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Die Rolle der Software in der Robotik und der Mechatronik

Podiumsdiskussion auf dem Technologie- und Anwenderkongress VIP 2009 in Fürstenfeldbruck

Mit Labview Robotics 2009 soll das Design von anspruchsvollen Robotersteuerungssystemen ermöglicht werden

In der Robotik und der Mechatronik stehen meist Mechanik und Elektronik im Vordergrund. Sie binden das meiste Personal und verursachen die höchsten Kosten. Der Software wird häufig nur eine geringe Aufmerksamkeit geschenkt, obwohl sie für die Funktion entscheidend ist. Prof. Dr. Michael Hofbaur vom Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik der privaten Universität Umit in Hall/Tirol, Alexander Kempf von Denso Robotics Europe, Dr. Stefan Enderle von „gfix robotics“, Dr. Rainer Stetter von ITQ, und Rahman Jamal von National Instruments beantworteten die Fragen der etz-Redaktion auf dem Kongress VIP zur Rolle der Software.

Was verstehen wir unter Mechatronik?
Dr. R. Stetter: Laut der Literatur ist die Mechatronik ein technisches Thema. Der Begriff entstand aus den beiden Wörtern Mechanik und Elektrotechnik. Darin sieht man bereits das Problem: Bei der Begriffsdefinition für die Mechatronik hat man die Informatik vergessen. Über das technische Thema hinweg ist die Mechatronik eher eine Philosophie und die Informatik oder das Software-Engineering ein zentrales Element der Mechatronik. Damit dies in den Unternehmen auch gewährleistet ist, muss sich die Denkweise ändern.

Was verstehen wir unter Robotik?
A. Kempf: Robotik ist für jede Branche etwas anderes. Im Industriebereich befördert ein Roboter ein Teil von Punkt A nach Punkt B. Für mich ist ein Roboter einfach eine Maschine. In der Forschung, zum Beispiel bei den Roboterbausätzen, kann das anders aussehen.
Dr. S. Enderle: Auch für mich stellen die Roboter in der Industrie keine Roboter im herkömmlichen Sinne, sondern Maschinen dar. Wirkliche Roboter sind Geräte, die eine gewisse Intelligenz bzw. Autonomie haben; also denen man die Möglichkeit gibt, Entscheidungen selbst zu fällen. Die zum Beispiel eine Möglichkeit haben, sich selbstständig von A nach B zu bewegen und viele Sensordaten auszuwerten. Diese Roboter machen sich interne Modelle ihrer dynamischen Umgebung. All das sind Eigenschaften, die die Automatisierungsroboter gewöhnlich nicht haben.

Wie ist die akademische Sicht der Dinge?
Prof. M. Hofbaur: Es gibt sehr viele Maschinen, die wir als Roboter bezeichnen können. Man könnte auch immobile Geräte als Roboter bezeichnen, zum Beispiel einen Kopierer. In ihm werden auch Sensordaten verarbeitet und Bewegungsabläufe gesteuert. Wir sollten den Begriff etwas mehr aufweiten.

Was unterscheidet dann die Robotik von der üblichen Automatisierung?
Prof. M. Hofbaur: Ein klarer Schnitt ist hier kaum möglich. Ein wichtiges Kriterium ist die Autonomie, das heißt, die Fähigkeit selbst zu entscheiden sowie sich selbst zu rekonfigurieren und der Umgebung anzupassen.
R. Jamal: Historisch verfolgte man meines Erachtens das große Ziel, menschenähnliche Kreaturen zu erschaffen. Die künstliche Intelligenz sollte dazu dienen, dies entsprechend umzusetzen. Im Zuge dieser Vision sind viele Verfahren und revolutionäre Strategien entstanden, die auch schon praktisch genutzt werden. Von der ursprünglichen Vision sind wir immer noch weit entfernt und haben uns über die schnelle Anwendbarkeit von Automaten der praktischen Seite zugewandt. Auch einen Autopiloten in einem Flugzeug kann man als Roboter bezeichnen.

Rainer Stetter ist Geschäftsführer der ITQ GmbH in München

Alexander Kempf ist Leader Software Development im Robotics Department bei Denso Europe B.V. in Mörfelden-Waldorf

Dr. Stefan Enderle ist Geschäftsführer der qfix robotics GmbH in Senden

Univ. Prof. Dr. Michael Hofbaur ist Leiter des Instituts für Automatisierungs- und Regelungstechnik an der privaten Universität Umit in Hall/Tirol

Wo liegen die Anwendungsbereiche von Robotern?
A. Kempf: In der Produktion hat man heute kurze Produktzyklen. Ein Produkt, das ich heute produziere, muss vielleicht in einem halben Jahr schon wieder modifiziert werden. Ein starrer Maschinenaufbau wird diesen Anforderungen nicht gerecht – hier bieten Roboter große Vorteile. Die Kombination mit Vision-Systemen verleiht dem relativ „dummen“ Industrieroboter eine gewisse Intelligenz.
Dr. S. Enderle: Die mobilen Roboter sind zur Zeit ein Hype, weil man erkannt hat, dass es wenige Ingenieure gibt, die das fächerübergreifende Wissen für die Robotik haben. Dies ist für mich zum Beispiel die Motivation Roboterbausätze anzubieten, um das übergreifende Systemdenken zu vermitteln. Zahlreiche Wettbewerbe nutzen Roboter von „qfix“, Lego oder Fischertechnik, um interessante, technisch anspruchsvolle Aufgaben zu lösen. Und durch das Arbeiten im Team lernen die Teilnehmer „Soft Skills“, die später im Beruf von Vorteil sind.
R. Stetter: Ein wesentlicher Aspekt ist der Fortschritt der Technologien. Wir haben vor einigen Jahren für viele hunderttausend Mark Dinge gebaut, die man heute mit einem Labview-programmierbaren Mindstom-Roboter von Lego lösen kann, der ein paar hundert Euro kostet. Sie bekommen dafür Technologie, für die früher ganze Forschungsinstitute promoviert haben. Durch die Reife der Technologie und fortschrittliche Lernmethoden bekommt das Thema eine neue Dimension. Ich bin viel im klassischen Maschinenbau unterwegs, in dem über Robotik nur selten gesprochen wird. Dort finden wir häufig Automaten und dazwischen für Handlings-Aufgaben mal einen Knickarm-Roboter oder in der Verpackungsindustrie einen Hexapoden.

Jeder spielt gerne – aber wie bringen Wettbewerbe, wie der Robocup, die Robotik voran? Hat das auch einen praktischen Nutzen?
R. Jamal: Wir haben das Problem, dass immer weniger Absolventen sich für technische Fächer interessieren. Vor einigen Jahren war der technische Unterricht sehr trocken, um nicht zusagen langweilig. Vorlesungen zu Themen, wie Signalverarbeitung oder Mathematik waren weit von der Praxis entfernt – alles spielte sich auf dem Papier ab. Die Robotik bietet eine Chance, die verschiedenen Welten Maschinenbau, Elektrotechnik und Software zusammenzuführen und die Kreativität zu fördern. Ich kann Schüler für die Technik begeistern und die Menschen wieder näher an die neuen Technologien heranführen.

Woran liegt es, dass man offensichtlich einen hohen Spaßfaktor bei den Wettbewerben hat, die flächendeckende Anwendung in der Industrie, mit Ausnahme des Automobilbaus, jedoch noch auf sich warten lässt?
M. Hofbaur: Ich glaube, dass wir dabei die falsche Sicht haben: Wir sind technikverspielt und versuchen uns an möglichst komplexen Systemen. Der erfolgreichste Konsumer-Roboter war ein Staubsaugerroboter, der den Hersteller saniert hat. Die Roboter werden in Bereiche eindringen, in denen wir sie nicht erwarten. Wir schauen zu sehr nach dem Ideal eines menschenähnlichen Roboters – das muss zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht sein.
Dr. S. Enderle: In der Informatik gibt es eine typische KI-Problematik und die haben wir auch in der Industrie. Es gibt eine Klasse von Problemen, die mit KI-Systematik gelöst werden. Sind sie dann gelöst, ist die Schwierigkeit nicht mehr groß genug, um als KI-Problem bezeichnet zu werden. Ein Beispiel ist das Schachspiel. Über 50 Jahre hinweg wollte jeder Forscher, dass die Maschinen besser Schach spielen als die Meister. Als das Ziel erreicht war, hatte es plötzlich mit künstlicher Intelligenz nichts mehr zu tun. Ähnlich könnte es bei den Industrierobotern auch sein. In einem automatischen Hochregallager kommen Robotertechnologien mit viel Sensorik und Aktorik zum Einsatz. Wenn das Problem gelöst ist, ist das plötzlich kein Roboter mehr, sondern einfach ein Hochregallager.

Sehen sie noch weitere Hemmnisse dafür, dass Roboter nicht häufiger in industriellen Applikationen zu finden sind – auch unter dem Aspekt der mobilen Robotik?
Dr. S. Enderle: Man ist technisch noch nicht so weit, über absolut verlässliche Systeme zu verfügen. Es gibt einige Probleme, die gelöst sind, zum Beispiel die Selbstlokalisierung, sodass der Roboter weiß, wo er sich befindet und das möglichst millimetergenau. Er kann sich auch ein Bild von der Umgebung machen und diese kartieren. Das Problem ist, dass sich diese Umgebung ändern kann, zum Beispiel durch Menschen, die sich darin bewegen. Diese Herausforderungen sind auf dem Hochschul-Niveau gelöst, jedoch noch nicht in der Industrie.

Rahman Jamal ist Technical & Marketing Director Central Europe bei National Instruments

Es ist also ein Softwareproblem?
R. Stetter: Stopp! Die Software ist nur so schlau wie der Programmierer. Software wird häufig noch „gestrickt“ und es sind zu viele Fehler enthalten. So wird die Software als Problem gesehen und es wird zu wenig Aufwand getrieben, diese Fehler zu finden und zu beseitigen. Wenn bei einem normalen Produkt ein Fehler Auftritt, überlegt man sich, was beim Produktionsprozess schief gegangen ist. Bei einem Software-Fehler wird die Ursache selten hinterfragt.
R. Jamal: Bei der Mechatronik stehen die Mechanik und die Elektronik im Vordergrund – die Programmierung wird halt irgendwie am Schluss erledigt. Kinder und Jugendliche fassen das Problem ganz anders an: Sie beginnen mit der Software und überlegen sich erst dann, welche E/A-Komponenten und Hardwarefunktionalität benötigt wird. Die Fehler in der Mechatronik entstehen, weil die Softwareentwicklung am Schluss steht. Dies zeigt sich dann beim Test und in der Wartung.
A. Kempf: Wir haben seit etwa einem Jahr die Roboterbibliothek für Labview. Diese ist ein gutes Hilfsmittel für eine schnellere Softwareentwicklung mit weniger Berührungsängsten. Bei gemeinsamen Kundengesprächen mit meinen Vertriebskollegen habe ich erkannt, dass der Maschinenbauer mit einer Bibliothek für Hochsprachen nicht arbeiten möchte. Beim klassischen Maschinenbau ist die Akzeptanz für eine Programmierung unter Labview viel größer als mit einer Hochsprache, wie C++.

Wie erhält die Software die Beachtung, die sie verdient?
Dr. S. Enderle: Im Bereich der mobilen Roboter sollten diese so gebaut bzw. erweitert werden, dass zum Beispiel Maschinenbauer eine Umgebung wie Labview komfortabel nutzen können.
Prof. Dr. Hofbauer: In der Ausbildung muss bei den Studierenden das Bewusstsein geschaffen werden, dass die Software der Klebstoff ist, der alle Komponenten zusammenfügt und die Funktionalität herstellt. Die Absolventen tragen dieses Wissen dann in die Betriebe. Darüber hinaus brauchen wir Werkzeuge, die den Aufwand für die Schaffung der Funktionalität reduzieren.
R. Stetter: Unternehmen, Hochschulen und Verbände müssen gemeinsam an diesem Thema arbeiten. Solange die Software im Management nur als Kostenfaktor gesehen wird, wird sie nie die Rolle spielen, die ihr gebührt. Das Management muss in das Thema involviert werden.

Bill Gates wollte mit seinem Robotics Studio eine gemeinsame Plattform schaffen, da er in der Vielfalt der Produkte ein Hemmnis für die Anwendung sieht. Wäre das nicht auch für NI ein interessantes Betätigungsfeld?
R. Jamal: Wir sind seit längerer Zeit sehr aktiv in diesem Bereich. Unser Produkt Robolab haben wir zusammen mit der Tufts University entwickelt. Es ist eine vereinfachte Labview-Version entstanden, mit der es sehr leicht ist, auf einer Ebene zu programmieren. Darauf aufbauend entstand Lego Mindstorm NXT als kommerzielles Produkt. Ich denke, dass sich das Problem, das wir hier diskutieren, mit der nächsten Generation von Ingenieuren wie von selbst löst. Kinder und Jugendliche gehen intuitiv an die E/A-nahe Lösung der Aufgabenstellung heran, ohne lange über Mechatronik-Konzepte und die Rolle der Software zu diskutieren. Ein Beispiel aus der Vergangenheit sind die virtuellen Instrumente: Diese waren für etablierte Messtechniker keine brauchbare Alternative zur herkömmlichen Messtechnik; ein Absolvent von heute hat damit kein Problem mehr.

Sind diese Produkte nicht auch eine Chance für die Systemintegratoren, die im industriellen Bereich tätig sind?
R. Jamal: Im Bereich der Industrieroboter ist der Markt unter den entsprechenden Playern aufgeteilt. Unser Hauptaugenmerk liegt vielmehr auf dem Entwurf von autonomen Robotersteuersystemen. Unser neuestes Produkt in diesem Bereich zum Beispiel ist Labview Robotics 2009, das eine umfangreiche Robotikbibliothek mit Anbindungsmöglichkeiten an Standardrobotiksensoren und -aktoren, grundlegenden Algorithmen für den intelligenten Betrieb sowie Wahrnehmungsfunktionen und Motorsteuerfunktionen für Roboter und autonome Fahrzeuge umfasst.
Mit der neuen Software können Anwender ihre Ideen schneller implementieren. Dabei hilft die direkte Einsatzmöglichkeit auf echtzeitfähiger Embedded- und FPGA-Hardware. Die Softwareflexibilität wird durch die Integration mit unterschiedlichen Verarbeitungsplattformen, Softwarewerkzeugen von Drittanbietern sowie vorgefertigten Roboterplattformen maximiert.

Wie teuer darf Software für die Robotik oder Mechatronik sein?
R. Stetter: Das hängt von der Aufgabe ab. Mit der Komplexität bei der Mechanik steigen die Kosten – dieser Zusammenhang wird bei der Software nicht akzeptiert. Die Software ist für die Funktion entscheidend. Deswegen dürfen nicht nur die Kosten betrachtet werden; der Nutzen muss im Vordergrund stehen.

Wie sehen Sie die Zukunft der Software in der Robotik?
R. Jamal: Die Software wird ein integraler Bestandteil der Mechatronik sein und sie wird die Gesamtfunktionalität diktieren.
R. Stetter: In zehn Jahren sollte es ein Makel sein, wenn ein Geschäftsführer keine Ahnung vom Thema Software hat. Das zentrale Engineering muss softwarezentriert und nicht hardwarezentriert arbeiten.
Dr. S. Enderle: Die Softwarezentrierung wird kommen. Es wird sich ein Standard herauskristallisieren, mit dem jeder Roboter programmieren kann, und dann werden interessantere Projekte realisiert.
A. Kempf: Mobile Roboter, die mit Menschen in der Fertigung interaktiv ohne Schutzzäune arbeiten, werden von der Industrie gefordert. Dies ist eine Herausforderung an die Hardware und Software. Wir sind noch am Anfang, aber der Weg ist klar vorgegeben. Konfigurieren statt Programmieren wird zukünftig das Motto sein.
Prof. M. Hofbaur: Die Entwicklung der Systeme muss einfacher werden. Wir werden einen Wandel von der Programmierung zur Konfigurierung erleben.

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