Multi-Roboter-Kollaboration: Von der Intelligenz einzelner Roboter zur Systemintelligenz

Hallo, ich bin Allen Li, Gründer von HONPINE.

In den vergangenen Jahren haben wir intensiv über eine Frage nachgedacht: Was wird die nächste Entwicklungsphase der Robotik prägen? Wird es darum gehen, einen einzelnen Roboter immer leistungsfähiger zu machen, oder darum, mehreren Robotern die Zusammenarbeit als intelligentes System zu ermöglichen?

Ich bin überzeugt, dass beide Richtungen wichtig sind. Die Intelligenz einzelner Roboter wird sich weiterentwickeln. Doch wenn Roboter in zunehmend komplexen Anwendungen wie Logistik, Fertigung, Bauwesen, Inspektion, Spezialoperationen, humanoider Robotik und intelligenter Automatisierung eingesetzt werden, gibt es klare Grenzen dessen, was ein einzelner Roboter allein leisten kann.

Noch mehr interessiert mich der Übergang von unabhängig arbeitenden Robotern zu vernetzten Systemknoten, die Informationen austauschen, Aufgaben verteilen, Bewegungen koordinieren und auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren können.

Deshalb bin ich überzeugt, dass die Multi-Roboter-Kollaboration zu einer der wichtigen Richtungen der zukünftigen Entwicklung der Robotik werden wird.

Multi-Roboter-Kollaboration bedeutet mehr als einfach nur mehr Roboter einzusetzen

Wenn Menschen erstmals an ein Multi-Roboter-System denken, liegt die Annahme nahe: Wenn ein Roboter eine Aufgabe erledigen kann, sollten zehn Roboter zehnmal so viele Aufgaben erledigen können.

In der Praxis ist dies wesentlich komplizierter.

Wenn ein einzelner Roboter unabhängig arbeitet, lautet die grundlegende Frage normalerweise: „Wie kann ich meine Aufgabe erfüllen?“

Wenn mehrere Roboter in derselben Umgebung arbeiten, wird die Frage deutlich schwieriger: „Wie können wir unsere Aufgaben gemeinsam erfüllen, ohne uns gegenseitig zu beeinträchtigen?“

Betrachten wir ein automatisiertes Lager, in dem mehrere AGVs gleichzeitig Materialien transportieren. Wenn sich zwei mobile Roboter gleichzeitig einer engen Durchfahrt nähern, welcher Roboter sollte Vorrang haben? Wenn mehrere Roboter für dieselbe Aufgabe verfügbar sind, welcher sollte ausgewählt werden? Wenn der der Aufgabe nächstgelegene Roboter plötzlich ausfällt, welcher Roboter sollte übernehmen? Wenn mehrere Roboter denselben Arbeitsbereich betreten müssen, wie sollten Zugang und Bewegung koordiniert werden?

Dies sind nicht mehr lediglich Probleme der Bewegungssteuerung eines einzelnen Roboters. Es handelt sich um Probleme der Koordination und Organisation auf Systemebene.

Ein erfolgreiches Multi-Roboter-System erfordert daher mehr als zusätzliche Maschinen. Roboter benötigen ein gemeinsames Verständnis ihres eigenen Status, des Status anderer Roboter, der ausgeführten Aufgaben und der möglicherweise als Nächstes stattfindenden Aktionen.

In einer typischen ROS2-Multi-Roboter-Architektur bilden verteilte Kommunikation, Namespace-Management, Aufgabenverteilung, Formationsregelung, Zustandssynchronisierung und Kollisionsvermeidung gemeinsam die Grundlage für koordinierte Roboteroperationen.

Daraus ziehe ich eine wichtige Schlussfolgerung: Die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit der Robotik wird nicht nur davon abhängen, wie leistungsfähig ein einzelner Roboter ist, sondern auch davon, wie effektiv ein gesamtes Robotersystem zusammenarbeiten kann.

Von der Intelligenz einzelner Roboter zur Systemintelligenz

Ich glaube, dass dies einen wichtigen Übergang für die Robotikbranche darstellt.

Traditionell konzentrieren wir uns bei der Bewertung eines Roboters auf Parameter wie Nutzlast, Positioniergenauigkeit, Geschwindigkeit, Wiederholgenauigkeit, Gelenkdrehmoment, Steifigkeit und Zuverlässigkeit. Diese Spezifikationen bleiben grundlegend.

Sobald Roboter jedoch als koordinierte Systeme arbeiten, müssen wir ein breiteres Spektrum von Fragen stellen.

Kann ein Roboter kontinuierlich erkennen, wo sich andere Roboter befinden? Kann er wissen, welche Aufgaben andere Roboter ausführen? Kann er seinen eigenen Betriebsstatus in Echtzeit teilen? Kann er anormale Zustände erkennen, bevor sie zu Ausfällen werden? Kann das System Aufgaben schnell neu verteilen, wenn sich Betriebsbedingungen ändern? Was geschieht, wenn die Kommunikation unterbrochen wird oder ein Roboter nicht verfügbar ist?

Diese Fragen offenbaren eine grundlegende Veränderung der Roboterarchitektur.

Ein Roboter ist nicht länger lediglich eine Maschine, die eine vordefinierte Aufgabe ausführt. Er entwickelt sich zu einem vernetzten, zustandsbewussten und kollaborativen intelligenten Knoten.

Die Entwicklung von Multi-Roboter-Systemen umfasst bereits verteilte Kommunikation, Aufgabenverteilung, Zustandssynchronisierung, Formationsregelung und Kollisionsvermeidung. Mit der Reifung dieser Technologien werden der einzelne Roboter und das übergeordnete Robotersystem zunehmend enger miteinander verbunden sein.

Dies lässt mich über eine weitere Frage nachdenken, die für uns bei HONPINE besonders wichtig ist:

Wenn die Intelligenz der Roboter auf die Systemebene übergeht, was sollte dann mit den Gelenken geschehen, die die Bewegung des Roboters physisch erzeugen?

Robotergelenke sollten mehr sein als die „Muskeln“ eines Roboters

Dies ist eine der Fragen, die wir bei HONPINE untersuchen.

In der traditionellen Definition eines Robotergelenks ist die Hauptaufgabe einfach: den Bewegungsbefehl der Steuerung in mechanische Bewegung umzuwandeln.

Ein typisches integriertes Robotergelenkmodul kann daher aus einem Präzisionsgetriebe, Motor, Encoder, einer Bremse und einem Antriebssystem bestehen. Diese Architektur hat sich für konventionelle Industrieroboter als äußerst effektiv erwiesen.

Doch ich glaube, dass Roboter der Zukunft mehr benötigen werden.

Wenn ein Roboter an der Multi-Roboter-Kollaboration teilnehmen soll, dürfen seine Gelenke nicht nur wissen, um wie viel sie sich drehen sollen. Sie müssen auch ihren eigenen Betriebszustand verstehen.

Wie lautet die tatsächliche Ausgangsposition? Wie hoch ist die aktuelle Geschwindigkeit? Welche Last trägt das Gelenk? Liegt die Temperatur in einem sicheren Bereich? Funktioniert die Kommunikationsverbindung korrekt? Arbeitet die Bremse normal? Besteht eine anormale Differenz zwischen der motorseitigen und der ausgangsseitigen Position? Tritt am Gelenk ein anormales Drehmoment oder eine Überlastung auf?

Wenn diese Informationen kontinuierlich erfasst und an das Robotersteuerungssystem übertragen werden können, wird das Gelenk mehr als nur ein passiver Aktuator.

Es wird zu einer wichtigen Quelle für Informationen über den Bewegungszustand des Roboters.

So verstehe ich die nächste Generation intelligenter Robotergelenke.

Warum Dual-Encoder zunehmend wichtiger werden

Dies ist auch der Grund, warum HONPINE der Dual-Encoder-Technologie große Bedeutung beimisst.

In einer herkömmlichen Einzelencoder-Konfiguration kann das System Rückmeldungen von der Motorseite erhalten. Die tatsächliche mechanische Bewegung des Roboters findet jedoch auf der Ausgangsseite des Untersetzungsmechanismus statt.

Das Ausmaß der Motordrehung entspricht nicht zwangsläufig der exakten Bewegung am endgültigen Ausgang.

Aus diesem Grund können motorseitige und ausgangsseitige Encoder unterschiedliche, aber einander ergänzende Funktionen erfüllen.

Der motorseitige Encoder kann Rückmeldungen für die Motorkommutierung, Drehzahlregelung und Motorposition liefern. Der ausgangsseitige Encoder kann die tatsächliche Position des Robotergelenks nach der Getriebestufe direkt messen.

Da Roboter hinsichtlich Bewegungsgenauigkeit, dynamischer Reaktion und Zustandsüberwachung immer höhere Anforderungen erfüllen müssen, wird die Rückmeldung auf der Ausgangsseite zunehmend wertvoller.

Für die Multi-Roboter-Kollaboration ist dies noch wichtiger. Wenn jedes Gelenk seinen tatsächlichen Bewegungszustand präzise bestimmen kann, kann die Robotersteuerung ein zuverlässigeres Echtzeitmodell des Roboters erstellen.

Aus dieser Perspektive sind Dual-Encoder nicht nur eine Möglichkeit, die Positioniergenauigkeit von Gelenken zu verbessern. Sie bieten einen umfassenderen Rückmeldemechanismus zum Verständnis des tatsächlichen Bewegungszustands des Roboters.

Von Positionsrückmeldung zu Drehmoment- und Krafterfassung

Für viele künftige Robotikanwendungen reicht es jedoch nicht aus, die Position eines Gelenks zu kennen.

Für kollaborative Roboter, humanoide Roboter, kraftgeregelte Systeme und die Multi-Roboter-Manipulation wird eine weitere Frage entscheidend:

Wie viel Kraft oder Drehmoment erfährt der Roboter?

Betrachten wir zwei Roboter, die gemeinsam denselben Gegenstand tragen. Wenn jeder Roboter nur seine eigene Position kennt, aber keine Informationen über die auf den Gegenstand wirkende Kraft oder das Drehmoment hat, wird es wesentlich schwieriger, eine stabile koordinierte Bewegung aufrechtzuerhalten.

Humanoide Roboter stehen bei der physischen Interaktion mit Menschen oder ihrer Umgebung vor einer ähnlichen Herausforderung. Positionsinformationen allein können die Interaktion zwischen dem Roboter und der Außenwelt nicht vollständig beschreiben.

Deshalb glaube ich, dass sich die Entwicklung von Robotergelenkmodulen schrittweise von der Positionsrückmeldung hin zu einer Kombination aus Positions-, Drehmoment-, Kraft- und umfassenden Gelenkzustandsinformationen bewegen wird.

Die Frage lautet nicht mehr einfach, ob sich ein Gelenk präzise bewegen kann. Wir müssen auch verstehen, ob das Gelenk während dieser Bewegung präzise erfassen kann, was geschieht.

Für HONPINE sind integrierte drehmomentsensorische Robotergelenke daher ein wichtiger Bereich für kontinuierliche Forschung und Entwicklung.

Robotergelenke werden zu vernetzten Bewegungsknoten

Ein weiterer wichtiger Trend ist die zunehmende Vernetzung von Robotergelenken.

In traditionellen Roboterarchitekturen kann die Beziehung zwischen Steuerung und Gelenk relativ einfach sein: Die Steuerung sendet einen Befehl, und das Gelenk führt ihn aus.

Robotersysteme der Zukunft werden voraussichtlich eine wesentlich umfassendere Interaktion erfordern.

Jedes Gelenk kann zu einem Knoten innerhalb des Echtzeit-Steuerungsnetzwerks des Roboters werden. Es kann Bewegungsbefehle empfangen und gleichzeitig Informationen wie Position, Geschwindigkeit, Drehmoment, Temperatur, Strom, Fehlerstatus, Bremsstatus und Sicherheitsstatus melden.

Dieses Konzept passt selbstverständlich zur Entwicklung verteilter Multi-Roboter-Systeme, bei denen Echtzeitkommunikation und Zustandssynchronisierung für einen koordinierten Betrieb entscheidend sind.

Aus Sicht von HONPINE bedeutet dies, dass sich die Entwicklung eines Robotergelenkmoduls nicht nur auf die mechanische Leistung konzentrieren darf.

Wir müssen die vollständige Architektur aus mechanischer Kraftübertragung, elektrischer Integration, Sensorik, Kommunikation und Sicherheit berücksichtigen.

Das Präzisionsgetriebe bleibt grundlegend, doch der Wert des vollständigen Gelenks ergibt sich zunehmend daraus, wie effektiv diese Technologien zusammenarbeiten.

Sicherheit wird zu einer grundlegenden Fähigkeit intelligenter Robotergelenke

Je näher Roboter Menschen kommen, desto wichtiger wird die Sicherheit.

Dies gilt insbesondere für kollaborative Roboter, humanoide Roboter, mobile Roboter, Baumaschinenroboter und andere Systeme, die in dynamischen Umgebungen arbeiten. Ein Ausfall eines Gelenks kann nicht nur den Roboter selbst, sondern auch den Betrieb des gesamten Robotersystems beeinträchtigen.

Zukünftige Robotergelenkmodule benötigen daher umfassendere Sicherheitsmechanismen, einschließlich Überstromschutz, Übertemperaturschutz, Encoder-Fehlererkennung, Positionsabweichungsüberwachung, Erkennung anormaler Drehmomente, Kommunikationsfehlererkennung und sicherer Drehmomentsteuerung.

Beispielsweise integriert dieHAG-Serie neben der Bremsfunktion STO (Safe Torque Off) als Teil ihrer Sicherheitsarchitektur.

Eine Bremse und STO erfüllen unterschiedliche Zwecke. Eine Bremse kann unter bestimmten Bedingungen helfen, die mechanische Position eines Gelenks zu halten, während STO eine Sicherheitsfunktion auf Antriebsebene bereitstellt, die verhindert, dass der Motor Drehmoment erzeugt.

Aus meiner Sicht sollten diese Funktionen nicht als Ersatz füreinander betrachtet werden. Sie können sich als ergänzende Ebenen innerhalb einer umfassenderen Robotersicherheitsarchitektur bilden.

Ich glaube, dass Sicherheitsfunktionen schrittweise von optionalen Merkmalen zu grundlegenden Fähigkeiten intelligenter Robotergelenke werden.

Warum HONPINE das Robotergelenkmodul neu denkt

Wenn wir all diese Entwicklungen zusammen betrachten, wird deutlich, dass das zukünftige Robotergelenk wahrscheinlich weit mehr als eine Kombination aus Harmonic Drive, Motor, Encoder und Bremse sein wird.

Ein fortschrittliches integriertes Robotergelenk kann Präzisionskraftübertragung, Motortechnologie, Dual-Encoder-Rückmeldung, Drehmomenterfassung, integrierte Antriebselektronik, Echtzeitkommunikation, Sicherheitsfunktionen und Gelenkzustandsüberwachung in einer kompakten Architektur vereinen.

Noch wichtiger ist, dass diese Funktionen nicht als isolierte Komponenten bestehen sollten. Sie müssen als integrierter intelligenter Bewegungsknoten zusammenarbeiten.

Dies ist eine wichtige Richtung für die Forschung und Entwicklung desRobotergelenkmoduls von HONPINE.

Unser Interesse besteht nicht nur darin, Robotergelenke kleiner, leichter oder für höhere Drehmomente auszulegen. Dies bleiben wichtige technische Ziele, doch sie bilden nicht das gesamte Bild ab.

Wir fragen auch, wie ein Robotergelenk umfassendere Fähigkeiten zur Erfassung von Bewegungszuständen, Kommunikation, Sicherheit und Ausführung bereitstellen kann.

Das wird nach meiner Überzeugung die nächste Generation intelligenter Aktuatoren von konventionellen Roboteraktuatoren unterscheiden.

Die Ausrichtung von HONPINE für die nächste Generation von Robotergelenkmodulen

Aus Produkt- und Technologiesicht glaube ich, dass HONPINE mehrere einander ergänzende Robotergelenkplattformen für unterschiedliche Robotikanwendungen entwickeln sollte.

HPJM: Hochzuverlässige Robotergelenke mit hohem Drehmoment

HPJM ist für Anwendungen positioniert, bei denen hohes Drehmoment, Steifigkeit, Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität entscheidend sind.

Industrieroboter, Baumaschinenroboter, mobile Roboter und schwere Robotersysteme erfordern häufig mehr als Positioniergenauigkeit. Ihre Gelenkmodule müssen anspruchsvollen Belastungen standhalten und zugleich über lange Betriebszeiträume eine zuverlässige Bewegungsleistung gewährleisten.

Für diese Anwendungen bleiben hohes Drehmoment, hohe Steifigkeit, Präzisionskraftübertragung und hohe Zuverlässigkeit die Entwicklungsprioritäten.

HAG: Integrierter Antrieb, Sicherheit und Kommunikation

HAG steht für eine weitere Entwicklungsrichtung hin zu einem höher integrierten intelligenten Robotergelenk.

Durch die Integration von Präzisionsgetriebe, Motor, Encodern, Antriebselektronik, Kommunikationsschnittstellen und Sicherheitsfunktionen in eine kompakte Gelenkarchitektur können wir die Komplexität der Systemintegration reduzieren und das Gelenk leichter in vollständige Roboterplattformen integrieren.

Diese Architektur ist besonders relevant für humanoide Roboter, kollaborative Roboter, mobile Roboter und andere Anwendungen, bei denen Bauraum, Verkabelung, Systemintegration und verteilte Steuerung wichtige Faktoren sind.

TCHL: Robotergelenke für Kraftregelung und dynamische Interaktion

Für kollaborative Roboter, humanoide Roboter und Robotersysteme, die eine kontrollierte physische Interaktion erfordern, werden Drehmomentinformationen zunehmend wichtig.

Die integrierte Drehmomenterfassung ermöglicht dem Roboter, nicht nur die Position und Bewegung seiner Gelenke, sondern auch die mit diesen Bewegungen verbundenen Kräfte und Drehmomente zu verstehen.

Meiner Ansicht nach lautet die Frage für ein zukünftiges Robotergelenk nicht mehr nur:

Kann sich dieses Gelenk präzise bewegen?

Sondern auch:

Kann dieses Gelenk präzise verstehen, was es während seiner Bewegung erfährt?

Deshalb werden drehmomentsensorische Robotergelenke ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Technologie-Roadmap von HONPINE sein.

Die eigentliche Chance liegt in der Gelenkintelligenz

Wenn ich das Verständnis von HONPINE zur nächsten Generation von Robotergelenkmodulen zusammenfassen müsste, würde ich mich nicht auf eine einzelne Hardwarespezifikation konzentrieren.

Das Konzept, das meiner Meinung nach die größte Aufmerksamkeit verdient, ist Gelenkintelligenz.

Ein intelligentes Robotergelenk sollte in der Lage sein, seinen eigenen Betriebszustand zu überwachen und der Robotersteuerung nützliche Informationen bereitzustellen.

Beispielsweise sollte es anormale Temperaturzustände erkennen, ungewöhnliche Differenzen zwischen motorseitiger und ausgangsseitiger Encoder-Rückmeldung identifizieren, anormale Drehmomente erfassen, angemessen auf Kommunikationsunterbrechungen reagieren und bei Bedarf in einen vordefinierten sicheren Zustand wechseln können.

Mit zunehmender Menge an Betriebsdaten kann das Gelenk auch die Zustandsüberwachung und frühzeitige Fehlererkennung unterstützen.

Mit anderen Worten: Das Gelenk sollte sich von der bloßen Ausführung von Befehlen zu einer umfassenderen Fähigkeit entwickeln, die Sensorik, Überwachung, Rückmeldung, Schutz und Bewegungsausführung umfasst.

Hier werden intelligente Aktuatoren meiner Ansicht nach einen erheblichen Mehrwert für zukünftige Robotersysteme schaffen.

Was geschieht mit Robotergelenkmodulen im Zeitalter der Multi-Roboter-Kollaboration?

Kehren wir zu der Frage zurück, mit der wir begonnen haben.

Warum wird die Multi-Roboter-Kollaboration zunehmend wichtig?

Weil sich Roboter schrittweise von unabhängigen Maschinen zu vernetzten Systemen entwickeln, die Informationen teilen, Aufgaben verteilen, Bewegungen koordinieren und gemeinsam auf veränderte Bedingungen reagieren können.

Innerhalb dieses Systems ist die übergeordnete Software für Aufgabenplanung, Pfadplanung, Aufgabenverteilung, Roboterkoordination und Entscheidungen auf Systemebene verantwortlich.

Das Robotergelenk ist dafür verantwortlich, diese Entscheidungen in präzise, zuverlässige und sichere physische Bewegungen umzusetzen.

Damit wird das Robotergelenkmodul zu einer kritischen Schnittstelle zwischen Roboterintelligenz und Roboterbewegung.

Mit der Weiterentwicklung der Roboterarchitekturen kann das übergeordnete System zunehmend intelligenter werden, während das Gelenk immer präzisere Sensorik, Kommunikation, Sicherheit und Bewegungsausführung bereitstellen muss.

Das Gelenk wird somit zu einem wichtigen Bestandteil der intelligenten Bewegungsebene des Roboters.

HONPINE sollte nicht nur ein besseres Getriebe entwickeln

Dies ist eine der Fragen, über die ich als Gründer von HONPINE häufig nachdenke.

Wenn wir uns nur als Getriebehersteller definieren, konzentriert sich unsere Forschung und Entwicklung natürlich auf Übertragungseffizienz, Genauigkeit, Lebensdauer, Drehmomentkapazität, Steifigkeit, Größe und Gewicht.

Dies sind grundlegende Technologien, und HONPINE wird weiterhin in sie investieren.

Wenn ich jedoch die breitere Entwicklung der Robotik betrachte, glaube ich, dass unsere Ambition weiter reichen sollte.

Wir sollten uns weiterhin von Präzisionsgetrieben zu Aktuatoren, von Aktuatoren zu integrierten Robotergelenkmodulen und von integrierten Gelenkmodulen zu intelligenten Bewegungsknoten entwickeln.

Dabei geht es nicht einfach darum, unserem Portfolio weitere Produkte hinzuzufügen.

Es stellt eine Veränderung dar, wie wir die Rolle zentraler Bewegungskomponenten in der Robotik verstehen.

Ein präzises Harmonic-Drive-Getriebe bildet die Grundlage für eine genaue Kraftübertragung.

Ein integrierter Aktuator kombiniert Getriebe- und Motortechnologien.

Ein intelligentes Robotergelenk ergänzt Sensorik, Steuerung, Kommunikation und Sicherheit.

Zusammen können diese Technologien eine entscheidende Bewegungsebene zwischen der Intelligenz des Roboters und seiner physischen Interaktion mit der realen Welt bilden.

Der Roboter der Zukunft ist möglicherweise nicht nur ein einzelner Roboter

Ich glaube, dass sich die Robotikbranche auf einen bedeutenden strukturellen Wandel zubewegt.

In der Vergangenheit sprachen wir vor allem darüber, was ein Roboter leisten kann.

In Zukunft werden wir möglicherweise zunehmend darüber sprechen, was ein Robotersystem erreichen kann.

Früher konzentrierten wir uns darauf, wie leistungsfähig ein einzelner Roboter werden kann.

Die nächste Frage lautet, wie mehrere Roboter zusammenarbeiten können, um Aufgaben zu erfüllen, die für eine einzelne Maschine schwierig oder unmöglich wären.

Da sich die Robotik von einzelnen Maschinen zu koordinierten Systemen und von der Intelligenz einzelner Roboter zur Systemintelligenz entwickelt, müssen sich auch Robotergelenkmodule weiterentwickeln.

Sie können nicht einfach die mechanischen „Muskeln“ eines Roboters bleiben.

Sie müssen zu intelligenten Bewegungskomponenten werden, die Betriebszustände erfassen, präzise Bewegungen ausführen, mit dem Robotersteuerungssystem kommunizieren und zur allgemeinen Systemsicherheit und Zuverlässigkeit beitragen können.

Dies ist die Richtung, in die HONPINE meiner Ansicht nach weiterhin investieren sollte.

Unser Ziel besteht nicht lediglich darin, ein besseres Harmonic-Drive-Getriebe oder ein leistungsfähigeres Robotergelenk herzustellen.

Wir möchten dazu beitragen, die intelligente Bewegungsebene für Roboter der Zukunft aufzubauen.

So sehe ich die Rolle von HONPINE in der nächsten Entwicklungsphase der Robotik.

Antrieb für die Zukunft der intelligenten Automatisierung.

— Allen Li

Gründer, HONPINE