Innvevd datateknologi for smarte roboter

Målet er å kunne levere programvaremoduler som kan anvendes universelt, f.eks. for å kunne  bytte rundt på robotgripearmer fra forskjellige produsenter, noe som er nødvendig for å generere nye robotløsninger via plug and play. Teamet ved Ulm University støtter seg til modulprodusenten congatec for å løse behovet for svært skalerbar og standardisert innvevd dataprosesserings-maskinvare.

Komplekst
Moderne roboter er meget komplekse konstruksjoner med flere undersystemer. De benytter manipulatorer («armer») med ulike akser og drivenheter, med spesifikke verktøy, gripesystemer eller måleinstrumenter montert i enden. Ytterligere sensorsystemer er nødvendig for å styre de bevegelige delene, så vel som for objekt- og posisjonsgjenkjenning – for eksempel i plukk-og-plassér applikasjoner.

Samarbeidende roboter
Med fremveksten av autonome og samarbeidende roboter – som deler arbeidsområdet med mennesker – legges det til mange flere oppgaver og byggeblokker. Som eksempler kan nevnes lokalisering og navigering av mobile roboter i industrielle miljøer og trygg mann-maskin interaksjon. I Industri 4.0 miljø kreves det også et M2M grensesnitt til de omgivende maskiner og systemer. Målet er gjensidig koordinering av oppgaver. Alle disse ulike typene av roboter – fra autonome til samarbeidende – krever ekstremt kraftige programvaremoduler og høyytelses innvevde systemer.

Stor etterspørsel etter smarte roboter
Markedsbehovet for smarte roboter vil vokse raskt de kommende årene. For eksempel forventes markedet for autonome robotsystemer å vokse med en gjennomsnittlig årlig vekst (CAGR) på 23,7% frem til 2023, mens det nye markedssegmentet for  samarbeidende roboter etter sigende skal vokse mer enn dobbelt så raskt, med gjennomsnittlig 59% per år. OEM-produsenter er under et enormt press for å utvikle og å dyrke slike nye systemer frem til modne produkter på markedet så raskt som mulig, for å kunne ta del i denne store markedsveksten. Men programvareutvikling er en spesielt stor utfordring for OEMs, systemintegatorer og brukere; Enda flere undersystemer må integreres i den allerede komplekse autonome robotløsningen hvis de skal bli samarbeidsvillige på noen måte.

Programvareutfordringen
I dag blir programvaren for robotene fortsatt hyppig implementert som et lukket system – vanligvis med individuelt skreddersydde x86- eller ARM maskinvare, inkludert ASIC eller FPGA. Ofte blir programvaren til og med individuelt skreddersydd for hver enkelt robot, noe som gjør gjenbruk vanskelig. Alle oppgaver, slik som styring av manipulater, navigering, maskinsyn, oppgavekoordinering og HMI er programmert som en enhet. Derfor er det for tiden nærmest umulig å utveksle programvarekomponenter, selv for de hyppigst brukte funksjonene, eller for å bruke dem på en annen maskinvareplattform. Det betyr at for hvert eneste nye design, så må robotikkprogrammet reinstalleres. Dette er både feilutsatt og tidkrevende, og kan forsinke utrullingen av de etterlengtede og nyskapende løsninger betydelig. For ikke å nenve alt ekstraarbeidet dette legger på operatører, som må programmere hver robot for hver spesifikke oppgave.

Modulær og gjenbrukbar
Utviklingsgruppen ved Service Robotics Research Center of Ulm University of Applied Sciences, ledet av professor Schlegel, er nå i ferd med å erstatte denne lukkede tilnærmingen, som stadig vekk skaper nye programvareprosjekter for systemintegrator og bruker, med en modulbasert programvaretilnærming som deler det komplekse, totale robotsystemet i flere uavhengige funksjonelle enheter, og så i neste steg spesifiserer interaksjonen mellom de funksjonelle enhetene via fullt- og transparent definerte grensesnitt. Dette konseptet, som er kalt SmartSoft, er nå videreført og markedsføres på bred basis på europeisk (EU H2020 prosjekt “RobMoSys - Composable Models and Software for Robotic Systems”) og nasjonalt (BMWi PAiCE prosjekt “SeRoNet - a platform for the joint development of service robot solutions”) nivå, i samarbeid med partnere fra industri og forskning. I bunn og grunn tar denne tilnærmingen sikte å å gjøre det mulig å sette sammen robotsystemer fra fullt utviklede og testede modulære programvarebaserte byggeblokker. Dette gjør programvareutviklere i stand til å fokusere på individuelle funksjonsmoduler, uten må måtte ta i betraktning innmaten i andre komponenter. Men enda viktigere er det at tilnærmingen gjør det mulig å kombinere funksjoner, slik som kooperative eller samarbeidende elementer, så vel som logikken for spesifikke manipulatorer og meget mer på en modulbasert måte – også på tvers av produsenter. Til slutt vil dette også redusere den nødvendige innsatsen som kreves av systemintegratorer og sluttbrukere for å gjøre kundespesifikke tilpasninger, og vil i betydelig grad drive en utbredt anvendelse av robotikk.

Dette er den komplette artikkelen som ble innledet i Elektronikk nr 10/2018.