Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

ANYmal C – odolný čtyřnohý robot se třemi mozky

Společnost ANYbotics vyvíjí roboty, které splňují velmi náročné požadavky na mobilitu a autonomní provoz v náročném terénu. Masivní integrovaný výpočetní výkon pro klíčové úlohy – situační povědomí, řízení pohybu a plnění zadaných úkolů – zajišťují tři počítače COM Express (Computer-on-Module) od společnosti congatec.

Díky pokroku v počítačové inteligenci a technice senzorů se dříve stacionární roboty, které nevěděly nic o okolním prostředí, vyvíjejí v roboty inteligentní, autonomní a mobilní. To pomůže nejen zbavit lidi potenciálně nebezpečných úkolů, ale také ekonomicky optimalizovat opakující se postupy v reálném prostředí. Takové roboty mohou samostatně plnit mnoho úloh, které dříve vyžadovaly lidskou práci, a významně rozšířit seznam úkolů, jež lze automatizovat.

Nepřekvapuje, že trh s roboty, který má před sebou takovou perspektivu, vzkvétá. Očekává se, že celkový globální trh s inteligentními roboty poroste se složenou roční mírou růstu (CAGR) 23 %. Přesto se rychlost růstu liší v závislosti na konkrétním dílčím segmentu trhu. Například se očekává, že trh s autonomními roboty pro dodávkové služby během příštích pěti let poroste s CAGR přes 49,5 %, zatímco trh se zemědělskými roboty by měl ve stejném období růst s CAGR 22,8 %. Globální trh civilních autonomních mobilních robotů, včetně bezpilotních letounů (UAV – Unmanned Aerial Vehicle), bezpilotních pozemních vozidel (UGV – Unmanned Ground Vehicle) a bezpilotních plavidel (UMV – Unmanned Marine Vehicle), již dospěl, a očekává se tedy, že dále poroste poněkud pomaleji, ale stále docela atraktivním tempem: mezi lety 2019 až 2025 se čeká CAGR 15,9 %. Koncoví uživatelé těchto robotů jsou v oblastech, jako jsou energetika, procesní výroba, logistika, doprava, kolaborativní výrobní systémy, zemědělství, těžba surovin a mnoho dalších. Společnost ANYbotics se svým čtyřnohým robotem ANYmal C pro nejpokročilejší požadavky na mobilitu a autonomní provoz v náročném terénu patří mezi firmy, jejichž vývoj se zaměřuje právě na tyto trhy.

 

Autonomní mobilní robot ANYmal C

Autonomní mobilní robot ANYmal C (obr. 1) se od ostatních inteligentních robotů odlišuje tím, že provádí úkoly s vysokou mírou autonomie v dynamicky se měnícím prostředí spolu s lidmi, tedy nejen ve velmi dobře definovaných prostředích, jako jsou automatizované sklady nebo bezobslužné výrobní buňky v továrnách. Robot reaguje na pohybující se nebo neočekávané překážky i na měnící se podmínky prostředí (osvětlení, déšť, sníh atd.). Kromě toho dokáže autonomně řešit problémy bez vnějšího zásahu nebo nutnosti úplného zastavení pohybu v nebezpečné situaci. Místo toho musí autonomní mobilní roboty např. naplánovat alternativní cestu k určenému cílovému místu a úspěšně splnit své poslání.

 

Široká škála senzorů

K tomu, aby se mohl pohybovat průmyslovými závody bezpečně a spolehlivě, potřebuje autonomní robotický systém (ARS) různé typy senzorů ke shromažďování a interpretaci údajů o zařízeních a okolním prostředí (obr. 2). Konečným cílem je, aby tyto ARS plnily složité úkoly v náročném terénu, např. ve velkých průmyslových závodech nebo na staveništích, se stejnou mobilitou a autonomií jako kvalifikovaní lidští pracovníci. To je jediný způsob, jak osvobodit lidské pracovníky od nutnosti pobývat a pracovat v potenciálně nebezpečném prostředí.

K získání úplných údajů o situačním povědomí a zajištění bezpečného provozu je třeba ARS vybavit množstvím různých senzorů okolního prostředí. Simultánní lokalizace a mapování (SLAM; Simultaneous Localization and Mapping) musí spolehlivě fungovat i ve složitých a dynamicky se měnících prostředích.

Ve svém robotu ANYmal C používá firma ANYbotics pro navigaci a plánování cesty širokou škálu senzorů. K detekování překážek a získání informací o terénu je robot vybaven stereoskopickými optickými kamerami, které pokrývají celý prostor kolem robotu a umožňují získávat informace nejen o výskytu překážek, ale i o jejich vzdálenostech. Další údaje o prostředí pro navigaci v dosahu až 100 m poskytuje LIDAR (Light Detection And Ranging). Pro vizuální řízení provozu na dálku a pro režim učení dedikovaných cest je ANYmal C vybaven dvěma širokoúhlými kamerami vpředu a vzadu, které operátorovi umožňují jasný výhled. Pro venkovní provoz může být ANYmal C navíc opatřen přijímačem pro globální navigační satelitní systémy, např. GPS.

 

Pohyb a pracovní část robotu

Ovšem situační povědomí, lokalizace a mapování jsou jen jednou částí úkolu, jak uvést autonomní čtyřnohý robot do pohybu. Další velmi důležitou funkcí je ovládání pokročilého lokomočního systému, který umožňuje všesměrový pohyb, překonávání schodů o výšce až 25 cm, pohyb po šikmé ploše o sklonu až 45° a plazení se do prostorů nižších než 50 cm.

Kromě navigace a pohybu na určené místo musí ANYmal C také splnit svůj úkol. K tomu je možné konstrukci jeho pracovní části volně konfigurovat, přičemž užitečné zatížení je až 10 kg. Robot může jednat autonomně po dobu 2 až 3 h. První aplikačně specifická konstrukce robotu ANYmal C je optimalizována pro inspekční práce ve vnitřních a venkovních průmyslových zařízeních a v dalších náročných prostředích. K tomu je robot vybaven inspekční jednotkou tvořenou otočnou kamerou s optickým zoomem, která umožňuje odečítat naměřené hodnoty z ukazatelů analogových měřidel a kontrolovat regulační ventily. Jednotka je doplněna termokamerou, která kontroluje strojní zařízení a vyhledává zdroje ztrátového tepla a tepelné anomálie. Pro detekci úniku plynu je ANYmal C vybaven detektory plynných látek v ovzduší. Ultrazvukový mikrofon pro akustickou kontrolu pomáhá identifikovat anomálie chodu stroje již v počátku.

 

Řídicí systém

Aby bylo možné všechny tři úkoly provádět souběžně s velkou spolehlivostí a plným výkonem, používá ANYbotics modulární uspořádání řídicího systému, které je založeno na dvou šestijádrových procesorech Intel i7 a jednom dvoujádrovém procesoru Intel i7 ULT s virtualizací, která dovoluje další rozdělení různých dílčích úkolů na jednotlivá jádra (obr. 3). Tyto procesory poskytují dostatečný výpočetní výkon pro pokročilé řízení pohybu, mapování v reálném čase, autonomní navigaci a náročné zákaznické aplikace. Flexibilní uspořádání umožňuje pro každý úkol vyvážit cenu a výkon a usnadňuje budoucí změny výpočetního výkonu. Celý výpočetní systém je uzavřen v uživatelsky přívětivém, robustním a plně vodotěsném a prachotěsném krytu v provedení IP67. Toto průkopnické uspořádání kvalifikuje roboty ANYmal C pro mnoho dalších úkolů, včetně pátracích a záchranných prací, bezpečnostních kontrol, záchranných prací po zemětřesení, ale také např. pro jednoduché doručování balíků.

Pro zajištění potřebného výpočetního výkonu využila firma ANYbotics průmyslové počítače COM Express (Computer-on-Module) od společnosti congatec. Průmyslové počítače typu Computer-on-Module se u těchto typů vestavných systémů těší velké oblibě, protože představují snadno integrovatelné a standardizované platformy, které obsahují všechny potřebné ovladače a firmware a jsou připravené k okamžitému použití (viz tab. 1). Moduly zahrnují všechny rozhodující stavební bloky, jako jsou CPU, RAM, vysokorychlostní rozhraní a často také grafická jednotka, v jednom validovaném balíčku. Další výhodou je skutečnost, že počítače COM stejného formátu a standardu jsou škálovatelné a lze v nich použít procesory různých generací. To dává výrobcům plnou flexibilitu při škálování a modernizaci jejich řešení pomocí instalace nejnovějších procesorů, a to i po několika letech. Zákazník tak může soustředit veškerý čas a zdroje na návrh nosné desky a zajistit, aby všechny funkce a rozhraní přesně odpovídaly aplikaci, aniž by se musel starat o komplexní návrh implementace procesoru.

Ačkoliv jsou standardizované moduly COM Express v případě potřeby snadno zaměnitelné, služby a kvalita poskytované různými výrobci a dodavateli modulů se mohou výrazně lišit. Výrobci OEM by měli optimalizovat celkové náklady na vlastnictví (TCO – Total Costs of Ownership). Kromě samotné ceny modulu hraje při výběru roli i mnoho dalších aspektů. Nejprve je třeba zkontrolovat kvalitu návrhu, aby bylo zajištěno, že modul má prokazatelně dostatečnou tepelnou, mechanickou a elektrickou odolnost. Spolehliví dodavatelé vestavných komponent mohou zákazníkům poskytnout rozsáhlou dokumentaci k testování svých výrobků, aby prokázali, že jejich konstrukce vyhovuje všem deklarovaným parametrům. Zadruhé, moduly by měly být dodávány s kompletním balíčkem podpory desky pro veškerý požadovaný software spojený s hardwarem, protože to zjednodušuje integraci operačního systému a softwarových aplikací. Dalším důležitým faktorem pro snížení celkových nákladů na vlastnictví je dlouhodobá dostupnost jednotlivých modulů. Rovněž je důležitá nabídka služeb vývoje na zakázku.

Přestože jsou počítače typu COM připraveny k okamžitému použití a součástí nabídky jsou všechny potřebné funkce, specifický návrh a vývoj vyžadují úzkou spolupráci mezi prodejcem a zákazníkem. Zde přicházejí ke slovu specializovaní distributoři a technologičtí partneři, kteří poskytují kompletní a individuální vývojářské služby a technickou podporu, aby pomohli výrobcům OEM co nejrychleji uvést jejich řešení na trh. Švýcarská firma Fabrimex Systems je autorizovaný obchodní partner společnosti congatec s již sedmiletou historií úspěšné spolupráce. Fabrimex Systems nabízí všechny produkty společnosti congatec a přidává k nim vlastní technické zkušenosti. Zákazníkům dodává kromě základních produktů i doplňkové komponenty, inženýrské služby a na míru přizpůsobené systémy. V tomto ohledu hodnotí firma ANYbotics společnosti Fabrimex Systems a congatec plným počtem hvězdiček: „Spolupráce byla výtečná, spolehlivá a měli jsme z ní radost.“

 

Péter Fankhauser, ANYbotics, Željko Lončarić, congatec AG

 

O firmě ANYbotics

Firma ANYbotics byla založena v roce 2016 na vysoké škole ETH Curych (Švýcarsko) s cílem vyvíjet pokročilé mobilní roboty pro průmysl. Její autonomní kráčející roboty jsou určené do náročných prostředí, kde dosud pracovali jen lidé. Firma ANYbotics má tým 45 zaměstnanců a svůj kráčející robot ANYmal úspěšně testovala v různých úlohách. Poprvé na světě byl použit v příbřežní elektrárně v Severním moři. Další informace o firmě ANYbotics zájemci najdou na adrese https://www.anybotics.com.

 

O společnosti Fabrimex Systems

Již více než 30 let je společnost Fabrimex Systems inženýrskou firmou se zkušenými specialisty v oblasti vestavných počítačů, průmyslových PC, panelových počítačů a displejů, softwaru pro strojové vidění a hluboké učení i hardwaru a softwaru vyvíjených na zakázku. Využívá přístup k velké síti partnerů z celého světa a udržuje úzký kontakt s technickými a vědeckými ústavy a univerzitami.

 

O společnosti congatec

Společnost congatec je rychle rostoucí firma, která se soustředí na vestavnou výpočetní techniku. Vysoce výkonné počítačové moduly se používají v široké škále úloh a zařízení v průmyslové automatizaci, zdravotnické technice, dopravě, telekomunikacích a mnoha dalších oborech. Je to přední světová firma v segmentu počítačů COM (Computer On Module) s vynikající zákaznickou bází, od start-upů po největší mezinárodní firmy. Firma založená v roce 2004 má sídlo v Deggendorfu v Německu a v roce 2019 dosáhla obratu 126 milionů amerických dolarů. Více informací je na www.congatec.com.

 

 

Obr. 1. ANYmal C od firmy ANYbotics je robustní robot, který je navržen pro provoz v náročném a členitém terénu, jako jsou příbřežní větrné elektrárny, ropné plošiny, doly a průmyslové provozy

Obr. 2. Robot ANYmal je vybaven mnoha senzory, které mu umožňují orientovat se v prostoru a vytvářet si mapu okolního prostředí

Obr. 3. ANYbotics používá v každém robotu tři počítače Computer-on-Module od firmy congatec se dvěma různými typy procesorů, šestijádrovými Intel® Core™ i7 a dvoujádrovými ULT s nízkou spotřebou; pracovní zátěž je konsolidována pomocí vyhrazených procesorových jader pro mapování, plánování cest a řízení pohybu v reálném čase a třetí segment je vyhrazen pro jednotlivé zákaznické aplikace

 

Tab. 1. Ve srovnání s vývojem výpočetních modulů plně na zakázku nabízejí počítače Computer-on-Module mnoho výhod