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Wie lassen sich Robotersysteme auch für kleinere Losgrößen wirtschaftlich nutzen? Das kürzlich abgeschlossene Forschungsprojekt 'ReApp' will Antworten auf diese Frage liefern.

Wirtschaftlich im Betrieb, rasch installierbar, intuitiv zu bedienen und für die Interaktion mit den menschlichen Kollegen geeignet: Solche Robotersysteme sind hervorragend geeignet, gerade kleine und mittelständische Unternehmen bei ihrer kundenorientierten Produktion zu unterstützen. Schlüsseltechnologien hierfür entwickeln Mitarbeiter des Fraunhofer IPA in mehreren geförderten Projekten. Es geht um die passenden Komponenten und Anwendungen für den effizienten und rentablen Robotereinsatz im Mittelstand.

Mit dem frei verfügbaren Robot Operating System ROS können Robotersysteme schneller und effizienter entwickelt, eingerichtet und in Betrieb genommen werden. Da ROS zudem kommerziell nutzbar ist, können auch Unternehmen von den Vorteilen profitieren. Seit 2013 setzt sich zudem die Initiative ROS-Industrial - unter anderem koordiniert vom Fraunhofer IPA - dafür ein, dass ROS weiter auf die Anforderungen und Ansprüche im industriellen Umfeld zugeschnitten wird.

Robotersysteme sind dank neuer Technologien auf dem Vormarsch. Sie einzurichten ist jedoch noch zeit- und kostenintensiv und nur für hohe Stückzahlen rentabel. Mit dem frei verfügbaren Robot Operating System hingegen lassen sie sich effizienter entwickeln und in Betrieb nehmen.

Die Highlights der vierten Generation der Serviceroboters Care-0-bot erläutert der IPA-Projektleiter Dr.-lng. Ulrich Reiser im Gespräch mit der Automationspraxis.

Das aus der Forschung kommende Open-Source-Roboterbetriebssystem ROS soll künftig auch hierzulande in industriellen Anwendungen Fuß fassen. Dieses Ziel verfolgt das kürzlich ins Leben gerufene, europäische ROS-Industrial-Konsortium unter Leitung des Fraunhofer IPA. Dr.-lng. Ulrich Reiser, Koordinator dieser Initiative, erläutert die Hintergründe.

Die Entwicklung von Robotersystemen zeichnet sich aus durch einen immer größeren Anteil der Integration bestehender Technologien unter anderem aus den Bereichen Automatisierungstechnik, Maschinenbau und Informatik. Insbesondere für komplexe Serviceroboter, die in dynamischen und unstrukturierten Umgebungen eingesetzt werden und daher mit einer Vielzahl von Soft- und Hardwarekomponenten ausgestattet sind, werden Methoden zur Vereinfachung der Systemintegration benötigt. Der Bedarf an Abstraktion der Komplexität besteht umso mehr, als diese Systeme in der Regel in multi-disziplinären Teams an verteilten Standorten entwickelt werden. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden und Konzepte zur Vereinfachung des Entwicklungs- und Integrationsprozesses von komponenten-basierten Applikationen auf komplexen Servicerobotern mit verteilten Rechnerarchitekturen vorgestellt. Zur Identifikation der Besonderheiten der Roboterentwicklung werden typische Entwicklungsszenarien in derServicerobotik- Forschung analysiert. Neben der Konzeption eines Vorgehensmodells für die verteilte Entwicklung und Integration stehen Technologien zur Abstraktion der Deployment-Aktivitäten im Fokus, die die werkzeuggestützte Installation und Aktualisierung, die Konfiguration für das Zielsystem, die Zielumgebung und eventuelle Nutzerpräferenzen sowie die Bedienung der Applikation umfassen. Durch diese Technologien und Konzepte soll eine Verbesserung der Rollentrennung von Komponentenentwicklern, Applikationsentwicklern und Systemintegratoren sowie die Effizienzsteigerung des Integrationsprozesses durch räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten erzielt werden. Als Basis für die Konzeption der abstrakten Deployment-Werkzeuge wird unter anderem eine erweiterbare domänenspezifische Sprache zur Ressourcenmodellierung des Zielsystems "komplexer Serviceroboter" und eine abstrakte Laufzeitumgebung zum hardwareunabhängigen Zugriff aufRobotersysteme entwickelt. Die einzelnen Deployment-Werkzeuge zur Planung, Installation, Konfiguration und Aktivierung werden in Form einer webbasierten Integrations- und Testplattform als geschlossene Deployment-Werkzeugkette integriert. Zur quantitativen Evaluierung der entwickelten Werkzeuge wird zunächst eine mathematische Formulierung des Integrationsaufwands auf der Basis von Kostenschätzmodellen der Softwaretechnik erstellt. Mit Hilfe dieser Evaluierungsmethodik wird am Beispiel eines großen Verbundforschungsprojektes die Effektivität der entwickelten Werkzeuge nachgewiesen. Die räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten sowie die damit einhergehende Verbesserung der Rollentrennung der einzelnen Entwickler wird durch graphische Auswertungen anschaulich belegt., The development of robot systems depends more and more on the integration of existing technologies e.g., from automation, mechanical engineering and computer science. In particular, complex service robots that are applied outside of production halls in dynamic and unstructured environments consist of a multiplicity of software and hardware components, requiring methods to reduce system integration. The demand for the abstraction of this complexity is increased by the fact that these robot systems are typically developed in multi-disciplinary teams at different sites. In this thesis, methods and concepts are presented that simplify the distributed development and integration process of component based applications for complex service robots that perform computation on a distributed system. For the identification of the specialties of the robot development process, typical development scenarios in robotics research are analyzed. In addition to the conception of adedicated process model for distributed development and integration, this work focuses on the abstraction of the deployment activities, incorporating tool supported installation, update, configuration for target platform, target environment and possible user preferences, as well as activation and deactivation of the application. These measures aim at the separation of roles of component developers, application developers and system integrators, as well as a substantial increment in the efficiency of the robot development process through temporal and spacial decoupling of integration and test activities of the single developers. For the conception of the tools to abstract the deployment activities, an extensible domain specific language is introduced to model the available resources of the target system "complex service robot". Furthermore an abstract runtime environment for a hardware-agnostic system access is developed. All tools for the single deployment steps (planning,installation, update, configuration, activation / deactivation) are integrated in a web-based integration and test platform to provide a complete deployment tool-chain. In order to quantitatively evaluate the developed tools, a formal representation of the integration effort based on software cost estimation models is derived. Using this formal representation, the efficacy of the tools and methods developed in this thesis is evaluatedin the context of a joint robotics research project. The temporal and spacial decoupling of the integration and test activities as well as the coinciding improvement of the separation of roles is shown in graphical evaluation charts.

Bis dato ist die Automatisierungstechnik durch proprietäre Schnittstellen und starke Bindungen an Roboter- und Steuerungshersteller geprägt. Eine herstellerunabhängige Open-Source-Softwareplattform soll nun effizientere Lösungen ermöglichen und mit wiederverwendbaren Softwarekomponenten insbesondere für Systemintegratoren große Einsparpotenziale bieten.

Contrary to the assumptions underlying many current robot systems, teaching is an interactive process where the tutor needs to be continuously informed about the learner’s internal states of understanding and perception. In an open ended learning situation this interaction can not be pre-modelled as the aspects that need clarification can not be foreseen. However, standard approaches do exactly this: they pre-define interactions by coupling system states with dialog acts. In our approach we target at losening this coupling between system and dialog states by providing general task and interaction patterns and means to relate them to each other. By this approach we are now able to provide on the one hand a dialog system that is relatively easily adaptable to new scenarios and on the other hand mixed-initiative interactions that allow the system to inform the tutor about internal representations when they become important for the interaction.

Integrating the components described in the previous articles of this chapter, we introduce the Bielefeld “Curious Robot”, which is able to acquire new knowledge and skills in direct human-robot interaction. This paper focuses on the cognitive architecture of the overall system. We propose to combine (i) a communication layer based on a generic, human-accessible XML data format, (ii) multiple low-level sensor and control processes publishing their sensor information into the system and receiving commands or parameterizations from higher-level deliberative processes, and (iii) high-level coordination processes based on hierarchical state machines. The efficiency of the proposed approach is shown in an interactive tutoring scenario, where the Bielefeld “Curious Robot”, a bimanual robot system, should learn to identify, grasp, and clean various everyday objects from a table. The capability of the system to interact with lay persons is proven in a user study.