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Entwicklungsframework Mit OPC UA gelingt die nahtlose Integration mobiler Robotersysteme

Autor / Redakteur: Matthias Keinert* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Mobile Robotersysteme sollen in den Produktionsnetzwerken der Zukunft, wie sie im Kontext von Industrie 4.0 und Smart Factories angedacht sind, eine große Rolle spielen. Damit deren Integration gelingt, bedarf es niedriger Einstiegshürden und Potenzial zu Kostensenkungen. Hier kommt OPC UA / TSN ins Spiel, kombiniert mit ROS.

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Auf gutem Weg: Robotersysteme mittels OPC UA als ROS-interner und ROS-übergreifender Kommunikationsmechanismus in dynamische und flexible Produktionsnetzwerke integrieren.
Auf gutem Weg: Robotersysteme mittels OPC UA als ROS-interner und ROS-übergreifender Kommunikationsmechanismus in dynamische und flexible Produktionsnetzwerke integrieren.
(Bild: © 2016 Peter Gottschalk/Fotolia.com)

Robot Operating System (ROS) stellt als Open-Source Entwicklungsframework ein Grundgerüst für die Entwicklung von Roboterapplikationen dar. Es wird von zahlreichen Forschungsinstituten, Firmen und Konsortien entwickelt und bietet roboter- und hardwareunabhängige Steuerungsfunktionalitäten, beispielsweise aus der Bildverarbeitung, autonomen Navigation und mobilen Manipulation für Robotersysteme. Für die Anpassung der Funktionen an definierte Systeme und die Einbindung relevanter Komponenten (z.B. Aktoren, Sensoren, Eingabegeräte) stehen zahlreiche Gerätetreiber zur Verfügung.

Spricht man im Kontext von ROS von Robotersystemen, so ist meist die Rede von einer autonom navigierenden, omnidirektionalen Plattform, oftmals in Kombination mit einem Roboterarm inklusive Greifer. Service- und Assistenzroboter wie Care-o-bot oder fahrerlose Transportsysteme dienen als repräsentative Beispiele.

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Mobile Robotersysteme für Produktionsnetzwerke der Zukunft

ROS wird bereits in der Automatisierung von mobilen Robotersystemen vielfach verwendet: Aufgrund der Verfügbarkeit von Softwarewerkzeugen, -bibliotheken und APIs sowie einer großen Open-Source-Community bietet es eine Auswahl an Algorithmenpaketen, Treibern und Robotermodellen (Kinematik, Dynamik, Sensorik) und weist eine beeindruckende Schlagzahl bei der Entwicklung neuer Funktionalitäten und Fähigkeiten durch die Community auf. Effiziente und anwendungsspezifische Bewegungsabläufe lassen sich durch die Integration bereits vorhandener Entwicklungen schnell erarbeiten. Entscheidender Vorteil: reduzierte Entwicklungskosten aufgrund des hohen Grades der Wiederverwendbarkeit.

Ebenfalls wichtig ist es im industriellen Umfeld, die Systeme nicht nur in sich zu betrachten, sondern vertikale und horizontale Integrationsmöglichkeiten in überlagerte und benachbarte Systeme kosten- und zeiteffizient zu ermöglichen. Mobile Robotersysteme sollen zukünftig auch Handhabungs- und Logistikaufträgen bearbeiten. Im Kontext von Industrie 4.0 spricht man hier auch von Cyber-physischen Systemen (CPS). Jedoch ist die Einsatz-Hürde zum aktuellen Zeitpunkt wegen fehlender Kommunikationsstandards sehr hoch; dies gilt auch für ROS. Hier bedarf es also weiterer Anstrengungen.

Integration von Robotersystemen in Produktionsnetzwerke mittels OPC UA

Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart wird in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) daran gearbeitet, die Integrationsmöglichkeiten von Robotersystemen basierend auf ROS in ein Produktionsnetzwerk zu befördern.

Durch den Einsatz von OPC UA soll eine übergreifende Kommunikation zwischen den Systemen einer flexiblen und dynamischen Produktion geschaffen werden – beispielsweise Fertigungs- und Montagesysteme, Transport- und Assistenzsysteme, Steuerungs- und Managementsysteme. Unter Berücksichtigung des Referenzarchitekturmodells Industrie 4.0 (RAMI4.0) sowie den Zielstellungen und Empfehlungen der unterschiedlichen Arbeitsgruppen und Verbände ist OPC UA in diesem Zusammenhang prädestiniert:

 Mit OPC UA als unabhängige Kommunikationstechnologie können unterschiedlichste Systemplattformen unterstützt werden – in erster Instanz Linux- und Windows-basierte Systeme, aber auch mobile Geräte wie Android, darüber hinaus die aktuell beliebten Einplatinen-PCs wie Raspberry Pi oder Beagle Bone Black.

 Mit OPC UA können die Anforderungen aller Ebenen der Fertigungssysteme berücksichtigt werden. So lassen sich z.B. mobile Roboter- und Produktionssysteme durchgängig miteinander vernetzen, auch bei zeitkritischer Synchronisierung. Zukünftig auch durch die sich in der Spezifikation befindlichen Ausprägung OPC UA TSN. Die Einigung führender Steuerungshersteller auf den Schnittstellenstandard OPC UA erweitert mit TSN verspricht zusätzlich die Kombination mit gängigen Busprotokollen auf der I/O-Ebene.

 Mit OPC UA als sichere Technologie wird ein Produktionsnetzwerk geschützt und der befugte Zugriff auf die mobilen Robotersysteme garantiert.

Während sich OPC UA in der Fertigung etabliert – auch getrieben durch die Initiativen im Kontext von Industrie 4.0 - ist bei den Robotersystemen hier noch Pionierarbeit zu leisten, um einen Einsatz der Potenziale von ROS zu ermöglichen. Ziel ist es deshalb, OPC UA erweitert mit TSN als Mechanismus für die Kommunikation innerhalb von ROS-Netzwerken und über ROS-Netzwerke hinweg zu etablieren.

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