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协作机器人系统的安全策略分析

软件在控制车辆和设备方面继续发挥着越来越重要的作用。同时,软件错误的必然性威胁到软件控制的机器与人类交互的应用中的安全操作。例如,在协作机器人中,机器人和人类紧密相连,软件错误可能直接导致对人类的身体伤害。

对于这些应用程序和其他机器操作中的计算机系统错误可能危及人类的应用程序,设计师需要在基础层面上对其系统进行安全控制。智能使用已内置于微控制器(MCU)和数字信号处理器(DSP)中的硬件功能可以帮助减轻硬件或软件中的错误影响。

自动化和手工劳动继续相互补充广泛的产品成本和功能窗口。虽然自动化可以?#34892;?#22320;提供大批量,?#32479;?#26412;的产品,但手动组装对于生产高成本,低产量的产品最为?#34892;А?#21327;作机器人提供了一种混合方法,旨在合并每种方法的优点(图1)。

协作机器人系统的安全策略分析

图1:协作机器人系统提供了一种混合方法,融合了手动生产和自动化系统的优势。 (来源:ABB/?#20998;?#26426;器人论坛)

协作机器人系统旨在与特定工作区内的人员直接合作。这种混合方法将机器人的宝贵力量和耐力与人类的解决问题的能力相结合。与此同时,这种方法给人类工作者带?#25139;?#24040;大的风险。

机器人系统能够以很大的力度摆动机械臂,并以极大的力量抓住物体。放置在工作单元中,典型的机器人被限制在与人类工作人员协作的同时在明确定义的操作窗口内移动,但在维护工作人员照料系统时移动到更大的限制范围内(图2)。很少有机器人系统?#24066;?#22312;人类存在的情况下穿过其完整的最大包络。

图2:工业机器人需要深度嵌入式安全机制,能够确保在与正常生产和维护相关的特定区域内安全运行。 (来源:美国劳工职业安全与健康管理局)

传统的机器人装配系统设计有物理限制或围栏工作区域,以保护附近的人(图3)。当在一个或多个人附近工作时,协作机器人系统几乎?#25381;?#35774;计到工作单元中的物理保护。相反,这些系统?#35272;?#20110;内置机制来确保安全操作。在这样的系统中,由软件缺陷或硬件?#25910;?#24341;起的系统级错误可以容易地?#24066;?#21487;移动机器人臂加速进入人体或执行一些物理运动,这可能对人类协作工作带来直接风险。

协作机器人系统的安全策略分析

图3:在工厂?#23548;洌?a href='http://www.ahzjj.live/xianshi/20171205594009.html' target='_blank'>制造商在工业机器人周围设置物理屏障,以防止与附近的人类工人意外接触。 (来源:DNC)

安全策略

对于设计人员来说,确保机器人系统的安全运行始于确认其基础控制系统按预期运行。专为实时控制应用而设计的DSP和MCU提供了多种专门用于此目的的内置安全功能。例如,ADI公司的ADSP-BF707 DSP和德州仪器的Hercules?系列MCU均集成了多种存储器检查功能,包括用于片上存储器的错误校验和校正(ECC),用于片外的奇偶校验位检查用于直接内存访问(DMA)传输的内存和循环冗余校验(CRC)。

虽然这些内存功能可以在内存操作期间纠正或至少识别错误,但确保处理器本身的正确操作是更复杂的问题。处理器核心本身中出现的硬件?#25910;?#21487;能导致不可预测的错误,包括机械臂或机械手的危险运动。为了识别核心?#25910;希?#27169;拟ADSP-BF707 DSP和TI Hercules系列MCU均包含集成在处理器内核中的内置自测(BIST)机制。虽然BIST在执行应用程序代码本身时无法运行,但系统设计人员可以将完整或部分自检运行与应用程序代码执行交错 - 如果不连续监视处理器功能,则提供?#20013;?#30340;。

使用TI Hercules系列MCU例如,设计人员可以通过几个简单的步骤启动BIST扫描:

配置时钟域频率

选择要运行的测试间隔数

配置自检运行的超时时间

保存寄存器状态,包括CPU内核寄存器和协处理器寄存器以及硬件?#31995;?#21644;监视点寄存器

通过将相应的位写入CPU自检控制器寄存器来启用自检(图4)

等待CPU重置

在重置处理程序中,读取CPU自检状态以识别任何?#25910;?/p>

检索CPU状态

协作机器人系统的安全策略分析

图4:工程师可以轻松实现完整或部分BIST扫描,在应用程序执行之间交错。对于TI Hercules系列MCU,工程师可以实现代码以快速执行各种内务处理步骤,最后通过此处所示的自检控制器寄存器中的坐位进行自检。 (来源:德州仪器)

拦截软件错误

与大多数领先的应用程序一样,协作机器人系统依靠软件来实现其功能的主要部分,特别是对于高度差异化的能力。在操作期间,任何数量的软件错误(包括错误设置的指针变量,堆栈溢出或逃脱测试覆盖的代码错误)都可能导致系统?#31227;?#25110;以其他方式分离到非预期的操作中。为了防止这种类型的系统行为,设计人员可以在软件本身中实现运行时检查。

使用看门狗定时器提供了一种特别?#34892;?#30340;机制来捕获?#31227;?#22788;理器的错误。在这种传统方法中,软件以比看门狗定时器的超时设置短的周期重置看门狗定时器。如果看门狗定时器确实超时,则意味着从未发生预期的定时器?#27425;?- 表示应用程序代码?#31227;?#19988;系统处于某种不确定状态。面向安全的处理器,如ADI公司的ADSP-BF707 DSP和德州仪器的Hercules系列MCU,集成了看门狗定时器功能。另一方面,使用独立的外部看门狗定时器可进一步降低错误情况影响内置看门狗的可能性。

德州仪器(TI)的TPS3823-33监控IC等器件提供DSP和基于MCU的系统,具有电路初始化和时序监控以及电源电压监控功能。该器件集成了一个看门狗定时器,必须通过WDI输入的正或负转换周期?#28304;?#21457;,以避免发出?#27425;?#20449;号(图5)。当监控系统未能在超时间隔ttout内重新触发看门狗电路时,RESET在时间段td内变为?#34892;В?#23548;致处理器进入其硬件?#27425;?#21608;期。就像?#22987;?#26412;电脑用户在他们的系统?#31227;?#26102;循环一样,这种方法可能是从深层软件错误中恢复的唯?#25381;行?#26041;法。

协作机器人系统的安全策略分析

图5:除了其他监控功能外,德州仪器(TI)TPS3823-33 IC还提供硬件看门狗定时器,可进一步防止可能出现的错误片上看门狗定时器。 (来源:德州仪器)

系统级安全

除?#35828;图?#26426;制外,经验丰富的设计人员还使用各种方法确保基于处理器的控制系统继续产生预期输出。更高级别的“安全”架?#25346;览?#20110;冗余执行关键功能的设计,通过在同一数据上独立执行相同功能的多个并行路径产生应该相同的结果。在关键任务应用中,例如?#35272;?#20110;来自发动机和控制表面的精确传感器读数的航空电子设备,硬件设计人员可以构建多个独立的传感器路径,以便即使在飞行操作期间一个(或多个)传感器发生?#25910;?#20063;能继续运行。

转换到机器人移动算法的软件级别,例如,软件工程师可能使用两种(或更多种)不同的算法或相同算法的不同实现来帮助验证?#20013;?#30340;系统功能。在这里,工程师将创建设置为与原始数据对象相同的值的不同对象,以使用不同的代码模式计算相同的算法。监督代码将比较结果并在不同时生成异常。例如,对于原始函数:

函数工作(VariableA,VariableB):

if(VariableA> VariableB):

//执行必需的函数

//基于VariableA和VariableB

...

返回结果

工程师会创建一个替代实现,使用设置为相同值的不同变量对象来计算某些结果:

//将新对象实例设置为原始变量中的值

function workNew(VariableA,VariableB):

VariableNewA = deepcopy (VariableA)

VariableNewB = deepcopy(VariableB)

if(VariableA> VariableB):

if(VariableNewA <= VariableNewB):

//生成异常 - 可能的内存错误

< code> else:

//执行必需的函数

//使用新变量和

//备用编码模式

...

返回ResultNew

<代码>

//supervisor

X = work(A,B)

XNew = workNew(A ,B)

if(X <> XNew):

//生成系统?#25910;?#24322;常

//否则继续使用X

专门的多核MCU在概念上使用相同的方法来确保底层处理器本身正常运行。这里,同一处理器内核的多个副本以步方式执行相同的软件 - 同时或以小的时钟偏移执行。以锁步方式运行的这些内核的输出的任何差异都表明MCU具有低级?#25910;?- 可能是由于某种软错误导致的瞬态?#25910;希?#20363;如由于某些内部功能?#25910;系?#33268;的辐射或硬?#25910;稀?/p>

ARM提供双核锁步(DCLS)冗余核心配置,?#24066;鞰CU制造商为安全应用实施锁步核心。德州仪器(TI)已在其Hercules系列MCU中实现此功能。在这里,一对ARM?Cortex?-R5F内核以锁步方式运行 - 执行间隔两个时钟周期 - 以减少alpha粒子的软错误导致内核执行完全相同(错误)结果的可能性相同的代码同时。注意:Alpha粒子是IC封?#23433;?#21487;避免的副作用,因为它在低衰减率下含有低水平的放射性物质,并且可能导致软错误。

在TMS570LS0714中,一个特殊的单元,CPU比较模块(CCM),比较两个核心的输出信号(图6)。对于程序员来说,这个过程是透明的。不需要特殊编码,锁定核心之间的比较会自动进行。

协作机器人系统的安全策略分析

图6:集成在Hercules系列MCU中的CPU比较模块(CCM)监视MCU双核心的输出,以两个周期的延迟同步运行。此延迟有助于防止瞬态错误影响两个内核并通过未检测到的情况。 (来源:德州仪器)

虽然这些硬件功能有助于确保正常运行,但构建功能安全应用程序对软件开发和?#29616;?#25552;出了严格的要求。 TI的SafeTI设计包支持各种领域的功能安全应用开发,包括工业机械,工业过程,医疗,汽车,铁路和航空。除了SafeTI软件库提供的功能外,设计包还支持与符合ISO 26262,IEC 61508和IEC 60730等安全标准相关的要求。

结论

协作机器人技术为人类经验与机器精度相结合提供了重要机遇。在人类的近距离工作中,协作机器人系统在确保安全操作方面提出了重大挑?#20581;?#19987;门设计用于支持功能安全应用的专用DSP和MCU提供集成功能,可帮助识别错误并减轻其在应用程序级别的影响。使用这些设备,设计人员可以为协作机器人系统建立安全基础。

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我们还期待在2019年慕尼黑上海电子展?#34892;?#25512;广我们的优质技术和产品方案,可以与更多客户携手合作,实现....
的头像 e星球 发表于 03-22 17:00 ? 481次 阅读
聚焦MCU市场,看?#20260;即?#22914;何进一步布局物联网领域

“魔爪”的智能战场机器人 ?#26234;?#25195;射美军士兵,现场失控

有资料显示,美军已经在战场上使用了一款名为“魔爪”的智能战场机器人,而且该机器人还能在战场上扮演各种....
发表于 03-22 16:42 ? 48次 阅读
“魔爪”的智能战场机器人 ?#26234;?#25195;射美军士兵,现场失控

机器人可以自己学会如何走路,而不需要明确的编程

当一个小孩第一次在?#25381;?#34987;要求的情况下做出一些出人意?#31995;?#20030;动时,他们的?#25913;?#20250;欢呼雀跃地庆祝。而来?#38405;?#21345;....
发表于 03-22 16:11 ? 67次 阅读
机器人可以自己学会如何走路,而不需要明确的编程

神奇粒子机器人,走进了现实

长久以来,由数十亿纳米粒子组成的“灰濛”机器人的概念一直吸引着科幻小说爱好者们的关注,但大多数?#33455;?#20154;....
发表于 03-22 15:27 ? 53次 阅读
神奇粒子机器人,走进了现实

一款免费的机器人开发者工具箱问世

借助该工具箱,开发者将能够使用 Isaac 应用程序、GEM(机器人功能)、Robot Engine....
的头像 英?#25353;颪VIDIA企业解决方案 发表于 03-22 15:13 ? 401次 阅读
一款免费的机器人开发者工具箱问世

自主变形机器人应运而生,一举夺得2018年中国优秀工业设计奖金奖

自重构模块单元,自由配置,动态组合,实现一机多用、构型重塑、功能再生,可应用于军事、救灾、航空航天、....
的头像 机器人大讲堂 发表于 03-22 14:43 ? 337次 阅读
自主变形机器人应运而生,一举夺得2018年中国优秀工业设计奖金奖

快讯:?#27492;?#26031;本周举办火星会议,展示机器人蜻蜓及飞船引擎

目前市场上?#29615;?#21508;种提供陪伴的社交机器人,而一款名叫Tombot Puppy的金色拉布拉多机器犬则能够....
的头像 机器人大讲堂 发表于 03-22 14:39 ? 717次 阅读
快讯:?#27492;?#26031;本周举办火星会议,展示机器人蜻蜓及飞船引擎

为什么电销行业里,电销机器人取代真人是大趋势?

人工智能(Artificial Intelligence)是指使用机器代替人类实现?#29616;?#35782;别、分析、....
发表于 03-22 14:32 ? 48次 阅读
为什么电销行业里,电销机器人取代真人是大趋势?

小身材大用途,KMR QUANTEC移动机器人

它由Mecanum(麦?#22235;?#22982;轮)驱动,非常灵活,可全向移动,且拥有成熟的导航系统。
的头像 工业机器人 发表于 03-22 14:27 ? 315次 阅读
小身材大用途,KMR QUANTEC移动机器人

防止机器人失控的著名“机器人三定律?#20445;?#19994;界早已认识到其局限性

全球知名的艾伦人工智能?#33455;?#25152;首席执行官埃齐奥尼两年前就在一次演讲中呼吁更新“机器人三定律?#34180;?#20182;还提出....
的头像 人工智能学家 发表于 03-22 14:12 ? 346次 阅读
防止机器人失控的著名“机器人三定律?#20445;?#19994;界早已认识到其局限性

自动泊车系统,你会放心地将汽车交给机器人吗?

如果你可以选择让一个机器人代客停车,而不是把钥匙扔给一个青少年来做,那会是怎样一回事儿呢?
发表于 03-22 14:04 ? 25次 阅读
自动泊车系统,你会放心地将汽车交给机器人吗?

SPC MCU库是否可用于Altium Designer?

大家好, 有人知道SPC MCU库是否可用于Altium Designer? 我在哪里可以?#19994;?#23427;们? 谢谢, 切尔 #spc#altium...
发表于 03-22 10:22 ? 26次 阅读
SPC MCU库是否可用于Altium Designer?

安装ros和重德智能教学包

ros入门(1)-安装ros与开发包
发表于 03-22 07:10 ? 17次 阅读
安装ros和重德智能教学包

labview控制移动机器人

有使用labview控制移动机器人的大?#26032;錚?#22312;下需要一些myrio资?#31995;?#35762;解,希望各位伸出援助之手,拉小弟一把,感激不尽。 ...
发表于 03-21 15:12 ? 287次 阅读
labview控制移动机器人

8调试基于西门子MCU的设计的提示

A new type of instrument, the mixed signal oscilloscope (MSO), closes the gap in MCU debugging tools. The Keysi...
发表于 03-21 11:42 ? 28次 阅读
8调试基于西门子MCU的设计的提示

Microchip MCU 12mhz外?#31354;?#33633;器添加一个PIC 18F14K50电路板

必须添加一个PIC 18F14K50电路板。什么样的是最好的PIC单片机的? 以上来自于百度翻译      &n...
发表于 03-21 10:59 ? 23次 阅读
Microchip MCU 12mhz外?#31354;?#33633;器添加一个PIC 18F14K50电路板

物理体积和计算方面的约束适应

感应应用的物理体积越来越小。无论您是设计出需要在工厂中收集的远程工业传感器节点(图1),抑或是下一个智能穿戴式设备的传感器...
发表于 03-21 06:45 ? 81次 阅读
物理体积和计算方面的约束适应

Bluetooth 5怎么提高Bluetooth低能耗连接范围

借助核心技术规格5.0版本,Bluetooth?不再作为一个只用于个人局域网络(PAN)的无线协议存在。在这个技术规格中?#30053;?#21152;了3个...
发表于 03-20 06:45 ? 93次 阅读
Bluetooth 5怎么提高Bluetooth低能耗连接范围

大彩串口屏解决方?#21103;?#25346;炉解决方案

大彩串口屏解决方案_壁挂炉解决方案:目前市面?#31995;?#22721;挂炉显示界面大多以LED点阵或段码屏为主,因此主控制器MCU相对要求?#31995;?..
发表于 03-19 17:29 ? 50次 阅读
大彩串口屏解决方?#21103;?#25346;炉解决方案

如?#20301;?#24471;加速度样本对应于触发中?#31995;?#30830;切时间

LIS3DH配置为当3轴中任?#25105;?#20010;轴?#31995;?#21152;速度值超过MCU设置的阈值时,使用INT1中断MCU。首先,据我所知,即使中断被触...
发表于 03-19 06:29 ? 28次 阅读
如?#20301;?#24471;加速度样本对应于触发中?#31995;?#30830;切时间

TMS320F28076 TMS320F2807x Piccolo 微控制器

C2000?32位微控制器在处理,传感和驱动方面进行了优化,可提高实时控制应用中的闭环性能,例如工业电机驱动,光伏逆变器和数字电源,电动车辆与运输,电机控制以及传感和信号处理.C2000产品线包括Delfino?高端性能系列和Piccolo?入门级性能系列。 TMS320F2807x微控制器平台属于Piccolo?系列,适用于高级闭环控制应用,例如工业电机驱动,光伏逆变器和数字电源,电动车辆与运输以及传感和信号处理。数字电源和工?#30331;?#21160;器的完整开发包作为powerSUITE和DesignDRIVE方案的一部分提供。 F2807x是基于TI行业领先的C28x内核的32位浮点微控制器。此内核的性能通过三角运算硬件加速器得到了提升,该加速器利用CPU指令(如正弦,余弦和反正切函数)提高了转矩环路和位置计算中常见的基于三角运算的算法性能。 F2807x微控制器系?#32961;?#29992;一个CLA实时控制协处理器.CLA是一款独立的32位浮点处理器,运行速度与主CPU相同。该CLA会对外设触发器作响响应,并与主C28x CPU同时执行代码。这种并行处理功能可?#34892;?#21152;倍实时控制系统的计算性能。通过利用CLA执行时间关键型功能,主C28x CPU可以得到释放,以便用于执行通信和诊?#31995;?#20854;...
发表于 01-08 17:49 ? 50次 阅读
TMS320F28076 TMS320F2807x Piccolo 微控制器

LM98519 10 位 65 MSPS 6 通道?#19978;?#20449;号处理器

LM98519是一款完全集成的高性能10位,65 MSPS信号处理解决方案,适用于数码彩色复印机,扫描仪和其他图像处理应用。利用相关双采样(CDS)或采样和保持(SH)型采样的创新六通道架构实现了高速信号吞吐量。 CDS /SH输入级提供1x或2x增益设置。每个通道?#21152;?#19968;个专用的1x至10x(8位)PGA,可以对每个通道进行精确的增益调整。数字白电平自动校准环路可以自动设置PGA值,以达到所选的白色目标电?#20581;?#27599;个通道还具有±4位?#20540;?#21644;±10位精细模拟偏移校正DAC,?#24066;?#22312;采样保持放大器之前进行偏移校正。这些校正值可以通过自动数字黑电平校正环控制。每个通道的PGA和偏移DAC均独立编程,为六个通道中的每个通道提供唯一的增益和偏移值。 2对1复用方案将信号路由到三个65 MHz高性能ADC。全差分处理通道可实现出色的抗噪性,具有67.5 dB的极低本?#33258;?#22768;。 10位模数转换器具有出色的动态性能,使LM98519在图像复制链中透明。 特性 3.3V单电源供电 使用负输入信号极性的CDS或S /H处理 32.5-MHz信道速率 主机?#31995;脑?#24378;型ESD保护...
发表于 09-19 16:40 ? 65次 阅读
LM98519 10 位 65 MSPS 6 通道?#19978;?#20449;号处理器

CC3200MOD SimpleLink Wi-Fi CC3200 片上因特网无线 MCU 模块

使用业界首款可编程FCC,IC,CE和Wi-Fi?#29616;?#26080;线微控制器(MCU)模块,内置Wi-Fi,开始您的设计连接。 SimpleLink CC3200MOD专为物联网(IoT)而创建,是一个集成了ARM Cortex-M4 MCU的无线MCU模块,?#24066;?#23458;户使用单个设备开发整个应用程序。凭借片上Wi-Fi,互联网和强大的安全协议,无需先前的Wi-Fi体验即可加快开发速度。 CC3200MOD将所有必需的系统级硬件组件(包括时钟,SPI闪存,RF开关和无源元件)集成到LGA封装中,以便于组装和?#32479;?#26412;PCB设计。 CC3200MOD作为完整的平台解决方案提供,包括软件,样本应用,工具,用户和编程?#25913;希?#21442;考设计以及TI E2E支持社区。 应用MCU子系统包含行业标准的ARM Cortex- M4内核以80 MHz运行。 该器件包括各种外设,包括快速并行相机接口,I2S,SD /MMC,UART,SPI,I2C和四通道ADC。 CC3200系列包括用于代码和数据的灵活嵌入式RAM;带外部串行闪存引导程序和外设驱动程序的ROM;用于Wi-Fi网络处理器服务包,Wi-Fi证书和?#23616;?#30340;SPI闪存。 Wi-Fi网络处理器子系统具有Wi-Fi片上网络,并包含一个附加功能专用的ARM...
发表于 08-20 17:53 ? 121次 阅读
CC3200MOD SimpleLink Wi-Fi CC3200 片上因特网无线 MCU 模块
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