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協作機器人系統的安全策略分析

軟件在控制車輛和設備方面繼續發揮著越來越重要的作用。同時,軟件錯誤的必然性威脅到軟件控制的機器與人類交互的應用中的安全操作。例如,在協作機器人中,機器人和人類緊密相連,軟件錯誤可能直接導致對人類的身體傷害。

對于這些應用程序和其他機器操作中的計算機系統錯誤可能危及人類的應用程序,設計師需要在基礎層面上對其系統進行安全控制。智能使用已內置于微控制器(MCU)和數字信號處理器(DSP)中的硬件功能可以幫助減輕硬件或軟件中的錯誤影響。

自動化和手工勞動繼續相互補充廣泛的產品成本和功能窗口。雖然自動化可以有效地提供大批量,低成本的產品,但手動組裝對于生產高成本,低產量的產品最為有效。協作機器人提供了一種混合方法,旨在合并每種方法的優點(圖1)。

協作機器人系統的安全策略分析

圖1:協作機器人系統提供了一種混合方法,融合了手動生產和自動化系統的優勢。 (來源:ABB/歐洲機器人論壇)

協作機器人系統旨在與特定工作區內的人員直接合作。這種混合方法將機器人的寶貴力量和耐力與人類的解決問題的能力相結合。與此同時,這種方法給人類工作者帶來了巨大的風險。

機器人系統能夠以很大的力度擺動機械臂,并以極大的力量抓住物體。放置在工作單元中,典型的機器人被限制在與人類工作人員協作的同時在明確定義的操作窗口內移動,但在維護工作人員照料系統時移動到更大的限制范圍內(圖2)。很少有機器人系統允許在人類存在的情況下穿過其完整的最大包絡。

圖2:工業機器人需要深度嵌入式安全機制,能夠確保在與正常生產和維護相關的特定區域內安全運行。 (來源:美國勞工職業安全與健康管理局)

傳統的機器人裝配系統設計有物理限制或圍欄工作區域,以保護附近的人(圖3)。當在一個或多個人附近工作時,協作機器人系統幾乎沒有設計到工作單元中的物理保護。相反,這些系統依賴于內置機制來確保安全操作。在這樣的系統中,由軟件缺陷或硬件故障引起的系統級錯誤可以容易地允許可移動機器人臂加速進入人體或執行一些物理運動,這可能對人類協作工作帶來直接風險。

協作機器人系統的安全策略分析

圖3:在工廠車間,制造商在工業機器人周圍設置物理屏障,以防止與附近的人類工人意外接觸。 (來源:DNC)

安全策略

對于設計人員來說,確保機器人系統的安全運行始于確認其基礎控制系統按預期運行。專為實時控制應用而設計的DSP和MCU提供了多種專門用于此目的的內置安全功能。例如,ADI公司的ADSP-BF707 DSP和德州儀器的Hercules?系列MCU均集成了多種存儲器檢查功能,包括用于片上存儲器的錯誤校驗和校正(ECC),用于片外的奇偶校驗位檢查用于直接內存訪問(DMA)傳輸的內存和循環冗余校驗(CRC)。

雖然這些內存功能可以在內存操作期間糾正或至少識別錯誤,但確保處理器本身的正確操作是更復雜的問題。處理器核心本身中出現的硬件故障可能導致不可預測的錯誤,包括機械臂或機械手的危險運動。為了識別核心故障,模擬ADSP-BF707 DSP和TI Hercules系列MCU均包含集成在處理器內核中的內置自測(BIST)機制。雖然BIST在執行應用程序代碼本身時無法運行,但系統設計人員可以將完整或部分自檢運行與應用程序代碼執行交錯 - 如果不連續監視處理器功能,則提供持續的。

使用TI Hercules系列MCU例如,設計人員可以通過幾個簡單的步驟啟動BIST掃描:

配置時鐘域頻率

選擇要運行的測試間隔數

配置自檢運行的超時時間

保存寄存器狀態,包括CPU內核寄存器和協處理器寄存器以及硬件斷點和監視點寄存器

通過將相應的位寫入CPU自檢控制器寄存器來啟用自檢(圖4)

等待CPU重置

在重置處理程序中,讀取CPU自檢狀態以識別任何故障

檢索CPU狀態

協作機器人系統的安全策略分析

圖4:工程師可以輕松實現完整或部分BIST掃描,在應用程序執行之間交錯。對于TI Hercules系列MCU,工程師可以實現代碼以快速執行各種內務處理步驟,最后通過此處所示的自檢控制器寄存器中的坐位進行自檢。 (來源:德州儀器)

攔截軟件錯誤

與大多數領先的應用程序一樣,協作機器人系統依靠軟件來實現其功能的主要部分,特別是對于高度差異化的能力。在操作期間,任何數量的軟件錯誤(包括錯誤設置的指針變量,堆棧溢出或逃脫測試覆蓋的代碼錯誤)都可能導致系統掛起或以其他方式分離到非預期的操作中。為了防止這種類型的系統行為,設計人員可以在軟件本身中實現運行時檢查。

使用看門狗定時器提供了一種特別有效的機制來捕獲掛起處理器的錯誤。在這種傳統方法中,軟件以比看門狗定時器的超時設置短的周期重置看門狗定時器。如果看門狗定時器確實超時,則意味著從未發生預期的定時器復位 - 表示應用程序代碼掛起且系統處于某種不確定狀態。面向安全的處理器,如ADI公司的ADSP-BF707 DSP和德州儀器的Hercules系列MCU,集成了看門狗定時器功能。另一方面,使用獨立的外部看門狗定時器可進一步降低錯誤情況影響內置看門狗的可能性。

德州儀器(TI)的TPS3823-33監控IC等器件提供DSP和基于MCU的系統,具有電路初始化和時序監控以及電源電壓監控功能。該器件集成了一個看門狗定時器,必須通過WDI輸入的正或負轉換周期性觸發,以避免發出復位信號(圖5)。當監控系統未能在超時間隔ttout內重新觸發看門狗電路時,RESET在時間段td內變為有效,導致處理器進入其硬件復位周期。就像筆記本電腦用戶在他們的系統掛起時循環一樣,這種方法可能是從深層軟件錯誤中恢復的唯一有效方法。

協作機器人系統的安全策略分析

圖5:除了其他監控功能外,德州儀器(TI)TPS3823-33 IC還提供硬件看門狗定時器,可進一步防止可能出現的錯誤片上看門狗定時器。 (來源:德州儀器)

系統級安全

除了低級機制外,經驗豐富的設計人員還使用各種方法確保基于處理器的控制系統繼續產生預期輸出。更高級別的“安全”架構依賴于冗余執行關鍵功能的設計,通過在同一數據上獨立執行相同功能的多個并行路徑產生應該相同的結果。在關鍵任務應用中,例如依賴于來自發動機和控制表面的精確傳感器讀數的航空電子設備,硬件設計人員可以構建多個獨立的傳感器路徑,以便即使在飛行操作期間一個(或多個)傳感器發生故障也能繼續運行。

轉換到機器人移動算法的軟件級別,例如,軟件工程師可能使用兩種(或更多種)不同的算法或相同算法的不同實現來幫助驗證持續的系統功能。在這里,工程師將創建設置為與原始數據對象相同的值的不同對象,以使用不同的代碼模式計算相同的算法。監督代碼將比較結果并在不同時生成異常。例如,對于原始函數:

函數工作(VariableA,VariableB):

if(VariableA> VariableB):

//執行必需的函數

//基于VariableA和VariableB

...

返回結果

工程師會創建一個替代實現,使用設置為相同值的不同變量對象來計算某些結果:

//將新對象實例設置為原始變量中的值

function workNew(VariableA,VariableB):

VariableNewA = deepcopy (VariableA)

VariableNewB = deepcopy(VariableB)

if(VariableA> VariableB):

if(VariableNewA <= VariableNewB):

//生成異常 - 可能的內存錯誤

< code> else:

//執行必需的函數

//使用新變量和

//備用編碼模式

...

返回ResultNew

<代碼>

//supervisor

X = work(A,B)

XNew = workNew(A ,B)

if(X <> XNew):

//生成系統故障異常

//否則繼續使用X

專門的多核MCU在概念上使用相同的方法來確保底層處理器本身正常運行。這里,同一處理器內核的多個副本以步方式執行相同的軟件 - 同時或以小的時鐘偏移執行。以鎖步方式運行的這些內核的輸出的任何差異都表明MCU具有低級故障 - 可能是由于某種軟錯誤導致的瞬態故障,例如由于某些內部功能故障導致的輻射或硬故障。

ARM提供雙核鎖步(DCLS)冗余核心配置,允許MCU制造商為安全應用實施鎖步核心。德州儀器(TI)已在其Hercules系列MCU中實現此功能。在這里,一對ARM?Cortex?-R5F內核以鎖步方式運行 - 執行間隔兩個時鐘周期 - 以減少alpha粒子的軟錯誤導致內核執行完全相同(錯誤)結果的可能性相同的代碼同時。注意:Alpha粒子是IC封裝不可避免的副作用,因為它在低衰減率下含有低水平的放射性物質,并且可能導致軟錯誤。

在TMS570LS0714中,一個特殊的單元,CPU比較模塊(CCM),比較兩個核心的輸出信號(圖6)。對于程序員來說,這個過程是透明的。不需要特殊編碼,鎖定核心之間的比較會自動進行。

協作機器人系統的安全策略分析

圖6:集成在Hercules系列MCU中的CPU比較模塊(CCM)監視MCU雙核心的輸出,以兩個周期的延遲同步運行。此延遲有助于防止瞬態錯誤影響兩個內核并通過未檢測到的情況。 (來源:德州儀器)

雖然這些硬件功能有助于確保正常運行,但構建功能安全應用程序對軟件開發和認證提出了嚴格的要求。 TI的SafeTI設計包支持各種領域的功能安全應用開發,包括工業機械,工業過程,醫療,汽車,鐵路和航空。除了SafeTI軟件庫提供的功能外,設計包還支持與符合ISO 26262,IEC 61508和IEC 60730等安全標準相關的要求。

結論

協作機器人技術為人類經驗與機器精度相結合提供了重要機遇。在人類的近距離工作中,協作機器人系統在確保安全操作方面提出了重大挑戰。專門設計用于支持功能安全應用的專用DSP和MCU提供集成功能,可幫助識別錯誤并減輕其在應用程序級別的影響。使用這些設備,設計人員可以為協作機器人系統建立安全基礎。

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隨著機器人技術的發展,工業機器人技術在解決勞動力不足、提高勞動生產效率、降低工人勞動強度等方面具有很....
發表于 09-18 11:07 ? 53次 閱讀
嵌入式控制系統是如何來控制機器人的

2020鄭州工博會,構建核心立體的價值平臺為企業提供前進動力

近年來按下“快進鍵”的中部地區,各個省市都緊抓裝備制造產業變革的機遇期,制造業發展潛力不斷釋放,工業....
的頭像 電子發燒友網工程師 發表于 09-18 10:19 ? 292次 閱讀
2020鄭州工博會,構建核心立體的價值平臺為企業提供前進動力

運動控制市場的下滑會影響機器人的發展嗎

近年來,隨著工業機器人在制造業的興起,運動控制及伺服電機市場也迅速壯大,在進入2018年后,機器人的....
發表于 09-18 09:39 ? 76次 閱讀
運動控制市場的下滑會影響機器人的發展嗎

ABB機器人對塑料生產有什么優勢

制造商Array Plastics公司從1992以來,在歐洲和墨西哥的汽車和工業部門開始為客戶生產塑....
發表于 09-18 09:37 ? 40次 閱讀
ABB機器人對塑料生產有什么優勢

工業機器人對制造業的改革將如何進行

飛利浦在中國沿海有許多的制造工廠,數以百計的工人使用特制的工具手工裝配電動剃須刀,這是最傳統的工作方....
發表于 09-18 09:33 ? 41次 閱讀
工業機器人對制造業的改革將如何進行

AGV搬運機器人的無線通信模塊的資料介紹

隨著科技水平的迅猛發展,許多高科技產品也在不斷地發生質的變化,特別是工廠應用中,搬運車的進步就更加體....
發表于 09-18 08:00 ? 29次 閱讀
AGV搬運機器人的無線通信模塊的資料介紹

傳感器怎樣幫助機器人走向成熟

我國機器人產業之所以獲得迅猛發展,與傳感器技術的加持密不可分,未來我國只要解決技術、人才等四方面的難....
發表于 09-17 11:38 ? 153次 閱讀
傳感器怎樣幫助機器人走向成熟

TMS320F28076 TMS320F2807x Piccolo 微控制器

C2000?32位微控制器在處理,傳感和驅動方面進行了優化,可提高實時控制應用中的閉環性能,例如工業電機驅動,光伏逆變器和數字電源,電動車輛與運輸,電機控制以及傳感和信號處理.C2000產品線包括Delfino?高端性能系列和Piccolo?入門級性能系列。 TMS320F2807x微控制器平臺屬于Piccolo?系列,適用于高級閉環控制應用,例如工業電機驅動,光伏逆變器和數字電源,電動車輛與運輸以及傳感和信號處理。數字電源和工業驅動器的完整開發包作為powerSUITE和DesignDRIVE方案的一部分提供。 F2807x是基于TI行業領先的C28x內核的32位浮點微控制器。此內核的性能通過三角運算硬件加速器得到了提升,該加速器利用CPU指令(如正弦,余弦和反正切函數)提高了轉矩環路和位置計算中常見的基于三角運算的算法性能。 F2807x微控制器系列采用一個CLA實時控制協處理器.CLA是一款獨立的32位浮點處理器,運行速度與主CPU相同。該CLA會對外設觸發器作響響應,并與主C28x CPU同時執行代碼。這種并行處理功能可有效加倍實時控制系統的計算性能。通過利用CLA執行時間關鍵型功能,主C28x CPU可以得到釋放,以便用于執行通信和診斷等其...
發表于 01-08 17:49 ? 174次 閱讀
TMS320F28076 TMS320F2807x Piccolo 微控制器

LM98519 10 位 65 MSPS 6 通道成像信號處理器

LM98519是一款完全集成的高性能10位,65 MSPS信號處理解決方案,適用于數碼彩色復印機,掃描儀和其他圖像處理應用。利用相關雙采樣(CDS)或采樣和保持(SH)型采樣的創新六通道架構實現了高速信號吞吐量。 CDS /SH輸入級提供1x或2x增益設置。每個通道都有一個專用的1x至10x(8位)PGA,可以對每個通道進行精確的增益調整。數字白電平自動校準環路可以自動設置PGA值,以達到所選的白色目標電平。每個通道還具有±4位粗調和±10位精細模擬偏移校正DAC,允許在采樣保持放大器之前進行偏移校正。這些校正值可以通過自動數字黑電平校正環控制。每個通道的PGA和偏移DAC均獨立編程,為六個通道中的每個通道提供唯一的增益和偏移值。 2對1復用方案將信號路由到三個65 MHz高性能ADC。全差分處理通道可實現出色的抗噪性,具有67.5 dB的極低本底噪聲。 10位模數轉換器具有出色的動態性能,使LM98519在圖像復制鏈中透明。 特性 3.3V單電源供電 使用負輸入信號極性的CDS或S /H處理 32.5-MHz信道速率 主機上的增強型ESD保護...
發表于 09-19 16:40 ? 99次 閱讀
LM98519 10 位 65 MSPS 6 通道成像信號處理器

CC3200MOD SimpleLink Wi-Fi CC3200 片上因特網無線 MCU 模塊

使用業界首款可編程FCC,IC,CE和Wi-Fi認證無線微控制器(MCU)模塊,內置Wi-Fi,開始您的設計連接。 SimpleLink CC3200MOD專為物聯網(IoT)而創建,是一個集成了ARM Cortex-M4 MCU的無線MCU模塊,允許客戶使用單個設備開發整個應用程序。憑借片上Wi-Fi,互聯網和強大的安全協議,無需先前的Wi-Fi體驗即可加快開發速度。 CC3200MOD將所有必需的系統級硬件組件(包括時鐘,SPI閃存,RF開關和無源元件)集成到LGA封裝中,以便于組裝和低成本PCB設計。 CC3200MOD作為完整的平臺解決方案提供,包括軟件,樣本應用,工具,用戶和編程指南,參考設計以及TI E2E支持社區。 應用MCU子系統包含行業標準的ARM Cortex- M4內核以80 MHz運行。 該器件包括各種外設,包括快速并行相機接口,I2S,SD /MMC,UART,SPI,I2C和四通道ADC。 CC3200系列包括用于代碼和數據的靈活嵌入式RAM;帶外部串行閃存引導程序和外設驅動程序的ROM;用于Wi-Fi網絡處理器服務包,Wi-Fi證書和憑證的SPI閃存。 Wi-Fi網絡處理器子系統具有Wi-Fi片上網絡,并包含一個附加功能專用的ARM...
發表于 08-20 17:53 ? 203次 閱讀
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