Open Source Software für die Robotik ROS

ROS Industrial ist ein Open Source Framework, das sich für Robotik-Applikationen eignet. - Bild: Adobe Stock - volyk

| von Susanne Nördinger

Das Rad muss man nicht neu erfinden. Man kann es stattdessen als Baustein in innovative Fahrzeuge integrieren. Ähnlich ist es mit der Open Source Software ROS (Robot Operating System). Sie steht als Framework allen Mitgliedern der ROS Community kostenfrei zur Verfügung und eignet sich vor allem für die unteren Schichten der Automatisierung, zu denen beispielsweise Treiber und Kommunikationsschnittstellen zu unterschiedlichen Feldbussen gehören.

Mit ROS vorhandene Quellcodes direkt nutzen

Mitglieder der ROS Community können vorhandene Quellcodes direkt nutzen und müssen sie nicht nochmal mit eigener Mannschaft neu programmieren. „Ich bin der einzige Entwickler bei uns“, berichtet Victor Lamoine vom Institute Maupertuis, „und da ich ROS nutze, kann ich auf die Arbeit anderer zugreifen und meine Applikationen schneller voranbringen.“

Und am Ende profitiere jeder von den Neuentwicklungen der anderen Community-Mitglieder. Das ist definitiv einer der Vorteile einer Open Source Software wie ROS. Ein anderer Vorteil von ROS ist laut Lamoine, dass man alles, was mit ROS entwickelt wird, sehr einfach für Roboter unterschiedlicher Marken nutzen kann.

Persönlich gefällt dem Robotik-Ingenieur, dass ROS auf Linux aufbaut, dass die Open Source Software unterschiedlichste Standards in der Industriekommunikation unterstützt und dass es eine sehr aktive Entwickler-Community gibt, die von Tag zu Tag wächst. Lamoine nutzt ROS Industrial zum Beispiel auf Fanuc-Robotern in Bereichen wie additive Fertigung, automatisiertes Schleifen oder zur Steuerung von Fertigungsprozessen.

Umfrage: Warum sollte man ROS in industriellen Applikationen nutzen?

Mikkel Rath Hansen, Senior Specialist am DTI, Center for Robot Technology: "ROS in industriellen Applikationen zu nutzen macht Sinn, wenn man mit flexiblen Robotern arbeitet, die auf Automatisierungsmodulen basieren. Denn solche Robotersysteme werden oft umkonfiguriert, um neue oder auch komplett andere Jobs zu erledigen, und dazu braucht es modulare Software wie ROS."

Die ersten Quellcodes des speziell auf die Bedürfnisse von Industrieanwendern zugeschnittenen ROS-Industrial-Betriebssystems wurden bereits 2012 entwickelt. Seitdem hat sich viel getan, gerade in den vergangenen drei Jahren:

„Roboterhersteller haben begonnen, ROS zu unterstützen, öffentliche Geldgeber investieren und große IT-Unternehmen haben endlich ‚eine Plattform‘ für die Robotik, auf der sie ihre Cloud- und sonstigen Angebote aufbauen können“, sagt Dr. Mirko Bordignon, Leiter des ROS-Industrial-Konsortiums Europa und Gruppenleiter am Fraunhofer IPA. Das erhöhe auch die ROS-Nachfrage.

Was lässt sich also konkret mit ROS Industrial machen? Transportroboterhersteller Insystems nutzt die Open Source Software beispielsweise im Bereich simultane Positionsbestimmung und Kartenerstellung. „Unsere Transportroboter erfassen über eingebaute Laser sowie ein zusätzliches Odometriesystem ständig ihre Umgebung und entwerfen eine 2D-Karte einschließlich aller eingescannten statischen und dynamischen Objekte“, erklärt Geschäftsführer Henry Stubert.

Roboter berechnet autonom seine optimale Fahrtroute

Der Roboter lokalisiert dann innerhalb der Karte seine absolute Position, misst den Abstand zu wahrscheinlichen Hindernissen und berechnet autonom seine optimale Fahrtroute. ROS macht es dabei möglich, ein herstellerunabhängiges Fahrerloses Transportsystem anzubieten. Jeder Kunde hat so laut Stubert die Chance, sein FTS individuell weiterzuentwickeln.

„Das Spezielle an unserem ROS ist zudem, dass wir es mit einem zusätzlichen in Kooperation mit Siemens entwickelten Open Source Framework liefern“, erklärt Stubert. Mit dem Framework lässt sich der Transportroboter in dezentralisierte, kollaborierende und non-hierarchische IoT-Netzwerke einbinden und multiple Kommunikationen zwischen Maschinen und Anlagen in einer Fabrik realisieren.

Umfrage: Warum sollte man ROS in industriellen Applikationen nutzen?

Henry Stubert, Geschäftsführer von Insystems Automation: "Wir setzen auf ROS in unseren Applikationen, um Kunden Investitionssicherheit zu verschaffen. Dazu bieten wir offene Schnittstellen zur Steuerung unserer Roboter an und übergeben dem Kunden sämtliche Quellcodes und Packages. ROS ermöglicht uns also, ein herstellerunabhängiges FTS anzubieten."

Auch Systemintegrator Bär Automation arbeitet mit ROS. Immer dann, wenn es um die sogenannte FiFi-Applikation - einen gestengesteuerten mobilen Roboter - oder die autonome Navigation in den Projekten mit Fahrerlosen Transportsystemen geht.

„ROS bildet ein einheitliches Betriebssystem für Roboter beziehungsweise FTF mit einer definierten Schnittstelle zwischen den einzelnen Programmen“, berichtet Vertriebschef Elmar Klamser. Ohne diese Basis müsste man alles selbst definieren und selbst programmieren. Weiterhin wäre es deutlich komplizierter, auf die Open Source Software zuzugreifen, die mit dem ROS Framework programmiert wurde.

Bär Automation ROS FTF
Bei dem Systemintegrator ‚Bär Automation‘ kommt ROS zum Beispiel bei der sogenannten FiFi-Applikation, einem gestengesteuerten, mobilen Roboter, zum Einsatz. Aber auch die autonome Navigation in den FTF-Projekten basiert auf dem ROS Framework und kann somit ohne ROS nicht eingesetzt werden. - Bild: Bär Automation

Auch die mobilen Roboter von MIR – die laut CSO Niels Jul Jacobsen ihren Dienst zu 95 Prozent in industriellen Applikationen verrichten – laufen auf ROS. Das Gute an der Open Source Plattform ist, dass man Software wiederverwenden kann, die andere entwickelt haben, erklärt Jacobsen.

Das beschleunigt insgesamt die Softwareentwicklung bei MIR. Jacobsen weiß aber auch, dass Industriekunden beim Thema Open Source Software oft große Sicherheits-Bedenken haben. „Bei MIR läuft daher die Sicherheits-Software auf einer Sicherheits-SPS und ROS mit der Navigationssoftware auf einem separaten PC“, verrät der Roboter-Experte.

Die Sicherheit sei dadurch immer gewährleistet. Egal, was man mit der ROS-Software anstellt. „Ohne diese Absicherung wäre es nicht erlaubt, unsere Roboter in Industrieumgebungen fahren zu lassen“, fügt Jacobsen hinzu.

Auch für Handling oder Schleifen eignet sich die Open Source Software

Es gibt aber neben der Navigation weitere Einsatzgebiete für ROS. In Nordamerika tut sich zurzeit viel im Bereich Handling und Oberflächenveredelung – sprich Schleifen oder Lackieren – berichtet Matthew Robinson vom ROS-Industrial Consortium Americas. Robinson hat dabei ver¬schiedenste Herangehensweisen an die ROS-Thematik beobachtet. Manchmal fängt ein Endanwender quasi bei null an mit einem ‚Proof-of-Concept‘, das dann weiterentwickelt wird, bis es sich für Produktionsbedingungen eignet.

Manchmal arbeiten mehrere Gruppen gemeinsam an einer Applikation, was natürlich schneller geht. Auf Wunsch erhalten Entwickler auch Unterstützung beim ROS-I Consortium. Grundsätzlich wird neu geschaffener ROS source code der Community zur Verfügung gestellt, sodass sich andere Nutzer wieder ein Beispiel daran nehmen können.

„In vielen Firmen arbeiten Roboter unterschiedlicher Hersteller, die auch noch verschieden alt sind“, weiß Robinson. Wenn man ROS Industrial nutzt, könne das einige der Herausforderungen minimieren, die aus dem Einsatz solch unterschiedlicher Hardware resultieren.

Cobots im Fokus dieser ROS-Anwendung

Das Danish Technological Institute (DTI) wiederum hat die Software ‚Robot Coworker‘ für kollaborierende Roboter entwickelt, die auf ROS aufbaut. Hinzugefügt wurden dann eine graphische Bedienoberfläche zum Programmieren und Setup des Roboters sowie Interfaces zu den am meisten verbreiteten Robotermodellen.

Danfoss nutzt die Software für das Verpacken und die Montage von zwei verschiedenen Produkten. Das System lässt sich ad hoc von einem auf den anderen Arbeitsablauf umstellen. Früher war damit ein Werker rund 20 h pro Woche beschäftigt. Weiterhin wäre es nicht möglich gewesen, die Aufgabe mit zwei separat arbeitenden Robotern zu automatisieren.

Umfrage: Warum sollte man ROS in industriellen Applikationen nutzen?

Niels Jul Jacobsen, CSO bei MIR: "Dank ROS können unsere Kunden Robotik-Applikationen erweitern und auf ihre Bedürfnisse anpassen. Die größten Bedenken bei einer Open Source Plattform wie ROS gibt es in Bezug auf die Sicherheit. Bei MIR läuft daher die Sicherheits-Software auf einer Sicherheits-SPS und ROS mit der Navigationssoftware auf einem separaten PC."

„Die Entscheidung, ROS als zugrundeliegendes System für die Robotik-Applikation bei Danfoss zu nehmen, ist uns leichtgefallen“, erinnert sich Mikkel Rath Hansen, Senior Specialist am DTI: „Wir hatten ja schon früher bei der Entwicklung der Software Coworker mit ROS gearbeitet. Und es hätte kein anderes Framework am Markt gegeben, dass uns dieselbe Flexibilität gegeben hätte und dass so viele hochentwickelte Eigenschaften wie zum Beispiel Computervision oder Bewegungsplanung bereits gebrauchsfertig beinhaltet.“

Ein weiterer Vorteil von ROS sei, dass neue Kollegen und auch Kooperationspartner ROS meist schon kennen. Die Lernkurve sei damit steil.

Auch Roboterhersteller Universal Robots hat schon immer eine besondere Verbindung zu ROS. „Das liegt unter anderem daran, dass sich unser CTO Esben Østergaard und ROS-Gründer Brian Gerkey schon sehr lange persönlich kennen, bevor es ROS und UR überhaupt gab“, berichtet Anders Billesø Beck, der als Innovation Lab Manager für UR arbeitet. Beide Technologien seien außerdem 2008 auf den Markt gekommen.

Umfrage: Warum sollte man ROS in industriellen Applikationen nutzen?

Matthew Robinson, Program Manager ROS-Industrial Consortium Americas: "Mit Tools wie ROS verschwinden die Hardware-spezifischen Nuancen, die Entwicklungen oft verlangsamen. So ist es möglich, verschiedene Arten von Hardware, die bereits in einer Produktion existieren, in Schwung zu bringen. Denn in den meisten Firmen gibt es etwa Roboter verschiedener Marken."

Wie Beck erklärt, läuft ROS nicht als Betriebssystem auf einem Industrieroboter. Es läuft immer auf einem externen PC und schickt seine Befehle über einen Treiber an den Roboter. Den ersten Treiber für UR-Roboter hat die ROS Community bereits 2010 entwickelt.

Neuer Treiber für schwierige Automatisierungsaufgaben

„Seit einigen Jahren ist der UR-Treiber die am öftesten downgeloadete Softwarekomponente im Bereich ROS Industrial“, weiß Beck. ROS bezeichnet der Robotik-Experte als eine ausgezeichnete Software für die Robotikforschung oder die Entwicklung von neuen Robotik-Technologien.

Derzeit arbeitet Universal Robots mit dem Forschungszentrum Informatik (FZI) an einem neuen ROS-Treiber für UR. „Das steht an, da bei den Open-Source-ROS-Treibern in den vergangenen Jahren leider etwas am Thema Instandhaltung gespart wurde“, verrät Beck. Darunter hätte die ‚User Experience‘ manchmal gelitten. Mit dem neuen Treiber sollen Forscher auch schwierige Automatisierungsaufgaben entwickeln können und später über das UR+ Ökosystem auf den Markt bringen. „Im Optimalfall profitieren so auch Anwender aus der Industrie davon“, erläutert Beck.

Umfrage: Warum sollte man ROS in industriellen Applikationen nutzen?

Anders Billesø Beck, Innovation Lab Manager bei Universal Robots: "Wir entwickeln mit dem FZI in Karlsruhe einen neuen ROS-Treiber für UR. Forscher können damit neue Lösungen für schwierige Automatisierungsaufgaben entwickeln und später über unser UR+ Ökosystem auf den Markt bringen. Im Optimalfall profitieren so auch Anwender aus der Industrie davon."

In Zukunft wollen sich auch Softwaregiganten wie Microsoft, Amazon Web Services und Google im Umfeld von ROS engagieren.  Bordignon vom Fraunhofer IPA weiß, welche Konsequenzen das haben könnte: „ROS-Anwender werden von der Diversifizierung der Anbieter, aber auch der Standardisierung nach APIs/Plattformen, enorm profitieren.“

Der Trend gehe weg von dem Konzept, dass ein Systemintegrator oder Roboterhersteller selbst eine maßgeschneiderte Lösung anbietet, hin zu einer Zukunft, in der Anwender nach dem Prinzip „wähle die Komponenten, die Du benötigst, und baue Dir Dein System“ agieren können. „Die Investition des Anwenders wird so rentabler, weil es nicht mehr eine nur einmal verwendbare Lösung ist“, lautet das Fazit des ROS-Experten.

Dem stimmt sein Counterpart aus Amerika, Matthew Robinson, zu: „Es gibt viele Vorteile. So lässt sich die Rechenleistung einer Cloud beispielsweise für die Planung und Verkettung von Prozessen nutzen, was sehr rechenintensiv sein kann. Cloud-Lösungen lohnen sich aber auch, wenn eine Firma mehrere Standorte betreibt.

Automatisierungsquote: Wo arbeiten die meisten Roboter?

Global betrachtet arbeiten im Schnitt 74 Roboter pro 10.000 Mitarbeiter in der Fertigungsindustrie. Das gab die International Federation of Robotics (IFR) in der jüngsten Statistik bekannt. Klicken Sie sich durch und sehen Sie, wie die Roboterdichte laut IFR weltweit verteilt ist.