Roboter programmieren: So einfach wie Lego bauen

Das Potenzial von Robotern ist noch lange nicht ausgeschöpft – ob als Bausteine in Industrie 4.0-Szenarien, als flexible Hol- und Bringdienste in der Intralogistik oder als Montagehelfer im Bereich Mensch-Roboter-Kollaboration. In vielen dieser neuartigen Anwendungsgebieten wird es in Zukunft notwendig sein, dass ein und derselbe Roboter unterschiedliche Aufgaben übernimmt.

Henning Borkeloh, Vice President, Advanced Technology Solutions bei Kuka Systems, erklärt das für den Bereich Mensch-Roboter-Kollaboration: Neben der Vollautomatisierung mit Industrierobotern gebe es immer mehr Prozesse, bei denen eine flexible Lösung mit einem sensitiven Roboter die wirtschaftlich rentablere Option darstellt. „Das sehen auch unsere Kunden so. Für sie haben sich die Anforderungen in den letzten Jahren stark verändert“, sagt der MRK-Experte.

Aufgrund kürzerer Produktzyklen und differenzierterer Produkte stünden sie vor der Herausforderung, Auslastungsspitzen und Ressourcenengpässe in der Produktion abzufedern – und fragen sich, inwieweit MRK-Lösungen dazu beitragen können. Dies biete eine große Chance für MRK-Systeme wie den Kuka Flexfellow, der auf dem siebenachsigen Leicht­bauroboter LBR iiwa basiert. Diese Maschine kann ortsflexibel je nach Bedarf manuell an verschiedene Einsatzorte gebracht und dort je nach Auslastung mit mehr oder weniger Robotern oder Werkern kombiniert werden. „Unsere Kunden erkennen zunehmend die Notwendigkeit, schnell, flexibel und auch energie- und ressourcenschonend zu produzieren. Denn nur so können sie auch in Zukunft konkurrenzfähig bleiben. Wir gehen deshalb davon aus, dass sich die Akzeptanz für MRK-Systeme weiterhin positiv entwickeln wird“, sagt Borkeloh.

Um die Entwicklung komplexer Robotersysteme zu erleichtern, ist das EU-Forschungsprojekt Robmosys (Composable Models and Software for Robotics) Anfang des Jahres gestartet. Unter Einbeziehung der Gemeinschaft zielt das Projekt darauf ab, die bestmögliche Unterstützung für ein offenes, nachhaltiges und agiles europäisches Softwareökosystem für die unterschiedlichen Einsatzbereiche der Robotik zu etablieren. Wie das umgesetzt werden soll und wie Roboterhersteller, Systemintegratoren und Roboternutzer von dem Projekt profitieren können, erklärt Prof. Schlegel von der Hochschule Ulm.

Grundsätzlich soll bei dem Forschungsprojekt Robmosys die Entwicklung von komplexen Robotersystemen, die einen großen Softwareanteil beinhalten, auf eine andere Engineering-Ebene gehoben werden. Und da spricht man laut Prof. Schlegel, Hochschule Ulm, von modellgetriebener Softwareentwicklung und von Rollentrennung. „Wir wollen dadurch schlichtweg erreichen, dass man Softwarebausteine für die Robotik einfach wiederverwenden, einfach zusammensetzen kann. Und dass man vorhersagen kann, welche Eigenschaften die aus Softwarebausteinen zusammengefügten Systeme dann aufweisen werden“, erläutert Schlegel. Dabei sei auch wichtig, dass das Gesamtsystem alle Eigenschaften abdeckt, die man tatsächlich benötigt. Und das müsse man von Beginn an nachvollziehen und auch garantieren können.

Bisher hat die Entwicklung von komplexen Robotersystemen laut Schlegel nur auf der Source-Code-Ebene funktioniert. Dadurch müssen sich alle Beteiligten, die verschiedene Softwarebausteine zusammenfügen, immer wieder in den Source-Code einarbeiten, damit sich ein komplexes Robotersystem als Gesamtlösung herstellen lässt.

In der modellbasierten Softwareentwicklung nutzt man stattdessen einfach gesagt Vorgehensweisen und Modelle. „Aufgrund dieser Vorgehensweisen und Modelle können wir vorhersagen, welche Eigenschaften die Lösung haben wird“, berichtet Schlegel und fährt fort: „Natürlich werden auch bisher Robotersysteme ingenieursmäßig entwickelt“, sagt Schlegel. Nur leider seien es oft viel zu geschlossene Lösungen, die nur schwer anpassbar sind: Entweder gebe es also einen Standardroboter, der aufgrund der hohen Stückzahlen einen vernünftigen Preis aufweist. Oder die Maschine sei eine Spezialentwicklung. Und die ist dann Schlegels Erfahrung nach entsprechend teuer und aufwendig.

Um auch in bisher wenig automatisierten Bereichen Roboter zu nutzen, braucht man etwas dazwischen, so die Einschätzung des Informatik-Professors: „Etwas, das angepasst ist, das anpassbar und integrierbar ist. Denken Sie an Bereiche wie Intralogistik, Gesundheitswesen, Mensch-Roboter-Kollaboration oder allgemein Industrie 4.0-Szenarien, wo Flotten von Robotern nur Bausteine sind. Der Roboter ist dann nicht mehr nur eine Einzelkomponente, er muss mit einer Anwendungsdomäne und den Anforderungen zurechtkommen.“

Und das ist eines der Ziele von Robmosys: „Wir wollen Softwarewerkzeuge erstellen, sodass verschiedene Anbieter Softwarebausteine für einzelne Fertigkeiten, die ein Roboter etwa in einer I4.0-Anwendung erledigen muss, erstellen können“, erklärt Schlegel. Diese Softwarebausteine sollen sich wie Legosteine einfach zusammenfügen lassen und über die Eigenschaften der anderen Bausteine Bescheid wissen. Will man schließlich den 

für eine solche Aufgabe einsetzen, nimmt man sich einen solchen Softwarebausteine und die Applikation funktioniert. „Man kann den Roboter aber ebenso schnell mit einem neuen Softwarebaustein umprogrammieren. Und schon erledigt der Roboter eine neue Aufgabe“, sagt der Informatik-Professor.

Das Forschungsprojekt zum Thema Modellbasierte Softwareentwicklung ist am 1. Januar 2017 gestartet und läuft vier Jahre. Es beinhaltet zwei sogenannte Open Calls. „Da werden 50 Prozent des gesamten Projektvolumens in Projekte ausgeschüttet, die die Umsetzung unserer Vision vorantreiben“, erläutert Prof. Schlegel. Es geht also um eine gemeinsame Community-Aktivität, die unter dem Motto ‚Better Models, Better Tools, Better Systems‘ steht. „Aktuell entwickeln, oder besser gesagt explizieren wir bei uns im Konsortium die Strukturen, auf die man dann aufsetzen kann“, verrät Schlegel. Das Besondere am Projekt Robmosys sei, dass unterschiedliche Hochschulen, die seit vielen Jahren an der modellgetriebenen Entwicklung in der Robotik forschen, nun gemeinsam unterwegs sind.

Für das zweite Halbjahr 2017 haben sich die Forscher-Teams vorgenommen, ihre modellgetriebenen Ansätze weiter zu konsolidieren und kontinuierlich zu veröffentlichen, sodass in der Community rechtzeitig zum Start von Open-Call-Projekten in 2018 eine entsprechende Basis vorhanden ist. „Über die Community-Einbindung verfügen wir dann gemeinsam hoffentlich über ein entsprechendes Momentum für den Step-Change hin zu modellgetriebenen Ansätzen und können etwas bewegen“, sagt der Informatik-Professor.

Aktuell werden die Open Calls vorbereitet, auf welche sich explizit Firmen bewerben sollen. Im Idealfall wünscht man sich Tandems aus den Bereichen Forschung und Industrie, zum Beispiel Anwender und Robotik-Experte oder Software-Engineer und Robotik-Experte. „Denn wir wollen nichts in Isolation neu erfinden, sondern in der Tat beispielsweise die Verbindungen herstellen in die Domänen oder zu Technologien, die anderswo genutzt werden“, erklärt Schlegel.

Für neue Anwendungen genügt es laut Prof. Schlegel von der Hochschule Ulm nicht, einen Roboter von der Stange zu verkaufen. Die meisten Roboterhersteller arbeiten daher mit Systemintegratoren zusammen, die für das Projektgeschäft verantwortlich sind. Die Bandbreite an neuen Robotikanwendungen lässt sich mit den wenigen Systemhäusern aber gar nicht abdecken, so das Urteil von Schlegel: „Ein Roboterhersteller will daher gerne passende Software-Bausteine liefern, über die auch andere die nötige Anwendungs- oder Domänenexpertise erhalten. Denn so entsteht auch für den Roboterhersteller neues Marktvolumen.“

Systemintegratoren sind die Schnittstelle zwischen Roboterhersteller und Anwender. „Und diese Vermittlerrolle fordert derzeit viel zu viel Interaktion etwa in Bezug auf die Details der notwendigen Software-Bausteine“, erläutert Prof. Schlegel. Denn aktuell könnten Softwarebausteine nicht einfach wiederverwendet werden. Aus diesem Grund seien viele Integratoren direkt mit einem Roboterhersteller verbunden und dazu auch noch auf eine bestimmte Domäne spezialisiert, zum Beispiel Schweißen. Im Bereich Landwirtschaft, Healthcare oder Lebensmittelindustrie gäbe es laut Schlegel viele Roboteranwendungen, aber da fehlen Integratoren mit dem passenden Domänenwissen.

„Es lohnt sich momentan für Integratoren nicht, sich auf solche Domänen zu spezialisieren, sie arbeiten lieber in Bereichen wie Automotive, wo die Stückzahlen höher sind“, weiß Schlegel. Diese Bereiche seien aber gesättigt. „In den neuen Domänen ist für Integratoren noch viel Wertschöpfung möglich. Aber nur dann, wenn man mehr Software­bausteine als heutzutage wiederverwenden kann, nur die Spezialitäten gezielt entwickelt und so den Kostendruck senkt“, so Schlegels Einschätzung.

Der Begriff Endnutzer ist für Prof. Schlegel von der Hochschule Ulm ein kritisches Wort. Denn das könne ein Krankenhaus genauso sein wie ein Fabrikbetreiber oder auch ein Maschinenbauer. „Softwarebausteine erleichtern aber grundsätzlich dem Endanwender die Arbeit“, sagt Schlegel. Er profitiere von den besseren Systemen, die gezielter seinen Anforderungen entsprechen und daher wirtschaftlich besser darstellbar sind. So könne der Anwender Roboter und Automatisierung auch in Bereichen einsetzen, wo es bisher nur mit großem Kostenaufwand möglich war. Die modellgetriebene Entwicklung biete außerdem eine Garantie, dass sich das System später anpassen lässt – etwa an neue Aufgaben.