Echtzeitfähige Steuerung und Regelung von mobilen Robotern (Projekt fast robotics)

Das Verbundvorhaben fast robotics hatte es sich zum Ziel gesetzt, bisher bei Robotern vorherrschende drahtgebundene Kommunikationssysteme durch Mobilfunktechnik zu ergänzen bzw. streckenweise zu ersetzen. Dies geschah vor dem Hintergrund mobiler Roboter, speziell mobiler Manipulatoren, welche umfangreiche Daten in Echtzeit detailliert verarbeiten müssen und somit besonders von der dadurch möglich werdenden Auslagerung dieser Aufgaben auf externe Server profitieren.

Robotikexperten des Fraunhofer IFF ist es dabei gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung gelungen, eine Lösung für die drahtlose Echtzeitsteuerung mobiler Robotersysteme zu entwickeln, welche sogar die Fähigkeiten solcher Roboter verbessert. Dieser Schritt eröffnet vielen Branchen neue Möglichkeiten für den Einsatz intelligenter mobiler Assistenzroboter und flexibler Automatisierungssysteme.

Die im Projekt entwickelte Lösung implementiert ein verteiltes Steuerungssystem, welches auf quantitativ deutlich verbesserten Mobilkommunikationssystemen beruht und diese mit einer fehlertoleranten und resilienten Roboterkontrollarchitektur kombiniert. Dies ermöglicht einerseits den Einsatz leistungsfähiger Softwarekomponenten für die selbstständige Planung von Handlungen und Bewegungen, für Sensordatenerfassung und -auswertung, zur Handhabung umfangreicher Datenmengen und detaillierter Modelle sowie für den Einsatz aktueller Ansätze der künstlichen Intelligenz. Zusätzlich können so auch weitere, ambiente Informationsquellen einfacher eingebunden werden.

Neue Softwarearchitekturen in Verbindung mit Funktechnologien ermöglichen intelligentem, mobilen Assistenzroboter die Durchführung von Montageaufgaben selbst in der Fließfertigung. Was bedeutet das für zukünftige Anwendung intelligenter, drahtloser Roboter? Welche Aufgaben lassen sich mit einem solchen System einfacher und besser umsetzen als bisher? In einem am Fraunhofer IFF entwickelten Demonstrationsszenario geht es um Montagearbeiten an Bauteilen im Fließbetrieb. Wir wollten erreichen, dass ein mobiler Roboter - ähnlich wie ein Mensch - die Fertigkeiten entwickelt, die für das Arbeiten am Band notwendig sind. Die dafür eingesetzte Software zur Wahrnehmung und Bewegungsgenerierung benötigt leitungsfähige Rechentechnik. Und profitiert besonders von der Auslagerung auf Cloud-Rechner. Die vielfältigen Aufgaben des Softwaresystems bestehen in der Navigation der mobilen Plattform, der Erkennung und Verfolgung eines Werkstücks auf einer Förderstrecke, der Erkennung und Lokalisierung der zu befestigenden Schrauben während das Band sich bewegt und der Generierung und Ausführung der Roboterbewegungen.

Die Abläufe konnten in Echtzeit generiert und ausgeführt werden. Hierfür wurde ein Rahmenwerk mit ausgelagerter, zeitnaher Vorberechnung relevanter Bewegungsalternativen entsprechend wahrscheinlicher Beobachtungen lokaler Sensoren mit entsprechender Selektion zur Ausführungszeit entwickelt. Dieser Mechanismus zeichnet sich durch Toleranz gegenüber statistischen Schwankungen in der Kommunikation, durch Kompensation von Latenzzeiten in der Verarbeitungskette und durch Resilienz gegenüber Restfehlern durch lokale Reaktionsstrategien aus.

Die Ergebnisse demonstrieren die Fortschritte bei der Umsetzung von Roboterapplikationen als verteile, Cloud-basierte Systeme bei gleichzeitiger, flexibler Anbindung der Endgeräte über aktuelle Funktechnologie. Die ganzheitliche Betrachtung des Problems aus Anwendungssicht und das Entwickeln einer geeigneten, neuen Steuerungsarchitektur ermöglichte eine differenzierte, und ressourcensparende Nutzung von Kommunikations- und Compute-Ressourcen sowie perspektivisch die Nutzung leistungsfähiger mobiler Manipulatoren in neuen Anwendungen.