Bereits auf der Hannover Messe 2019 berichtete next Robotics live am Stand von Pilz zum ROS-Vorhaben.

Da kommt man mit dem Zählen kaum noch mit. Robotik schickt sich an, nach Industrie 4.0 nun eine fünfte industrielle Revolution anzustoßen. Preislich attraktive Leichtbauroboterarme sowie die technische Möglichkeit, diese ohne Zaun mit dem Menschen kollaborieren zu lassen, eröffnen nicht nur in der Industrie neue Optionen. Auch in Medizin, Gewerbe und Handwerk, ja sogar im Privatbereich sind Roboter nun vorstellbar. Dass dies keine Vision aus der Filterblase abgehobener Fachjournalisten ist, zeigt sich daran, dass es eine wachsende Schar an Start-ups gibt, die sich in diesem Markt tummeln und die neben Kuriositäten wie Spätzleschabern auch veritable Innovationen wie Reinigungsmaschinen, medizinische Operationsassistenten, Verkaufsberater im Einzelhandel oder landwirtschaftliche Erntehelfer zur Serienreife entwickeln.

Robotik-Module, Bild: Pilz
Neben offensichtlichen Robotik-Komponenten sieht Pilz auch sein weiteres Portfolio wie die Safety-Steurung PSS4000, Laserscanner, das Kamerasystem SafetyEye oder Trittmatten als mögliche Robotik-Module. Bild: Pilz

Wenn man sich in diesem Milieu umsieht, merkt man schnell, dass das Open-Source-Software-Framework ROS, Robot Operating System, hier weit verbreitet ist. Entstanden ist ROS 2007 im universitären und forschenden Umfeld, wo es sich zum Standard für Forschungsprojekte in der Robotik entwickelt hat. Die Vorteile von ROS: Es ist offen, interoperabel und bietet die Möglichkeit, Komponenten herstellerübergreifend zu integrieren. Vor allem: Es ist kostenlos und unter jungen technikaffinen Menschen gut bekannt. Jedermann kann sich die eigene Robotersteuerung, oder die eines fahrerlosen Transportsystems, aus verschiedenen Software-Paketen flexibel zusammenstellen. Was für ein Unterschied zur proprietären Steuerungswelt der meisten Roboterhersteller.

Siehe auch: Erste Details zum neuen Roboter-Baukasten von Pilz! - Quelle: next Robotics

fahrerloses Transportsystem, Bild: Pilz
Eine Besonderheit beim Pilz Manipulator ist die 24 Volt Spannungsversorgung, die einen Akkubetrieb ermöglicht. Somit ist er für mobile Anwendungen, wie den Einsatz auf fahrerlosen Transportsystemen, vorbereitet. Bild: Pilz

Für komplexe Applikationen, in denen verschiedene Sensoren und Aktoren beliebiger Hersteller unterschiedliche Aufgaben übernehmen und komplexe Algorithmen steuern müssen, wird eine standardisierte Kommunikationsschicht benötigt. Genau das bietet ROS. Durch die Modularität und den Open-Source-Charakter, also die offene Verfügbarkeit des Quelltextes, sowie die Verwendung von modernen Programmiersprachen wie Python oder C++ lassen sich industrielle Applikationen flexibel erstellen und später modifizieren. Hinzu kommt: Typische Robotersteuerungen arbeiten häufig mit fest programmierten Bahnen, die eine Veränderung der Bewegung durch plötzlich auftauchende Hindernisse nur schwer möglich machen. Gerade in dynamischen Umgebungen, wie sie in der Service-Robotik üblich sind, hat ROS seine Stärken, weil sich Kollisionsvermeidung beim Greifen von Objekten oder die Navigation von fahrerlosen Transportsystemen (FTS/englisch: AGV) leichter umsetzen lässt.

Pilz programmiert ROS-Pakete selbst

Als einer der ersten Hersteller der klassischen industriellen Automatisierungswelt hat Pilz ROS für sich entdeckt. Für seine Service-Robotik-Module, unter anderem ein AGV-tauglicher 24-Volt-Manipulator mit sechs Kilogramm Nutzlast, nutzt Pilz ROS-Pakete mit ausgewählten Funktionen für Robotersteuerung und Bahnplanung. Im Gegensatz zu vielen anderen Herstellern, die ihre ROS-Pakete extern entwickeln lassen, stammen die Pakete von Pilz aus der hauseigenen Programmierstube. Da die Antriebselektronik im Pilz-Manipulator integriert ist, reagiert sie direkt auf die Sollwerte der ROS-Pakete, ohne dass eine herstellerspezifische Steuerung zwischen dem Manipulator und ROS benötigt wird. Für die Sicherheit sorgt das Automatisierungssystem PSS 4000. Das bietet dem Kunden alle Freiheiten bezüglich der Bahn- und Bewegungsplanung. Ein weiterer Vorteil: Da auch viele AGVs auf ROS laufen, können sowohl AGV als auch Manipulator von derselben Steuerung angesprochen werden. Das spart Platz, Gewicht und Kosten in der mobilen Robotik.

Thomas Pilz, Geschäftsführer Pilz. - Bild: Pilz

„Wenn man sich auf eine Community einlässt, bekommt man das auf dem einen oder anderen Weg wieder zurück.“

Thomas Pilz, Pilz

Robotik für neue Zielgruppen öffnen

Dank der aktiven ROS-Community mit Hilfeforen und vielen Tutorials kann sich auch ein mechanischer Integrator so gut einarbeiten, dass er seine eigenen Roboterapplikationen individuell einrichten kann. Durch den Einsatz graphischer Benutzeroberflächen wie Drag´n Bot wird der Prozess nochmals einfacher. So wird die Robotik auch für kleine und mittelständische Unternehmen, die Roboter einsetzen möchten, interessant, um den Automatisierungsgrad in ihrer Fertigung zu erhöhen. Da es in der Community unglaublich viele Pakete zu unterschiedlichsten Bereichen gibt, lassen sich Roboterapplikationen wie Palettieren, Conveyor Tracking oder auch eine kamerabasierte Objekterkennung mit gemischten Komponenten verschiedenster Hersteller bauen. Außerdem: Da ROS an vielen Hochschulen eingesetzt wird, ist es leichter vorqualifizierte Mitarbeiter zu finden, weil sich viele mit dem System bereits auskennen.

Daniel Baković, Senior Manager, Pilz - Bild: Pilz

„Wir wollen ROS in der Industrie pushen und setzen daher viel Aufwand in Qualitätssicherung.“

Daniel Baković, Pilz

Open Source bringt aber auch Herausforderungen: Grundsätzlich kommen ROS-Pakete innerhalb der Community von unterschiedlichen Autoren. Deshalb reicht die Qualität der Pakete von undokumentierten Bausteinen bis zu professionellen und qualitativ hochwertigen Projekten. Da Pilz ein hoher Qualitätsstandard sehr wichtig ist, wird die Software nach den industriellen Qualitätskriterien und Anforderungen des ROS Industrial Consortiums entwickelt und getestet. Für die eigenen Pakete übernimmt Pilz bei seinen Kunden natürlich auch den Support. Mit seinem Bekenntnis zu ROS leistet Pilz Pionierarbeit in der Industrie und ist einer der Wegbereiter für offene Standards in der Robotik. Dass eine innovationshungrige Startup-Szene die Robotik in den kommenden Jahren durcheinanderwirbeln wird, zeigt sich schon heute bei jedem Messebesuch.

"Deshalb investieren wir in die Robotik...! - Ein Interview mit Thomas Pilz und Daniel Baković, Pilz

Pilz ist Mitglied des ROS Industrial Consortium, einem Zusammenschluss von Unternehmen, die ROS für Anwendungen in der Industrie fördern wollen. Die Initiative zählt weltweit rund 65 Mitglieder. In Europa werden die Aktivitäten vom Fraunhofer IPA koordiniert. Bild: Pilz

Wie kommt ein Automatisierungshersteller wie Pilz auf die Idee, Roboter zu produzieren? ke NEXT sprach mit dem geschäftsführenden Gesellschafter Thomas Pilz sowie mit Daniel Baković, in der Vorentwicklung Leiter der Bereiche Steuerungstechnik und Mechatronik.

Wie kamen Sie auf die Idee, ein Robotik-Portfolio aufzubauen?

Thomas Pilz: Unsere Sicherheitsprodukte haben in der Robotik einen sehr großen Markt. Für die bislang üblichen trennenden Schutzeinrichtungen braucht man Safety-Controller, Laserscanner, gegebenenfalls das dreidimensionale sichere Kamerasystem Safety Eye, Schaltmatten, im Grunde alles, was wir in unserem Portfolio haben. Allerdings haben die Roboterhersteller immer mehr Sicherheitsfunktionen in ihre eigenen Steuerungen integriert, und dann kam die Zukunftsvision auf, dass man ohne Zaun mit dem Roboter im Werk kollaborieren können soll. Da haben wir uns bei Pilz zusammengesetzt und überlegt, was wir dem Markt bieten können. Einen Kraft-Momenten-Sensor? Sackgasse, den entwickelt der Roboterhersteller selber. Eine sensorische Haut? Sackgasse, wenn der Roboterhersteller nicht möchte, bekommen wir die nicht dran. Also was tun? Unseren eigenen Arm? Ja, da können wir im Wettbewerb mithalten. Wir beherrschen Themen wie sicherer Stopp, sichere Bremsrampe, sichere Drehrichtung, und die haben wir eben in einer Kinematik zusammengebunden.

Nun bieten Sie unter anderem einen Arm, eine Steuerung, eine Software und ein Bedienpanel an. Andere Hersteller nennen sich mit so einem Portfolio Roboterhersteller. Sie aber sagen, dass sie nur Robotik-Module anbieten. Warum das?

Thomas Pilz: Ich bin seit 1997 in den Gremien der Roboter-Normung aktiv. Es gibt eine Arbeitsgruppe in der Service-Robotik zum Thema Modularität. Der Arbeitsauftrag der Gruppe war es, ein Dokument zu erstellen, das beschreibt, wie ein Maschinenbauer mit Modulen unterschiedlicher Hersteller eine Roboterapplikation bauen kann. Dieser Gedanke ist bei mir auf fruchtbaren Boden gefallen, vor allem, weil ja auch ROS als Softwarebasis modular aufgebaut ist. Damit war für uns klar, wir wollen kein proprietärer Roboterhersteller sein, der in Wettbewerb mit einem Universal Robots tritt oder gar so vermessen ist, sich mit Marktführern wie Kuka, Comau, Yaskawa, Stäubli oder Fanuc zu vergleichen. Wir setzen bewusst auf die Service-Robotik und bieten die Module so an, wie wir früher unsere Komponenten angeboten haben. Damit können Sie unseren Arm an eine Pilz-Steuerung ebenso anbinden wie an eine von Keba oder an einen normalen PC im Labor einer Universität. Zu guter Letzt: Auch in der Maschinenrichtlinie steht geschrieben, dass der Roboter eine halbfertige Maschine ist. So gesehen sind alle Roboter modular. Die einen sind modular proprietär und wir sind eben, aufgrund der ROS-Schiene, modular offen.

Nun sprechen Sie, spricht Pilz nicht von Service-Robotik allgemein, sondern von industrieller Service-Robotik. Was ist für Sie „industrielle“ Service-Robotik?

Thomas Pilz: Da muss man zurückgehen in der Normungshistorie. Die Leichtbauroboter waren immer in der Normung präsent, wurden aber bei der Normung nie berücksichtigt, weil die Automobilisten den Standard für sich ausgebaut haben. Da hieß es dann oft: Was willst du mit den kleinen Robotern, mach es halt so wie mit den großen. Als die Robotik dann außerhalb der Industrie Fuß fasste, hat man in den Normungsgremien gesagt, macht ihr mal eure Service-Robotik, wir grenzen uns jetzt ab. Ich sehe es aber so: Es ist egal, ob ein fahrendes Terminal mit Cloud-Anbindung neben einem Arzt herfährt, um die Krankenakte aufzurufen und passende Medikamente auszugeben oder ob es neben einem Instandhalter herfährt und statt der Krankenakte die Konstruktionszeichnungen aufruft: es ist immer die Assistenzfunktion für den handelnden Menschen. Und weil unsere Module für die Service-Robotik gedacht sind, von Qualität und Machart aber auf industrielle Umfelder ausgelegt sind, nennen wir es industrielle Service-Robotik.

Nun setzten Sie softwareseitig auf ROS, ein Open-Source-Projekt. Warum das, was ist hier der Vorteil?

Daniel Baković: ROS ist für uns das Musterbeispiel an Modularität. Ich kann mir das System so zusammenstellen, wie ich es gerne haben möchte. Ich kann mir einzelne Pakete oder Module installieren, brauche aber nicht alles. Das heißt, ich bin sehr flexibel. Das ist wichtig, wenn ich eine Applikation habe, an der später etwas geändert werden soll. Wenn sich zum Beispiel die zu bearbeitenden Bauteile ändern und ich einen Manipulator mit größerer Reichweite brauche, dann kann ich unter ROS den Arm einfach austauschen, aber alles andere kann ich stehen lassen. Ich muss nichts verändern am Set-up, und das Programm kann weiterlaufen. Ich kann eine Kamera austauschen, ohne dass ich im Programmablauf irgendetwas ändern muss. Ich lade den Kameratreiber und die neue Kamera liefert Bilder, so wie es die Kamera davor getan hat.

Nun ist ROS aber Open Source. Das hat Vorteile, allerdings ist da auch nicht alles Gold was glänzt…

Daniel Baković: Stimmt, ROS ist Open Source, damit ist eine große Community dahinter. Es wird schnell entwickelt, das ist gut. Manches ist aber auch schnelllebig. Es gibt viele gute Pakete, es gibt aber auch viele, sagen wir mal, nicht so gute Pakete. Die Herausforderung besteht darin zu unterscheiden, was man wirklich im industriellen Umfeld verwenden kann und was nicht. ROS an sich, also ROS Core, ist sehr zuverlässig. Die Entwicklergruppe für das Moveit-Paket, die Bahnplanung, die wir verwenden, ist auch sehr aktiv. Der Code hat eine gute Qualität, Fehler werden schnell beseitigt. Die Dokumentation ist zwar nicht so detailliert, aber man kann damit arbeiten. Neben ROS Core und Moveit nutzen wir die CANOpen-Schnittstelle sowie unsere eigenentwickelten Pakete. Mehr Pakete brauchen wir aktuell nicht.

Open Source baut darauf, dass man Eigenentwicklungen der Community wieder zur Verfügung stellt. Tun Sie das?

Daniel Baković: Ja, das tun wir. Wir entwickeln unsere Pakete nach industriellen Standards. Wir stellen sicher, dass sie unsere Pilz-internen Qualitätsstandards ebenso wie den Qualitätsstandard von ROS Industrial erfüllen. Wir wollen ROS in der Industrie pushen und deswegen betreiben wir sehr viel Aufwand, um beide Standards zu erfüllen. Software, die von uns programmiert wird, ist sehr gut getestet, gut dokumentiert. Wir sind vollständig in die ROS Buildframe integriert. Dort werden unsere Pakete geprüft, und erst, wenn ein grüner Haken dran ist, dann landen sie auch offiziell im so genannten Repository – zur freien Verfügung.

Das bedeutet doch aber, dass zum Beispiel auch ein Kuka-Arm mit den Pilz-Paketen angesteuert werden kann. Daran verdienen Sie aber kein Geld. Wie ist das Geschäftsmodell hinter Ihren ROS-Aktivitäten?

Daniel Bacović: Nun, es gibt Pakete, die Manipulator-spezifisch sind, wie zum Beispiel das kinematische Modell oder die Visualisierung, das passt nur für unseren Manipulator. Aber zum Beispiel die Bahnplanung, die wir entwickelt haben, die passt für jeden Manipulator. Man könnte den Manipulator tauschen, den gleichen Bahnplaner nutzen, und es würde weiterhin funktionieren – vorausgesetzt die Hersteller bieten eine ROS-Schnittstelle an.

Thomas Pilz: Die ROS-Community schätzt das, und ich sehe es durchweg positiv. Tatsächlich freut es mich, wenn wir Anfragen bekommen, wie man unsere Pakete auf einem anderen Roboter benutzen kann. Das zeigt, dass die Community unsere Pakete wirklich umfassend nutzt. Das Geschäftsmodell ist möglicherweise ein irrationales: Es zeigt die Qualität unserer Arbeit, das ist die beste Werbung dafür. Wir glauben, dass das einen positiven Effekt auf unsere anderen Service-Robotik-Module hat. Wir können auch Entwicklungsdienstleistungen bieten, die über das normale Feedback im Forum hinausgehen, das sind ja zulässige Geschäftsmodelle mit ROS. Aber das Allerwichtigste ist, dass der Markt versteht, dass Pilz offen für Modularität ist. Wir müssen das Paket aus Steuerung und Arm nicht um jeden Preis zig Tausend Mal in der ganzen Welt verkauft haben. Wenn jemand nur die ROS-Module nimmt, dann ist das der Türöffner. Er wird womöglich bei uns wieder anfragen, wenn es um die CE-Zertifizierung geht, er wird in Erwägung ziehen unsere Sensorik einzusetzen, wenn er doch vollautomatisiert arbeiten möchte. Weil er sieht, dass die Qualität unseres ROS-Produkts gut ist. Wenn man sich auf eine Community einlässt, bekommt man das auf dem einen oder anderen Weg wieder zurück. Am Ende setzt sich Qualität immer durch.

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