Roboterapplikation

ROS und Roboter

Bei der Realisierung von Industrie 4.0 und Smart Factorys sind Mobile Robotersysteme ein erfolgsentscheidender Faktor. Zur problemlosen Integration sind aber niedrige Einstiegshürden und Kosten notwendig. Das Framework ROS wurde für die Entwicklung genau solcher Roboterapplikationen konzipiert.

Mit ROS besteht ein Entwicklungsframework, welches bereits zielführend in der Automatisierung von mobilen Robotersystemen eingesetzt wird. (Bild: TDM Systems)

ROS ist ein Open-Source-Entwicklungsframework, das ein Grundgerüst für die Entwicklung von Roboterapplikationen darstellt. ROS wird von zahlreichen Forschungsinstituten, Firmen und Konsortien entwickelt und bietet roboter- und hardwareunabhängige Steuerungsfunktionalitäten, beispielsweise aus den Bereichen der Bildverarbeitung, der autonomen Navigation und der mobilen Manipulation für Robotersysteme. Für die Anpassung der Funktionalitäten an definierte Systeme und die Einbindung relevanter Komponenten (z. B. Aktoren, Sensoren, Eingabegeräte) wird eine große Anzahl von Gerätetreibern zur Verfügung gestellt.

ROS bietet eine Auswahl an Algorithmenpaketen, Treibern und Robotermodellen (Kinematik, Dynamik, Sensorik) und weist eine beeindruckende Schlagzahl bei der Entwicklung neuer Funktionalitäten und Fähigkeiten durch die Community auf. (Bild: EGS Automatisierungstechnik)

Spricht man im Kontext von ROS von Robotersystemen, so ist meist die Rede von einer autonom navigierenden, omnidirektionalen Plattform, oftmals in Kombination mit einem Roboterarm inklusive Greifer – Service- und Assistenzroboter, oder fahrerlose Transportsysteme dienen als repräsentative Beispiele.

Mit ROS besteht ein Entwicklungsframework, welches bereits zielführend in der Automatisierung von mobilen Robotersystemen eingesetzt wird: Aufgrund der Verfügbarkeit von Softwarewerkzeugen, -bibliotheken und APIs sowie einer großen Open-Source-Community bietet ROS dem Anwender eine Auswahl an weitreichenden Algorithmenpaketen, Treibern und Robotermodellen (Kinematik, Dynamik, Sensorik) und weist eine beeindruckende Schlagzahl bei der Entwicklung neuer Funktionalitäten und Fähigkeiten durch die Community auf. Effiziente und anwendungsspezifische Bewegungsabläufe können durch die Integration bereits vorhandener Entwicklungen schnell erarbeitet werden. Dies stellt im Hinblick auf eine Reduzierung der Entwicklungskosten aufgrund dem hohen Grad der Wieder- verwendbarkeit ein entscheidender Vorteil des ROS Frameworks dar.

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Produktion der Zukunft

Zusätzlich ist es im industriellen Umfeld jedoch von großer Bedeutung, die Systeme nicht nur in sich zu betrachten, sondern die vertikale und horizontale Integrationsmöglichkeiten in überlagerte und benachbarte Systeme kosten- und zeiteffizient zu ermöglichen. Mobile Robotersysteme sollen innerhalb der Produktionsnetzwerke der Zukunft, wie sie im Kontext von Industrie 4.0, Smart Factory u.a. gefordert werden, für die Bearbeitung von Handhabungs- und Logistikaufträgen eingesetzt werden. Im Kontext von Industrie 4.0 spricht man hier auch von Cyber-physischen Systemen (CPS). Jedoch ist die Hürde für den Einsatz mobiler Robotersysteme zum aktuellen Zeitpunkt aufgrund fehlender industrieller Kommunikationsstandards sehr hoch; dies gilt auch für ROS. Hier bedarf es weiteren Anstrengungen um den Einsatz mobiler Robotersysteme in aktuellen und zukünftigen Produktionsnetzwerken zu realisieren.

Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart wird in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) daran gearbeitet, die Integrationsmöglichkeiten von Robotersystemen basierend auf ROS in ein Produktionsnetzwerk zu befördern. Durch den Einsatz der Kommunikationstechnologie OPC Unified Architecture (OPC UA) soll die Möglichkeit geschaffen werden systemübergreifend eine Kommunikation zwischen den Systemen einer flexiblen und dynamischen Produktion – das sind beispielsweise Fertigungs- und Montagesysteme, Transport- und Assistenzsysteme, Steuerungs- und Managementsysteme – aufzubauen. Unter Berücksichtigung des Referenzarchitekturmodells Industrie 4.0 (RAMI4.0) sowie den Zielstellungen und Empfehlungen der unterschiedlichen Arbeitsgruppen und Verbände ist OPC UA in diesem Zusammenhang prädestiniert (siehe Infobox).

ROS besteht in der Release-Version 1.0 seit dem Jahr 2010. Aktuell werden große Anstrengungen unternommen, um ROS in der Version 2.0 zu entwickeln. Beiden Versionen ist der modulare Aufbau gemein – ein ROS-Netzwerk besteht aus sogenannten ROS-Knoten, die zusammen die Funktionalität und Fähigkeiten von Robotersystemen umsetzen. Die Kommunikation innerhalb des ROS-Netzwerkes erfolgt über Nachrichten. Diese Netzwerkstruktur erlaubt die Anpassung oder gar den Austausch einzelner ROS-Knoten, ohne das Gesamtsystem negativ zu beeinflussen und fördert zudem die Integration und damit die Wiederverwendung bestehender Funktionalitäten, die von und für die ROS-Community bereitgestellt werden.

Integration von Robotersystemen mittels OPC UA

ROS2.0 wird gegenüber ROS1.0 nun basierend auf den Erfahrungen im praktischen Einsatz grundlegend verbessert. Durch den Einsatz von Abstraktions-Layern und definierter Interfaces wird der Modularisierungsgedanke auf eine neue Stufe gehoben – hiervon profitiert nun auch dieses Vorhaben: Durch die weitreichende Entkopplung von Funktionalität und Kommunikation besteht die Möglichkeit unter Beibehaltung der ROS-Funktionalität die bestehende Kommunikationsmechanismen durch OPC UA zu erweitern. OPC UA weist mit den Fähigkeiten der synchronen und asynchronen Kommunikation, der Ausführung von Methoden sowie der in der Spezifikation befindlichen Publisher/Subscriber-Technologie die notwendigen Mechanismen auf.

Damit einhergehend ist zu erwarten, dass die Aufwände für die Entwicklung von Treibern reduziert werden – im Zuge der Verbreitung von OPC UA werden auch sukzessive Komponenten mit integriertem OPC UA Server bereitgestellt – und OPC UA Komponenten direkt in ein ROS-Netzwerk eingebunden und angesprochen werden können. Dies und die zusätzliche Bereitstellung entsprechender OPC UA Endpunkte für ROS-Netzwerke erleichtert demnach die horizontale und vertikale Integration im Zusammenspiel zwischen Produktionsnetzwerken, Robotersysteme und Komponenten.

Mobile Robotersysteme werden in den Produktionsnetzwerken der Zukunft, wie sie im Kontext von Industrie 4.0 und Smart Factories angedacht sind, eine große Rolle spielen. Mit ROS besteht dafür ein Entwicklungsframework, welches die hierfür notwendige Entwicklung von Funktionalitäten und Fähigkeiten von Robotersystemen stark befördert. Hinsichtlich der Integrationsmöglichkeiten von Robotersystemen in dynamische und flexible Prouktionsnetzwerke bedarf es jedoch weiterer Anstrengungen. Die Verwendung von OPC UA als ROS-interner und ROS-übergreifender Kommunikationsmechanismus ist diesbezüglich gewinnbringend: OPC UA ermöglicht als herstellerübergreifende, plattformunabhängige, performante und abgesicherte Kommunikationstechnologie die nahtlose und beherrschbare Integration von mobilen Robotersystemen in ein Produktionsnetzwerk. Die Erweiterung um TSN ermöglicht zusätzlich eine Echtzeit-Kommunikation zwischen einzelnen Systemen. Die Kombination der Open-Source Technologien ROS und OPC UA schaffen gute Transfermöglichkeiten und niedrige Einstiegshürden und bergen Potenzial zu Kostensenkungen durch einen hohen Grad der Wiederverwendung. Darüber hinaus ist die Konformität mit den Ansätzen und Empfehlungen aus den Arbeitsgruppen zu Industrie 4.0 sowie RAMI4.0 gegeben. hs

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