Roboterapplikationen mit ROS flexibel umsetzen

Individuelle Robotik, aber offen!

Mit dem Open Source Framework ROS kann der Anwender seine eigene Robotersteuerung aus verschiedenen Software-Paketen flexibel zusammenstellen. Die Voraussetzung dafür sind passende Schnittstellen und ein offenes Konzept. ROS-Pakete können ohne spezifisches Expertenwissen für Programmierung eingesetzt werden und bieten so vollkommen neue Möglichkeiten für den Einsatz von Robotern.

Aufgrund seiner Offenheit und Modularität kann das Open Source Framework ROS herstellerübergreifend eingesetzt werden. (Bild: Pilz GmbH & Co. KG)

Genau wie in der Automatisierung geht in der Robotik der Trend in Richtung Offenheit und Interoperabilität. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine Robotersteuerung gefragt, die herstellerübergreifend eingesetzt werden kann. ROS hat seine Stärken in dynamischen Umgebungen, wie beim Navigieren von FTSen, Kollisionsvermeidung oder Greifen von Objekten.

Für den herstellerübergreifenden Einsatz

ROS steht für Robot Operating System und ist ein Open-Source-Framework, um Software für Robotikanwendungen zu schreiben. Das Programmiergerüst besteht aus einer Sammlung von Funktionalitäten, Treibern sowie einer Kommunikationsschicht. Programmierer erstellen in diesem Rahmen eigene Pakete. Die fertigen ROS-Pakete beinhalten bestimmte Funktionen und Treiber und werden den Anwendern über eine gemeinsame Community zur Verfügung gestellt. Das kann z.B. eine Bahnplanung sein, die dann an die individuelle Applikation angepasst wird. Die einzelnen Pakete sind modular, dadurch vielseitig einsetzbar und mit der Hardware unterschiedlicher Hersteller kompatibel. So kann der Anwender seinen bisher eingesetzten Manipulator austauschen und den neuen Manipulator weiterhin mit den ROS-Paketen einsetzen. Die Applikation an sich bleibt gleich.

Von der Forschung in die Industrie

Entstanden ist ROS im Jahr 2007 im Universitäts- und Forschungsumfeld. Dort hat es sich zum Standard für Robotikprojekte entwickelt. Ein Vorteil des Frameworks ist die Zusammenarbeit in der Community mit Spezialisten aus verschiedenen Bereichen – von Forschungseinrichtungen bis zum Roboterhersteller. Diese Online-Community arbeitet zusammen an den ROS-Paketen, führt Reviews und Tests durch und unterstützt sich gegenseitig bei der Programmierung komplexer Robotikanwendungen. Dazu gehört außerdem die ausführliche Dokumentation der Pakete, die Bearbeitung von sogenannten Pull-Requests, also Verbesserungsvorschlägen für den Code, und die Erstellung von Tutorials. Die Vorteile von ROS umfassen neben der offenen Verfügbarkeit des Quelltextes die Verwendung von modernen Programmiersprachen wie Python oder C++. Damit bietet sich der Einsatz von ROS als standardisierte Kommunikationsschicht für industrielle Applikationen an. Es ist das geeignete Framework für komplexe Applikationen, in denen verschiedene Sensoren und Aktoren beliebiger Hersteller unterschiedliche Aufgaben übernehmen und komplex entwickelte Algorithmen steuern. ROS kann also herstellerübergreifend eingesetzt werden und bietet ein vernetztes, interoperables System.

Servicerobotikmodule für ROS

Mit seinen Servicerobotikmodulen stellt Pilz einen modularen Baukasten vor, aus dem sich Anwender ihre individuelle Roboterapplikation zusammenstellen können. Denn in der Robotik werden flexible Lösungen nachgefragt. Deshalb hat sich das Unternehmen für einen offenen Ansatz mit den entsprechenden Schnittstellen entschieden und entwickelt eigene ROS-Pakete mit ausgewählten Funktionen, die als Robotersteuerung für das Manipulatormodul notwendig sind. Die Antriebselektronik ist im Manipulator integriert und reagiert direkt auf die Sollwerte der ROS-Pakete. Das bietet dem Kunden alle Freiheiten bezüglich der Bahn- und Bewegungsplanung. Pilz unterstützt zudem mit Pull-Requests sowie der Dokumentation von zentralem Code im ROS-Wiki aktiv die Community und bietet Produktsupport für die eigenen ROS-Pakete.

Die fertigen ROS-Pakete stellen bestimmte Funktionen und Treiber dar, von der Bahnplanung bis zur Pick&Place-Anwendung. (Bild: Pilz GmbH & Co. KG)

Offen für individuelle Roboterapplikationen

Der Anwender profitiert von der Offenheit, da er sich aufgrund unterstützenden Tutorials schnell in die Pakete einarbeiten kann. So wird auch ein mechanischer Integrator ohne Expertenkenntnisse in der Programmierung mit ROS dazu befähigt, seine Roboterapplikation individuell einzurichten. Ein Systemintegrator hat es mit dem Framework einfacher, Komponenten unabhängig vom Hersteller zu integrieren und Applikationen umzusetzen. Für Anwender, die die speziellen Programmiersprachen aus der Industrie nach EN61131 nicht kennen, ist es zudem von Vorteil, dass ROS-Pakete unter anderem mit Python realisierbar sind. Denn die Programmiersprache gilt als einfach zu erlernen. Eine Python-Schnittstelle erlaubt außerdem die einfache Verwendung der MoveIt!-Schnittstelle. Dieses Tool zur Bahn- und Bewegungsplanung plant anhand eines Umgebungsmodells und der Zielposition die Bahn des Manipulators. Pilz stellt dort die Roboterkinematik bereit, damit die konkrete Anwendung des Manipulators im 3D-Visualisierungs-Tool RViz oder in einer Simulationsumgebung wie z.B. Gazebo vor der Kaufentscheidung modelliert werden kann. Damit spart der Kunde Zeit und Kosten bei einer virtuellen Inbetriebnahme des realen Roboters.

Qualität ist entscheidend

Open Source birgt auch Herausforderungen, denn ROS-Pakete kommen innerhalb der Community von unterschiedlichen Autoren. Deshalb reicht die Qualität der Pakete von undokumentierten Bausteinen bis zu professionellen und qualitativ hochwertigen Projekten. Ein hoher Qualitätsstandard seiner Module ist Pilz sehr wichtig, deshalb wird die Software nach den industriellen Qualitätskriterien und Anforderungen des ROS Industrial Consortiums entwickelt und getestet. Hochwertige Pakete erleichtern für den Anwender die Systemintegration, da die Pakete gut dokumentiert sind und unterstützende Tutorials zur Verfügung gestellt werden. Somit können auch Anwender ohne Expertenwissen in der Programmierung ihre individuelle Roboterapplikation mit ROS einfach umsetzen. Der modulare Ansatz erlaubt es unterschiedliche ROS-Pakete für eine Anwendung zu kombinieren und bietet hohe Flexibilität für die Gestaltung von Robotikanwendungen.