batterien dar. Wir nutzen heute Bleisäurebatterien in unseren kommerziellen Robotern. Diese sind jedoch sehr schwer. Wir würden gerne kleine leichte Batterien verwenden, aber nur die schweren Bleisäurebatterien sind in der Lage, die notwendige Leistung zu liefern, um die selbstfahrenden Systeme und internen Elektrikschaltungen über längere Zeiträume zu betreiben. Das Problem lässt sich nur von Grund auf lösen, indem die Batterie selbst verbessert wird. Allerdings müssen wir auch die Leistung des Batteriemanagementsystems verbessern, was den gesamten Leistungsverbrauch minimiert und die Batterieleistung maximiert. Wenn die Betriebsdauer pro Ladevorgang erweitert werden kann, wird dies die Nutzerfreundlichkeit des Roboters signifikant verbessern.

Enge Verknüpfung mit sozialen Veränderungen

Nishioka:　Zusammen mit den Problemen hinsichtlich Größe und Gewicht, ist dies ein weiterer wesentlicher Punkt, der sowohl Elektrofahrzeuge (EV) als auch Hybridfahrzeuge betrifft. Bei Rohm ist man sich dessen bewusst und Rohm war die erste Firma, die als Beitrag zur Problemlösung eine Reihe von Chips für Batteriemanagementsysteme entwickelt hat, einschließlich Ladegeräte.
Leistungskomponenten werden bei einer zunehmenden Vielzahl von Anwendungen benötigt und müssen auf eine sich schnell diversifizierende Vielzahl von Anforderungen der Anwendungen reagieren. Eine besondere Schwierigkeit besteht in der Erfüllung aller Marktanforderungen an Leistungsmodule, die mehrere Komponenten integrieren. Um diesem Anspruch besser gerecht zu werden, hat Rohm kürzlich die Abteilung Leistungsmodule durch Schaffung einer neuen Einheit speziell für die Entwicklung von Leistungsmodulen verstärkt, die den Abteilungen Forschung, Produktentwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung flankierend zur Seite steht. Es besteht auch in verschiedenen sozialen Systemen eine außerordentliche Nachfrage nach Leistungsmodulen und die Marktanforderungen für soziale Anwendungen verlangen nach einem wesentlich breiteren Produktumfang als es unsere ersten Produkte bieten. Dieser große Umfang machte es für unsere früheren Abteilungen sehr schwierig, allen Anforderungen angemessen nachzukommen. Vor diesem Hintergrund haben wir die neue Organisation geschaffen, in der das gesamte Fachwissen der Firma zusammenläuft. Meiner Meinung nach wird diese Art der flankierenden Organisation in der Zukunft zunehmend an Wichtigkeit gewinnen, da die Technologie beginnt, direkt mit unterschiedlichen sozialen Anwendungen in Kontakt zu treten.