Wie universelle Module die Entwicklung von Robotern beschleunigen

| Autor / Redakteur: Zeljko Loncaric, Christian Schlegel, Matthias Lutz * / Margit Kuther

Picking-Roboter Larry: das integrierte Mini-ITX-Board conga-IC175 sorgt für hohe Rechenleistung.
Picking-Roboter Larry: das integrierte Mini-ITX-Board conga-IC175 sorgt für hohe Rechenleistung. (Bild: congatec)

Moderne Roboter sind eine hochkomplexe Komposition zahlreicher Subsysteme. Das Ziel sind universell anwendbare Module, die etwa Greifarme verschiedener Hersteller unterstützen.

Das Service Robotics Research Center der Hochschule Ulm entwickelt ein modulares Softwareframework, um die Programmierung von Robotern deutlich zu erleichtern. Das Ziel sind universell anwendbare Softwaremodule, mit denen unter anderem Greifarme verschiedener Hersteller beliebig ausgetauscht werden können, um neue Robotik-Lösungen quasi per Plug and Play zu generieren. Bei der höchst skalierbar und standardisiert ansprechbar auszulegenden Embedded Computing Hardware setzen die Ulmer auf congatec.

Moderne Roboter sind heute eine hochkomplexe Komposition zahlreicher Subsysteme. Sie nutzen Manipulatoren mit diversen Achsen und Antriebseinheiten, an deren Enden spezifische Werkzeuge, Greifsysteme oder Messgeräte installiert sind. Daneben sind weitere Sensorsysteme für die Kontrolle der Kinematik sowie zur Objekt- und Lagererkennung für beispielsweise Pick & Place Anwendungen nötig. Mit dem Aufkommen autonomer und kollaborativer Roboter – die sich zusammen mit Menschen denselben Arbeitsbereich teilen – kommen nochmals viele weitere Aufgaben und Building-Blocks hinzu. Beispielsweise für die Lokalisierung und Navigation des mobilen Roboters im Raum sowie zur sicheren Mensch-Maschinen-Interaktion.

In Industrie-4.0-Umgebungen ist zudem auch noch eine M2M-Schnittstelle zu den umgebenden Maschinen und Anlagen gefordert. Das Ziel ist die gegenseitige Koordination der Aufgaben. All diese unterschiedlichen Spielarten – von der autonomen Robotik über die kooperative bis hin zur kollaborativen Robotik – erfordert enorm leistungsfähige Softwaremodule und entsprechend hohe Rechenleistung der Embedded Systeme.

Hoher Marktbedarf nach smarten Robotern

Der Marktbedarf nach solch smarten Robotern wächst in den kommenden Jahren besonders schnell. Der Markt der autonomen Robotersysteme soll bis 2023 beispielsweise mit einer CAGR von 23,7 % wachen. Mit 59% durchschnittlichem jährlichem Wachstum nochmal doppelt so stark soll der Markt für das neue Segment der kollaborativen Roboter wachsen. OEMs stehen damit unter massivem Druck, solche neuen Systeme möglichst zügig zu entwickeln und zur Marktreife zu bringen, um an diesem hohen Marktwachstum partizipieren zu können. Dabei stellt insbesondere die Softwareentwicklung höchste Herausforderungen an OEMs sowie auch Systemintegratoren und Anwender: Es müssen noch mehr Subsysteme in die ohnehin schon komplexe autonome Robotiklösungen integriert werden, wenn sie kollaborativ und/oder kooperativ werden sollen.

Individuelle, kaum übertragbare Roboter-Software

Aktuell ist die Software für Roboter häufig jedoch noch als geschlossenes System – zumeist mit individuell zugeschnittener x86- oder ARM-Hardware inklusive ASICS oder FPGAs – umgesetzt. Oft ist auch die Software für jeden Roboter individuell zugeschnitten und kaum wiederverwertbar. Alle Aufgaben wie Manipulator-Steuerung, Navigation, maschinelles Sehen, Task-Koordinierung und HMI sind aus einem Guss. Deshalb gibt es aktuell noch nicht einmal die Möglichkeit, Software-Komponenten selbst für die am häufigsten benötigten Funktionen auszutauschen oder sie gar auf einer anderen Hardwareplattform weiter zu nutzen.

Vielmehr muss bei jedem neuen Design die Robotik-Software neu implementiert werden. Das ist gleichermaßen fehlerträchtig wie zeitaufwändig und kann die Markteinführung dringend nachgefragter innovativer Lösungen erheblich verzögern – ganz zu schweigen von dem Aufwand, den jeder Betreiber eines Roboters aufbringen muss, will er den zunächst ‚dummen‘ Roboter auf seine spezifische Aufgabenstellung auslegen.

Modulare, wiederverwendbare Modullösung für Roboter

Diesem geschlossenen Systemansatz mit immer wieder neuen Softwareprojekten für den Systemintegrator und Anwender setzt das Entwicklungsteam des Service Robotics Research Centers der Hochschule Ulm unter Professor Schlegel nun einen modularen Softwareansatz entgegen, der das komplexe Gesamtsystem ‚Roboter‘ in mehrere unabhängige Funktionseinheiten ‚filetiert‘, um im zweiten Schritt die Interaktion der jeweiligen Einheiten über vollumfänglich und transparent definierten Interfaces zu spezifizieren.

Dieses Konzept nennt sich SmartSoft, welches nun sowohl auf europäischer Ebene (EU H2020 Projekt „RobMoSys - Composable Models and Software for Robotics Systems“) als auch auf nationaler Ebene (BMWi PAiCE Projekt „SeRoNet - Eine Plattform zur arbeitsteiligen Entwicklung von Serviceroboter-Lösungen“) in Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschung gemeinsam erweitert und zum breiten Einsatz gebracht wird. In letzter Konsequenz soll dieser Ansatz es ermöglichen, Robotiksysteme aus fertig entwickelten und geprüften Software-Building-Blocks modular zusammenstellen zu können. So können sich Softwareentwickler auf einzelne Funktionsmodule fokussieren, ohne die Interna der anderen Komponenten berücksichtigen zu müssen.

Noch wichtiger ist aber, dass man dadurch Funktionen wie die kooperativen oder kollaborativen Elemente genauso wie die Logik für spezifische Manipulatoren und vieles mehr, modular zusammensatzbar macht – auch herstellerübergreifend. Das reduziert letztlich auch den Aufwand für kundenspezifische Adaptionen für Systemintegratoren und Endanwender und wird so letztlich zu einer deutlich weiteren Verbreitung von Robotik beitragen.

Man nehme also einen Manipulator von Unternehmen A, kombiniert mit einem Fahrgestell von Hersteller B und einem stereoskopischen Machine-Vision-System von Hersteller C. Die dedizierte Steuerungssoftware für den Einsatz beispielsweise in der Intralogistik kann dann dank der hohen Abstraktionsebene einfach aus den fertigen Softwarekomponenten zusammengesetzt werden und bedarf nur noch kleinerer Anpassungen. Dieser Anwendungsfall ist dabei keinesfalls Zukunftsmusik, sondern schon in der realen Erprobung.

So hat das Team bereits das Service-Robotik Duo Larry und Robotino umgesetzt, das in einer Pharmazie-Intralogistik Applikation für die Transpharm Logistik GmbH völlig autonom Medikamentenpackungen aus einzelnen Trays zusammenstellt und diese zu einem definierbaren Abgabepunkt liefert. Mit einer etwas anderen Konfiguration haben die beiden Roboter aber auch schon autonom Kaffee-Bestellungen aufgenommen und diese an den Tisch des Gastes geliefert. Dank der fertigen, frei kombinierbaren Software-Komponenten war die Umwidmung nur eine Frage von wenigen Stunden. Beide in Aktion können Sie im folgenden Video erleben.

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