Fehlertolerante numerische Steuerung

Abstract

Die andauernde Leistungssteigerung von Rechnern nach dem noch geltenden Mooreschen Gesetz ermöglicht computerbasierten numerischen Steuerungen den Einsatz in Anwendungsbereichen, die bisher allein dem Menschen vorbehalten waren. Damit werden numerische Steuerungen vermehrt auch in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt wie beispielsweise der minimal invasiven Chirurgie. Dieser Anwendungsbereich stellt sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit des Assistenzsystems. Aus diesem Grund sind diese Systeme fehlersicher ausgelegt und gewährleisten, dass ein interner Fehler des Systems einen Patienten nicht unmittelbar verletzt. Um dieser Anforderung gerecht zu werden nehmen bestehende Systeme zur Erhöhung der Sicherheit eine Reduktion der Zuverlässigkeit in Kauf. Zukünftig ist dies nicht weiter ausreichend, da bestimmte Operationstechniken bei Ausfall des Assistenzsystems nur durch einen deutlich größeren manuellen Eingriff weitergeführt werden können oder im schlechtesten Fallüberhaupt nicht möglich sind. Eine Aufgabenstellung liegt hierbei darin, eine fehlertolerante numerische Steuerung zu entwerfen, welche den bestehenden Sicherheitsanforderungen gerecht wird und gleichzeitig die Zuverlässigkeit gegenüber bestehenden Systemen deutlich erhöht. Herausfordernd ist dabei, dass möglicherweise in der Steuerung auftretende Fehler zu keiner Konturverletzung der Sollbahn führen dürfen. Diese Arbeit untersucht hierzu bestehende Ansätze zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Systemen sowie ein Operationsassistenzsystem, das die Sicherheit dessen numerischer Steuerung erhöht. Dabei wird der fehlersichere Ansatz des Operationsassistenzsystems um Fehlertoleranz erweitert. Das Ziel ist der Entwurf eines numerischen Steuerungssystems das durch Redundanz auf Basis einer Mehrheitsentscheidung interne Fehler maskieren sowie fehlerhafte redundante Einheiten durch Rekonfiguration ausgliedern kann, so dass keine fehlerhaften Sollwerte ausgegeben werden. Das System weist damitnach außen hin eine fehlerfreie Funktion auf, so dass ein begonnener Bearbeitungsprozess ohne Unterbrechung zu Ende geführt werden kann.

The continued increase in performance of computers since the inception of Moore's Law enables computer based numerical control (CNC) systems for use in applications that were previously only reserved for humans. These CNC systems are increasingly being used in safety-critical applications such as minimally invasive surgery. This application places very high demands on the safety of the assistance system. For this reason, these systems are designed to be failsafe and to ensure that an internal error of the system will never cause a patient to be injured directly. To meet this requirement existing systems condone a decrease of reliability to increase safety. In the future this is no longer sufficient, since certain surgical techniques can be performed only by a much larger manual intervention in case of failure of the assistance system, or even not be possible in the worst case. The task is to design a fault-tolerant numerical control, which fulfills the state of the art safetyrequirements while increasing reliability over existing systems significantly. A subsequent challenge is that potential errors inside the numerical control must not lead to a contour violation of the set path. This thesis examines the existing approaches to increase the reliability of systems as well as an operational assistance system which increases the safety of its numerical control. Thereby the fail-safe approach of operational assistance system is extended to a fault tolerance approach. The goal is to design a CNC system that can mask internal errors through redundancy based on a majority decision, as well as outsource faulty redundant units through reconfiguration, so that no defective setpoints are output. Thus the system outwardly has a correct function, so that a started process can be completed without interruption.