Standardkomponenten für die Robotik

Digitale Plattformen und Open-Source-Ansätze machen komplexe Roboter­systeme schneller nutzbar

Thilo Zimmermann, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Warum Software neu schreiben, die bereits erfolgreich im Einsatz und frei verfügbar ist? Das Betriebssystem Robot Operating System (ROS) verbindet als digitale Plattform Entwickler weltweit und schafft neue Fähigkeiten für Robo­tersysteme. Für deren Verbreitung in der Industrie setzt sich die Initiative ROS-Industrial ein. Und auch für die Hard­ware-Entwicklung gibt es bereits erste Ansätze mit Open-Source-Technologien.

Open-Source-Software, wie sie beispielsweise für das PC-Betriebssystem Linux oder für Android-Smartphones bekannt ist, findet auch für Robo­tersysteme immer mehr Verbreitung. Die Platt­form ROS entstand 2007 und verbreitete sich mit ihrer großen Entwickler-Community zunächst in der Forschung. Schnell wurde das freie Betriebs­system für Roboter auch für Firmen, deren For­schungsabteilungen sowie Start-ups interessant, weil sie notwendige grundlegende Technologien für Roboter schnell und ressourcenschonend nut­zen konnten.

Unterstützt von der privaten Initiative ROS-Industrial und dem großen EU-Projekt ROSIN geht es aktuell darum, die Softwarekomponenten besser auf den Industrieeinsatz zuzuschneiden. Gleichzeitig sollen weitere Fragen, wie zum Bei­spiel der kommerzielle Einsatz oder die Haftung, geklärt werden. ROS hält eine Vielzahl an grund­legenden, aber komplexen Funktionen für Indus­trie- und Serviceroboter bereit. Dazu zählen bei­spielsweise Komponenten für Manipulation oder Bildverarbeitung. Hinzu kommen Hardware-Treiber für ganze Roboter, Sensoren oder andere Komponenten, Planungs-, Steuerungs- und Da­tenverarbeitungsalgorithmen sowie Diagnose- und Entwicklungswerkzeuge. Die meisten sind frei verfügbar, herstellerunabhängig, standardi­siert und entstehen partizipativ, also über eine di­gitale Plattform. Nach dem Open-Source-Prinzip bedeutet das: Einmal entwickelte Komponenten können mehrfach verwendet werden. Das macht die Entwicklung von Robotersystemen effizienter und beschleunigt deren Inbetriebnahme. Gleich­zeitig stehen die entwickelten Komponenten für jedermann als Basis für die Neu- oder Fortent­wicklung zur Verfügung.

ROS entstand als Versuch, eine einheitliche Kommunikations- und Komponentenstruktur für Robotersoftware zu etablieren. Es diente zu­nächst dem Einsatz in der Forschung und für Servicerobotertechnologien. Heute wird ROS sowohl in der industriellen Robotik als auch in Fertigungsunternehmen genutzt. Auch die kommerzielle Nutzung ist bereits recht verbrei­tet und beinhaltet häufig sowohl Open-Source- als auch Closed-Source-Komponenten. Das ist möglich, weil ROS unter der BSD-Lizenz (Ber­keley Software Distribution) steht: Jeder darf den Code nutzen, ändern und kommerziell ver­breiten, solange das Copyright gekennzeichnet bleibt. Neu entwickelte Pakete werden unter Apache 2.0 veröffentlicht, sodass zur BSD-Li­zenz noch eine Patentklausel hinzukommt. Diese soll Nutzer und Beitragende vor Patent­verletzungsklagen schützen.

ROS trifft Marktbedürfnisse

Das steigende Interesse der Robotik an Open-Source-Software belegt die Summe von rund 150 Millionen Dollar Risikokapital, die allein 2015 in Start-ups, deren Technologien auf ROS basieren, investiert wurde. Ein Grund dafür ist der stei­gende Bedarf an leistungsfähigen, intelligenten und zugleich wirtschaftlichen Automatisie­rungslösungen für kleinere Losgrößen, der so ge­nannte „Market Pull“. Er resultiert unter ande­rem aus Entwicklungen und Initiativen im Kon­text von Industrie 4.0, also der Vernetzung der Produktionskomponenten in Echtzeit und der Nutzung kontinuierlich erzeugter Daten zur Op­timierung der Produktion.

Diese Entwicklung geht einher mit Tech­nologieschüben („Technology Push“), die eine zunehmende Automatisierung sowohl aus tech­nischer als auch finanzieller Sicht erlauben. Viele Robotertechnologien haben einen hohen Reife­grad erreicht. Zudem sind die Hardwarekosten so günstig wie nie. Für deren Integration in in­novative Anwendungen ist intelligente Software gefordert, die entsprechend an Wichtigkeit, aber auch an Komplexität gewinnt. Für einzelne Un­ternehmen wird es deshalb schwieriger, auf kon­ventionellem Wege mit den schnellen Entwick­lungszyklen und den Anforderungen an Soft­ware mitzuhalten. Genau hier spielt das Konzept gemeinschaftlich entstehender und nutzbarer Software seine Stärke aus.

Industriereife verbessern

Qualitativ hochwertige Open-Source-Software ist mittlerweile ein Wettbewerbsfaktor gewor­den. Für Start-ups gilt dies ohnehin, weil sie ihre Produkte damit schnell und effizient am Markt platzieren können. Aber auch etablierte Unter­nehmen profitieren. Die hohen Anforderungen des laufenden Produktionsbetriebs können die verfügbaren ROS-Komponenten jedoch nicht immer erfüllen. Aus diesem Grund wurde 2013 die Initiative ROS-Industrial ins Leben gerufen. Sie hat das Ziel, ROS noch besser auf die indust­riellen Anforderungen zuzuschneiden und die Zuverlässigkeit der Software zu erhöhen sowie Anpassungen an industrielle Standards und Re­gularien voranzubringen. Die Initiative versteht sich als Technologiepartner und Schnittstelle zwischen Entwicklergemeinde und Industrie und bringt deren Entwicklungskulturen zusam­men. In ROS fließen Community-getriebene Entwicklungen ein, gleichzeitig werden diese Entwicklungen mit großen, aus Politik und von Unternehmen angeleiteten Zielen und Program­men wie beispielsweise Industrie 4.0 verknüpft. Außerdem bildet die Initiative den finanziellen und organisatorischen Rahmen zur Beantwor­tung von Fragen der Haftung, des Supports und der Gewährleistung von Garantien.

Zur Initiative gehören drei rasch wachsen­de Konsortien in Asien, Nordamerika und Euro­pa – letzteres wird vom Fraunhofer IPA geleitet. Die Konsortien haben zusammen aktuell 65 Mit­glieder – vom Start-up bis zum Konzern und von Forschungseinrichtungen bis zum industriellen Endanwender. Darunter sind namhafte Firmen wie Airbus, Boeing, BMW, Pilz, Siemens und Microsoft, um nur einige zu nennen. Damit ne­ben den technischen auch die finanziellen und rechtlichen Aspekte besser geklärt werden, bietet die Initiative Veranstaltungen und Training-Ses­sions an. Außerdem haben alle Mitgliedsfirmen die Möglichkeit, die Weiterentwicklung von ROS über sogenannte „Strategic Projects“ (SPs) ent­scheidend mitzugestalten.

Auch auf EU-Ebene spielen Open-Source-Technologien mittlerweile eine wichtige Rolle. Mehrere europäische Forschungseinrichtungen, der Endanwender und Roboterhersteller ABB und das Fraunhofer IPA arbeiten derzeit im Pro­jekt ROSIN (ROS-Industrial Quality-Assured Robot Software Components) daran, mit freier Software eine digitale Plattform für die Robotik zu schaffen. Ein wichtiges Ziel ist dabei, dass die Softwarequalität industriellen Anforderungen ge­nügt. Firmen können sich für die finanzielle För­derung einer Open-Source-Softwarekomponente für ihren konkreten Anwendungsfall bewerben.

Plattformen auch für die Hardware-Entwicklung

Und auch über die Software-Entwicklung hinaus gibt es ähnliche Bestrebungen. Das Forschungs­projekt SeRoNet („Serviceroboter-Netzwerk“) arbeitet zum Beispiel an einer Plattform für mit­einander kompatible Roboter- und Automatisie­rungskomponenten aus dem Hard- und Soft­warebereich. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der einfachen, werkzeugunterstützten Erstellung von (Software-) Komponenten und der Softwareintegration von komplexen Roboteranwen­dungen. Mithilfe der Plattform sollen die Kon­zeption, Entwicklung und der Einsatz von Ser­vicerobotern in vielfältigen Bereichen wie zum Beispiel Logistik, Pflege oder Montageunterstüt­zung signifikant vereinfacht werden. Sie soll im Laufe des Jahres 2019 online gehen und aktiv um die geförderte Teilnahme von Anwendern und Produzenten von Roboterkomponenten werben.

Auch im vom BMWi geförderten Projekt RoboPORT geht es um die gemeinsame Ent­wicklung und Realisierung von Servicerobotik-Anwendungen, jedoch mit dem Schwerpunkt auf Hardware. Dabei hostet die Online-Plattform ro­boport.io (aktuell im Alpha-Test) nicht nur kos­tenlos Open-Source-Robotikprojekte, sondern unterstützt diese mit verschiedenen Entwick­lungs-Tools, um arbeitsteilige Entwicklungs-Pro­zesse wie Open Innovation, Crowd-Engineering und digitale Hackathons abzubilden. Dies er­möglicht einen durchgängigen – nämlich von der Idee bis zum Prototyp – und verteilten Ent­wicklungsprozess mit vielen Akteuren. Ein wei­teres Kernelement stellt die projektübergreifende Kooperation und Vernetzung von Entwicklern dar. Nach dem Vorbild von GitHub stehen auf RoboPORT nicht nur das Projekt und dessen Entwicklungsdaten und Tools im Zentrum, sondern vor allem der einzelne Entwickler mit seinen Beiträgen zu den Projekten. Diese Ent­wickler können Mitarbeiter von Firmen, Free­lancer und Dienstleister, Zulieferer oder auch Produktionsdienstleister sein, die sich mit ih­rem jeweiligen Wissen, ihren Fähigkeiten und Ressourcen in Projekten einbringen. Aber auch die Endkunden sind in den Prozess eingebun­den und werden somit zu sogenannten „Prosu­mern“, also einer Mischung aus Produzenten und Konsumenten. Um die verschiedenen Ak­teure zu motivieren und die Zusammenarbeit für alle wirtschaftlich zu machen, entwickelt RoboPORT derzeit verschiedene Anreizsysteme wie die Gewichtung und Nachvollziehbarkeit von Entwicklungsleistungen – beispielsweise unter Einbeziehung von Blockchain und neuer digitaler Geschäftsmodelle.

Für den Open-Source-Gedanken sind digi­tale Plattformen also ein sehr gutes Mittel, um sowohl software- als auch hardwareseitig zu ganz neuen Entwicklungsformen und Geschäfts­modellen zu kommen. Für Unternehmen stellen sie neue Innovationsquellen mit einer bereits vorhandenen aktiven Community dar. Die Teil­nahme daran kann zukünftig ein entscheidender Wettbewerbs- und Erfolgsfaktor sein.