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BMBF - Projekt: ROBOTER-RCP – Entwicklung einer Rapid-Control-Prototyping (RCP) Umgebung für aufgabenorientierte und sprachgesteuerte Roboterapplikationen
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PROJEKT: Es soll eine roboterhersteller- und applikationsunabhängige Rapid-Control-Prototyping (RCP) Methodik zur Umsetzung von komplexen, sensorintensiven Robotikanwendungen entwickelt werden. Die Methodik soll neben dem RCP-Ansatz eine verbesserte Integration neuer Sensorik/Aktorik ermöglichen und einen aufgabenorientierten Steuerungsentwurf auf einem hohen Spezifikationsniveau sowie eine vereinfachte Entwicklung sprachgesteuerter Robotikanwendungen unterstützen.
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Iststand
Industrielle Robotikapplikationen werden heute zumeist mit roboterherstellerspezifischen Softwareumgebungen entwickelt, wobei zwischen on-line und off-line Programmierung unterschieden wird. Bei der on-line Programmierung, bekannt als Teachen oder Training, erfolgt die Steuerungsentwicklung unmittelbar am realen Roboter, während bei der off-line Programmierung erst bei der Inbetriebnahme der Steuerung mit dem realen Roboter gearbeitet wird. Zum frühzeitigen Steuerungstest stellen off-line Programmierumgebungen Simulations- und Visualisierungswerkzeuge zur Verfügung. Flexible Robotersteuerungen, d.h. Steuerungen die in Abhängigkeit von Sensorsignalen sehr unterschiedlich agieren müssen, werden in der Regel mittels off-line Programmierverfahren umgesetzt. Entscheidende Kritikpunkte gegenwärtiger off-line Programmierumgebungen sind: (1) die Herstellerabhängigkeit und das geringe Programmier-/Spezifikationsniveau der Softwareumgebungen, (2) die Beschränkung auf herstellerspezifische Sensorik/Aktorik aufgrund fehlender oder nur primitiver Schnittstellen und (3) die Begrenzung der Simulations- und Visualisierungswerkzeuge auf die Roboterkinematik. Die angeführten Kritikpunkte bedingen bei der Steuerungsentwicklung flexibler Robotikanwendungen erhebliche Entwicklungskosten. In der Entwicklungsphase komplizierter Robotikanwendungen werden Robotersteuerungen im Gesamtkontext, d.h. das Zusammenspiel eines Roboters mit den umgebenden Aggregaten, mit Simulationsmodellen getestet. Letztere werden mit speziellen ereignisdiskreten Modellierungs- und Simulationswerkzeugen erstellt. Nach Abschluss der Simulationsuntersuchungen werden die ausgewählten Steuerungsstrategien textuell beschrieben. Auf Basis der textuellen Beschreibungen erfolgt anschließend die Roboterprogrammierung in der herstellerspezifischen Softwareumgebung.
Projektansatz und Projektschwerpunkte
Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung einer durchgängigen Softwaremethodik für sensorintensive, flexible Robotersteuerungen von der frühen Entwurfsphase bis zum Betrieb auf Basis der off-line Programmierung. Ausgangspunkte bilden die Vorarbeiten der Forschungsgruppe zu simulationsmodellbasierten Prozesssteuerungen und der beim Regelungsentwurf eingebetteter Systeme bereits etablierte Rapid-Control-Prototyping (RCP) Ansatz. Die Grundidee beider Ansätze besteht in der durchgängigen Nutzung und schrittweisen Erweiterung von Modellen aus der frühen Entwurfsphase zu Steuerungsprogrammen beziehungsweise Reglern in der Betriebsphase. Die Generierung eines Steuerungs-/Regelungsprogramms auf der Zielhardware kann durch automatische Übersetzung oder implizite Nutzung des Modells in der Betriebsphase erfolgen. Abbildung 1 zeigt schematisch die Übertragung des beschriebenen Ansatzes auf eine Robotersteuerung. (s. Abbildung)
Die Steuerungsentwicklung erfolgt abgesetzt von der Roboterhard-/software in einer allgemeinen Modellierungs- und Simulationsumgebung auf einem PC. Dabei soll das hohe Spezifikations-/Programmierniveau heutiger Modellierungs- und Simulationsumgebungen ausgenutzt werden (hierarchischer Entwurf, graphische Programmierung, parallele Prozesse, offene Schnittstellen etc.). Bei komplexen Applikationen ist es erforderlich, neben der Robotersteuerung auch die weiteren Aggregate der Anwendung zu modellieren, wie in Abbildung 1 trivial in Form von Pufferplätzen angedeutet. Damit wird ein simulativer Test der gesamten Applikation ermöglicht. Darüber hinaus können bei entsprechender Integration des Modells in die Betriebsphase, analog zu modellbasierten Regelungen, Zustandsinformationen des Modells als Ersatz oder zur Verifikation von Sensorsignalen benutzt werden. Dazu ist bereits beim Aufbau des Entwurfsmodells streng zwischen Prozessebene (z.B. Materialfluss) und Steuerungsebene zu unterscheiden, wobei auf der Prozessebene jedes Prozesselement durch eine separate Modellkomponente abzubilden ist. Zum Testen der Modelle können die Debugging-Werkzeuge der Modellierungs- und Simulationsumgebung oder spezifische Visualisierungskomponenten benutzt werden.
Für den Einsatz des Entwurfsmodells als Steuerungsprogramm in der Betriebsphase müssen die Modellkomponenten der Prozessebene um eine Prozessschnittstelle erweitert werden. Weiterhin müssen bestimmte Modellvariablen durch Sensorwerte ersetzt werden. Die Generierung des Steuerungsprogramms erfolgt durch Übersetzung des Entwurfsmodells für die entsprechende Zielplattform (z.B. KUKA Controller) oder durch Einbindung des PCs mit dem Steuerungsprogramm (Host-PC) in die Betriebsphase. Bei letzterer Variante läuft auf der Zielplattform ein Interpreter, welcher Steuerungsanweisungen des Host-PCs in Robotersteuerungsbefehle übersetzt und entsprechende Rückmeldungen an den Host-PC sendet. Sensorsignale des Prozesses werden ebenfalls an den Host-PC gesendet. Für die prototypischen Untersuchungen im Rahmen des Projektes wird die Interpretervariante favorisiert, da sie softwaretechnisch einfacher realisierbar ist und mehr Experimentiermöglichkeiten gewährleistet.
Aufbauend auf der durchgängigen Entwicklungsmethodik soll im Projekt weiterhin untersucht werden, wie auf Basis von Statecharts (erweiterte finite Zustandsmaschinen) parametrierbare Aufgabenmodule für eine Robotersteuerung spezifiziert werden können, aus denen komplexe Aufgaben gebildet werden. In einem nachfolgenden Schritt soll eine aufgabenorientierte wissensbasierte Systemdarstellung entwickelt werden, die eine automatisierte Generierung und Parametrierung einer aufgabenorientierten Steuerung unterstützt.
Eine umfassende Prototypumsetzung der allgemeinen Methodik soll beispielhaft für eine Roboterzelle mit einem KUKA Roboter im Labor der Forschungsgruppe erfolgen. Darüber hinaus ist geplant, in Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern auch Teillösungen für andere Robotertypen zu entwickeln. Als Softwareplattform wird das im Ingenieurbereich etablierte wissenschaftlich-technische Entwicklungssystem Matlab/Simulink/Stateflow von The MathWorks eingesetzt. Die erweiterten Möglichkeiten zur Einbindung von Sensorik und zusätzlicher externer Software sollen am Beispiel einer Bildverarbeitung und einer aufgabenorientierten Sprachsteuerung auf Basis des Spracherkennungssystems VoCon von Scansoft untersucht werden. Als Prototypanwendungen soll eine fertigungstechnische Montage sowie eine Demonstrationsanwendung aus der biochemischen Laborautomatisierung umgesetzt werden.
Partner und Verwertung
Wissenschaftliche Partner sind Prof. Dr. Lampe vom Institut für Automatisierungstechnik der Universität Rostock und Prof. Dr. Abel vom Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen. Beide Partner sind unmittelbar in die Projektbearbeitung eingebunden und agieren als Mitbetreuer und Gutachter der beiden geplanten kooperativen Promotionsvorhaben. Weiterhin arbeiten zwei kleine Softwareunternehmen aus Mecklenburg/Vorpommern als industrielle Kooperationspartner unmittelbar im Projekt mit, welche sich finanziell am Projekt beteiligen. Ein Teil der Prototyplösungen wird ausschließlich durch die beiden Wirtschaftspartner verwertet. Zur weiteren wirtschaftlichen Vermarktung gibt es eine Kooperationsabsprache mit einem weltweit agierenden Softwareunternehmen. Die allgemeine Methodik und Teile von Prototypentwicklungen werden im Laufe der Projektbearbeitung publiziert und unter der GPL veröffentlicht.
Projektlaufzeit: 01.07.2008 – 30.06.2011
Projektsumme: 172.653 €
(öff. Förderung BMBF: 127.021 €; Industrieförderung: 45.632 €)
Kontakt:
Prof. Dr. Thorsten Pawletta, Prof. Dr. Peter Dünow, Prof. Dr. Sven Pawletta
Forschungsgruppe Computational Engineering & Automation (CEA)
Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Hochschule Wismar
PF 1210, D-23952 Wismar
Tel.: 03841-753-406, Fax.: 03841-753-132
E-Mail:
thorsten.pawletta [at] hs-wismar.de
peter.duenow [at] mb.hs-wismar.de
sven.pawletta [at] mb.hs-wismar.de
Web: http://www.mb.hs-wismar.de/cea
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 Dieser Inhalt ist auch in englischer Sprache verfügbar.
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