Aufgabenorientierte Multi-Robotersteuerungen auf Basis des SBC-Frameworks und DEVS : vorgelegt von Birger Freymann
In der Industrie sind Roboter bereits seit Jahrzehnten als leistungsfähige und flexible Werkzeuge etabliert. Mit neuen Anwendungsbereichen und Anforderungen, wie sie zum Beispiel im Rahmen der Industrie 4.0 Initiative definiert werden, kommt der effizienten Entwicklung von Robotersteuerungen eine immer größere Bedeutung zu. Diese Tendenz erfordert die Entwicklung neuer Methoden zur herstellerunabhängigen und applikationsübergreifenden Programmierung von Roboteranwendungen. Entscheidend sind hierbei systematische Vorgehensmodelle, theoriekonforme und modellbasierte Entwicklungsmethoden sowie moderne Programmiersysteme als Entwicklungswerkzeuge. Die Vielzahl der herstellerspezifischen Entwicklungsumgebungen auf dem Markt zeigt, dass sich existierende Standards im Bereich der Steuerungsentwicklung für Roboter bisher kaum durchsetzen konnten. Die methodische und softwaretechnische Diversität erschwert es, unterschiedliche Robotertypen und Roboter unterschiedlicher Hersteller in Teams zu gruppieren, um leistungsfähige, flexible und kostengünstige Multi-Robotersysteme (MRS) umzusetzen. Durchgängige Toolketten sowie Methoden der Modellbildung und Simulation spielen dabei eine wichtige Rolle. In der Literatur wird in diesem Zusammenhang vom Rapid-Control-Prototyping (RCP) gesprochen. Gegenwärtig sind RCP-basierte Techniken in der industriellen Robotik fast immer herstellerspezifisch. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur durchgängigen, modellbasierten und herstellerunabhängigen Steuerungsentwicklung für Roboterteams mit industriellen Knickarmrobotern entwickelt. Aufbauend auf dem Simulation-Based-Control (SBC)-Ansatz und dem Task-Oriented-Control (TOC)-Ansatz werden Entwicklungsmethoden aus dem Bereich von Single-Robotersystemen (SRS) auf MRS übertragen. Es werden mögliche Interaktionen zwischen Robotern untersucht und hierauf aufbauend Interaktionsklassen definiert. Zur Umsetzung einer durchgängigen Steuerungsentwicklung wird der Discrete-Event-System-Specification (DEVS)-Formalismus diskutiert und es werden Erweiterungen zur Echtzeit- und Prozessanbindung untersucht. Hieraus abgeleitet wird ein modifizierter Formalismus entwickelt und dessen Eignung zur durchgängigen, modellbasierten Steuerungsentwicklung anhand eines Fallbeispiels demonstriert. Zur Spezifikation der entwickelten Modelle wird die DEVS-Diagramm-Notation verwendet und um zusätzliche Beschreibungsmittel erweitert. Basierend auf den zuvor definierten Interaktionsklassen werden Lösungsansätze zur TOC-basierten Umsetzung von Interaktionen mittels modularer und wiederverwendbarer Aufgaben erarbeitet. Anschließend wird deren prototypische Umsetzung anhand von Fallbeispielen mittels des neu entwickelten DEVS-Formalismus gezeigt. Die Komplexität der Interaktionen steigt mit jedem Fallbeispiel an. Zur besseren Handhabung der Komplexität wird mit dem Erweiterten System-Entity-Structure/Model-Base (SES/MB)-Ansatz eine zusätzliche modellbasierte Technik eingeführt, mit dem SBC- sowie dem TOC-Ansatz integriert und anhand eines Fallbeispiels der bisherigen Vorgehensweise gegenübergestellt.
Robots have been established in industry for decades as powerful and flexible tools. With new application areas and requirements, such as those defined in the context of the Industry 4.0 initiative, the efficient development of robot controllers is becoming increasingly important. This trend requires the development of new methods for the manufacturer-independent and application-independent programming of robot applications. The decisive factors here are systematic procedural models, theory-compliant and model-based development methods, and modern programming systems as development tools. The large number of manufacturer-specific development environments on the market shows that existing standards in the area of control development for robots have hardly been able to establish themselves. The methodological and software diversity makes it difficult to group different robot types and robots from different manufacturers in teams in order to implement powerful, flexible and cost-effective multi-robot systems (MRS). Continuous tool chains as well as methods of modeling and simulation play an important role in this context. In the literature, rapid control prototyping (RCP) is spoken of in this context. Currently, RCP-based techniques in industrial robotics are almost always manufacturer-specific. In this thesis, an approach for end-to-end, model-based and vendor-independent control development for robot teams with industrial jointed-arm robots is developed. Based on the Simulation-Based-Control (SBC) approach and the Task-Oriented-Control (TOC) approach, development methods from the field of single robot systems (SRS) are transferred to MRS. Possible interactions between robots are investigated and, based on this, interaction classes are defined. For the implementation of an integrated control development the Discrete-Event-System-Specification (DEVS) formalism is discussed and extensions for real-time and process integration are investigated. Derived from this, a modified formalism is developed and its suitability for integrated, model-based control development is demonstrated by means of a case study. For the specification of the developed models the DEVS diagram notation is used and extended by additional descriptive means. Based on the previously defined interaction classes, approaches for the TOC-based implementation of interactions are developed using modular and reusable tasks. Subsequently, their prototypical implementation is shown on the basis of case studies using the newly developed DEVS formalism. The complexity of the interactions increases with each case study. For a better handling of the complexity, the Extended System-Entity-Structure/Model-Base (SES/MB) approach is introduced as an additional model-based technique, integrated with the SBC and TOC approaches, and compared with the previous approach using a case study.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
