Anwendung und Entwicklung von Bildsensoren in Robotik und Automatisierung

Robotik- und Automatisierungsanwendungen verändern weltweit Branchen – von Lagerhallen bis hin zu Gesundheitseinrichtungen – und verbessern Produktivität, Effizienz, Sicherheit und betriebliche Transparenz. Im Zentrum dieser Anwendungen stehen Bildsensoren, die es Robotern ermöglichen, ihre Umgebung wahrzunehmen und mit ihr zu interagieren. Dieser Artikel untersucht die Rolle von Bildsensoren in der Robotik und hebt die Fortschritte von onsemi in der Bildgebungstechnologie sowie die damit verbundenen Lösungen hervor.

Die Rolle mobiler Roboter in der modernen Industrie

Im letzten Jahrzehnt haben Automatisierung und Robotik zahlreiche Branchen revolutioniert, indem sie traditionelle Prozesse sicherer und effizienter gemacht haben. Zu diesen Innovationen gehören mobile Roboter, die an vorderster Front der Automatisierung stehen und dabei helfen, Abläufe in verschiedenen Sektoren zu optimieren. Mobile Roboter lassen sich grob in zwei Typen unterteilen: Autonome Mobile Roboter (AMRs) und Automatisch Geführte Fahrzeuge (AGVs). AMRs sind darauf ausgelegt, unabhängig zu arbeiten und sich an dynamische Umgebungen anzupassen, ohne dass menschliches Eingreifen erforderlich ist. Mithilfe fortschrittlicher Sensortechnologien wie Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) können AMRs ihre Umgebung kartieren, Hindernisse erkennen und autonom navigieren, was sie ideal für Anwendungen wie die Fabrik- und Lagerautomatisierung macht.    Im Gegensatz dazu sind AGVs auf externe Führungssysteme angewiesen, wie magnetische Streifen oder visuelles Tracking, um festen Bahnen zu folgen. Während AGVs in strukturierten Umgebungen wie Montagelinien und Bestandsmanagement glänzen, fehlt es ihnen an der Flexibilität von AMRs. AGVs sind vergleichbar mit Zügen, die auf vorgegebenen Schienen fahren, während AMRs eher Autos ähneln, die Hindernissen ausweichen können. Dieser Unterschied macht AMRs zur bevorzugten Wahl für Branchen, die dynamische und anpassungsfähige Lösungen benötigen.

Wie Bildsensoren die Autonomie von AMRs ermöglichen 

AMRs (Autonome Mobile Roboter) arbeiten ohne externe Führung und passen sich dynamisch an neue Umgebungen an. Um sich jedoch autonom bewegen zu können, benötigen sie Fähigkeiten zur Simultanen Lokalisierung und Kartenerstellung (SLAM - Simultaneous Localization and Mapping). Dank SLAM erstellen Roboter Karten ihrer Umgebung und bestimmen dabei ihre eigene Position. AMRs verlassen sich auf Bildsensoren, um Aufgaben wie Umgebungsnavigation, 3D-Kartierung, Kollisionsvermeidung und das Lesen von Codes durchzuführen – all dies erfordert präzise und effiziente Sensorik. Für die 3D-Kartierung nutzen AMRs Technologien wie stereoskopische Bildgebung, indirekte Time-of-Flight (iToF) und LiDAR, um Tiefenmessungen durchzuführen und detaillierte Umweltkarten zu erstellen. Die Tiefenerfassung ermöglicht es AMRs, Objekte, einschließlich Menschen, zu erkennen und potenzielle Gefahren zu vermeiden – eine wesentliche Funktion zur Gewährleistung der Sicherheit in Umgebungen, in denen Menschen und Roboter nebeneinander arbeiten.    Die Kollisionsvermeidung ist eine weitere entscheidende Funktion, die durch Bildsensoren oder Tiefensensoren ermöglicht wird. Mit Rolling-Shutter- und/oder Global-Shutter-Technologie, schnellen Verarbeitungszeiten und einem hohen Dynamikbereich (HDR) ausgestattete Sensoren erlauben es AMRs, Hindernisse in Echtzeit zu identifizieren und darauf zu reagieren. HDR-Technologie ist besonders wichtig in Umgebungen mit gemischten Lichtverhältnissen, wie z. B. in Fabriken oder Lagerhäusern, wo Reflexionen und Schatten die visuelle Wahrnehmung erschweren können.    Darüber hinaus spielen Bildsensoren eine Schlüsselrolle beim Lesen von Codes, einer häufigen Aufgabe in der Fertigung und Logistik. Sensoren mit Global-Shutter-Technologie und geringem Energieverbrauch sind in diesen Anwendungen besonders leistungsfähig und ermöglichen es AMRs, Codes schnell und präzise zu scannen und zu verarbeiten. Die Fähigkeit, über längere Zeiträume effizient zu arbeiten, steigert ihren Nutzen zusätzlich in anspruchsvollen industriellen Umgebungen.    Während AMRs und AGVs (Automated Guided Vehicles) den Bereich der mobilen Robotik dominieren, spielen auch stationäre Roboter eine wichtige Rolle in der Automatisierung. Diese Roboter, die fest an einem Ort installiert sind, führen Aufgaben wie das Aufnehmen und Sortieren von Objekten aus. Wie mobile Roboter sind auch stationäre Roboter auf Bildsensoren für Tiefenerkennung und präzise Steuerung angewiesen. Fortschrittliche Sensortechnologien stellen sicher, dass diese Roboter Aufgaben mit hoher Genauigkeit ausführen, selbst in komplexen industriellen Umgebungen.

Produktivität als Schlüsselfaktor für das Wachstum der Robotik

Mehrere Faktoren treiben die schnelle Verbreitung von Robotik in verschiedenen Branchen voran, wobei die Produktivität ein primärer Treiber ist. Roboter können sich wiederholende Aufgaben über längere Zeiträume hinweg unermüdlich ausführen. Effizienz ist ein weiterer großer Vorteil, da Roboter Verzögerungen durch menschliches Eingreifen eliminieren und es den Mitarbeitern ermöglichen, sich auf höherwertige Tätigkeiten zu konzentrieren. Sicherheit ist ebenso wichtig, da Roboter gefährliche Aufgaben übernehmen können, die für menschliche Arbeiter ein Risiko darstellen könnten.    Um Produktivität, Effizienz und Sicherheit zu steigern, suchen die meisten Kunden nach umfassenden Daten, um die Betriebsraten zu visualisieren. Diese Daten ermöglichen eine gründliche Analyse und die Identifizierung effektiver Strategien zur Verbesserung. Durch die Nutzung detaillierter visueller Daten erhalten Kunden wertvolle Einblicke in ihre Abläufe, was zu besseren Entscheidungen und optimierter Leistung führt.   Der Robotikmarkt erlebt derzeit ein erhebliches Wachstum, insbesondere im Bereich der autonomen mobilen Roboter (AMR). Branchenanalysten prognostizieren eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (Compound Annual Growth Rate, CAGR) von 16 % bis 20 % für AMRs im Zeitraum von 2024 bis 2030. Dieses Wachstum wird durch Fortschritte in der Künstlichen Intelligenz (KI) und Automatisierungstechnologien vorangetrieben, die die Fähigkeiten von Robotern erweitern und neue Möglichkeiten für Innovationen schaffen.

HDR-fähige Bildsensoren verbessern die visuelle Präzision

Als führendes Unternehmen in der Bildgebungstechnologie hat onsemi eine Reihe innovativer Bildsensoren entwickelt, um den Anforderungen der Robotik gerecht zu werden. Zu den Produkten zählen Rolling-Shutter- und Global-Shutter-Sensoren sowie spezialisierte Lösungen für Tiefenwahrnehmung und HDR-Anwendungen. Diese Technologien ermöglichen es Robotern, Aufgaben mit höherer Präzision, Effizienz und Zuverlässigkeit auszuführen.    Rolling-Shutter-Sensoren zeichnen sich durch ihre kleineren Pixelgrößen und höhere Empfindlichkeit aus, wodurch sie sich ideal für Anwendungen eignen, die detaillierte Bildgebung bei schlechten Lichtverhältnissen erfordern. Allerdings können sie Bewegungsartefakte erzeugen, was ihre Verwendung in dynamischen Umgebungen einschränkt. Im Gegensatz dazu eliminieren Global-Shutter-Sensoren Bewegungsartefakte, indem alle Pixel gleichzeitig belichtet werden. Dadurch eignen sie sich besonders für Aufgaben, die sich mit bewegenden Objekten, der Kollisionsvermeidung und dem Code-Lesen beschäftigen.    Tiefenwahrnehmung ist ein weiteres Gebiet, auf dem onsemi herausragt. Die iToF-Technologie des Unternehmens misst den Phasenunterschied des reflektierten Lichts, um die Tiefe zu bestimmen. onsemis iToF-Lösungen decken kurze Distanzen (30 bis 50 cm) ab und können mit außergewöhnlicher Genauigkeit bis zu 20 Meter erreichen.    High Dynamic Range (HDR) ist entscheidend für Roboter, die in anspruchsvollen Lichtumgebungen arbeiten. HDR-Sensoren erfassen mehrere Belichtungen, um ein ausgewogenes und präzises Bild zu erzeugen. So können Roboter Objekte auch in kontrastreichen oder reflektierenden Bereichen klar erkennen. HDR kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Beispielsweise bietet Multi-Exposure-HDR eine ausgezeichnete Leistung bei schwachem Licht, kann jedoch Bewegungsartefakte aufweisen. Split-Diode-Pixel-HDR reduziert Bewegungsartefakte, ist aber anfällig für das Flackern von LEDs. Eine Belichtung mit mehreren Verstärkungen (Super-Exposure-Modus) kombiniert die Stärken beider Methoden. Die Wahl der HDR-Technologie hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.    onsemi bietet eine Vielzahl an Hyperlux-Bildsensorfamilien an, die den unterschiedlichen Anforderungen industrieller Roboter gerecht werden. Diese Sensoren kombinieren niedrigen Energieverbrauch, hohen Dynamikbereich und fortschrittliche Funktionen, um außergewöhnliche Bildqualität zu liefern, selbst unter herausfordernden Lichtbedingungen. Die Hyperlux LP-Serie konzentriert sich auf ultra-niedrigen Energieverbrauch und eignet sich ideal für energieeffiziente Anwendungen. Die Hyperlux LH-Serie wurde für industrielle und kommerzielle Umgebungen entwickelt und bietet beeindruckende 4K-Videoqualität mit verbessertem NIR und eHDR sowie 120 dB HDR für herausragende Leistung bei gemischten Lichtverhältnissen. Die Hyperlux SG-Serie ist kompakt und bietet eine branchenführende Global-Shutter-Effizienz für präzises Scannen, was sie perfekt für Scan-, AR/VR- und AMR-Anwendungen macht. Die Hyperlux ID-Serie mit Auflösungen bis zu 1,2 MP revolutioniert die iToF-Technologie, indem sie die Indoor-/Outdoor-Distanzmessung erweitert, neue Möglichkeiten für 3D-Erkennung eröffnet und zur Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung, Robotik, Sicherheit und mehr beiträgt.    Im Juli 2024 hat onsemi SWIR Vision Systems übernommen, ein Unternehmen, das Patente für kolloidale Quantenpunkt-Technologie besitzt und CMOS-basierte SWIR (Short-Wave Infrared)-Sensoren ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen InGaAs-basierten SWIR-Sensoren (900 nm bis 1700 nm) deckt onsemis SWIR einen breiteren Bereich ab (400 nm bis 2100 nm). Darüber hinaus sind die SWIR-Sensoren von onsemi als EAR99 klassifiziert, was den Export im Vergleich zu ITAR-klassifizierten InGaAs-SWIR-Sensoren erleichtert. Derzeit ist SWIR in BGA-, 1-MP- und 2-MP-Kameras verfügbar, mit weiteren Produkten in Entwicklung.

Fazit

Die Zukunft der Bildsensoren liegt in der Erreichung höherer Auflösungen, kleinerer optischer Formate, größerer Dynamikbereiche, geringeren Stromverbrauchs und verbesserter Genauigkeit. Mit Blick nach vorn wird die Integration von KI mit fortschrittlichen Sensortechnologien neue Möglichkeiten für die Robotik eröffnen. Von der Gesundheitsversorgung bis hin zur Bildung werden diese Fortschritte es Robotern ermöglichen, zunehmend komplexere Aufgaben in verschiedenen Umgebungen auszuführen. Da die Kosten für Robotik weiterhin sinken, können wir mit einer breiteren Akzeptanz in Dienstleistungsbranchen und Haushaltsanwendungen rechnen.    Bildsensoren sind das Fundament der modernen Robotik und ermöglichen Aufgaben, die von 3D-Kartierung bis hin zu Kollisionsvermeidung mit unvergleichlicher Präzision reichen. onsemi geht aktiv auf diese Bedürfnisse ein, indem das Unternehmen kontinuierlich Innovationen vorantreibt und sicherstellt, dass seine Sensoren an der Spitze der Branche bleiben. Die hochmodernen Sensortechnologien von onsemi, darunter die Hyperlux-Serie, iToF-Lösungen und SWIR-Sensoren, treiben die nächste Welle von Entwicklungen in der Robotik und Automatisierung voran. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien werden die Fähigkeiten von Robotern erweitert, neue Möglichkeiten in verschiedenen Branchen geschaffen und die Art und Weise, wie wir arbeiten und leben, verbessert.