Modellbasierte Softwareentwicklung für mobile Manipulatoren im industriellen Einsatz

Abstract

Roboter, die Mobilität und Manipulation verbinden, stehen in immer größerer Anzahl für den Einsatz in Wissenschaft, aber auch in industriellen Anwendungen zur Verfügung. Jedoch ist die Softwareentwicklung durch die hohe Anzahl an Aktoren und Sensoren für solche Robotersysteme aufwändig und komplex. Eine Nutzung ist im industriellen Kontext daher oft nicht wirtschaftlich. Ziel dieser Arbeit ist eine Verbesserung der Softwareentwicklung durch modellgetriebene Entwicklungsmethodik herbeizuführen, um durch geringeren Aufwand, durch verstärkte Wiederverwendung bestehender Software und durch das bessere Separieren von Expertenwissen die Entwicklungskosten zu senken. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit eine direkte formale Beschreibung des ROS Komponentenframeworks als Meta-Modell entwickelt, auf dessen Basis eine Entwicklungstoolchain umgesetzt wird. Die konzeptionelle Nähe zu den bestehenden Mechanismen innerhalb des Komponentenframeworks ermöglicht eine schnellere Akzeptanz bei ROS Entwicklern sowie die Wiederverwendung bestehender ROS Komponenten. In der Umsetzung des Meta-Modells wird dabei die Auftrennung von Entwicklerrollen und -belangen umgesetzt. Zudem wird durch Modelltransformationen eine Unterstützung von anderen Roboterframeworks und Meta-Modellen implementiert. Die entwickelte Toolchain wird in dieser Arbeit im Rahmen von drei Case Studies auf Roboterentwicklungsprozesse angewandt und bzgl. Wiederverwendbarkeit, der Auftrennung von Nutzerrollen und des Entwicklungsaufwands analysiert. Dabei kann eine Effizienzsteigerung und eine Verbesserung von Wiederverwendungsmetriken gezeigt werden. Mit Hilfe einer Entwicklerbefragung wird zudem eine qualitative Verbesserung von Entwicklungsprozessen für mobile Manipulatoren durch die modellbasierte Toolchain nachgewiesen.

An increasing number of robots combining mobility with manipulation are available for both scientific use cases, but also industrial applications. Due to the high number of actuators and sensors, software development for such robot systems is elaborate and complex. Therefore, the usage in industrial applications is often not economically feasible. The goal of this work is an improvement in the software development for mobile manipulators by using the model based development methodology. In order to reduce the overall development effort, the support of reuse of existing software and the differentiation of expert knowledge are optimized by the application of this methodology to robotics. For that reason, a formal description of the ROS component frameworks is developed in this work as a meta-model that is the basis for a model based development tool chain. The conceptional vicinity to the existing mechanisms in the component framework improves the acceptance of the ROS developers and makes reuse of existing ROS components possible. The separation of developer concerns and roles are implemented within the meta-model. Furthermore, model transformations are created to support different robot software frameworks and other metamodels. The approach is applied during the development process of three case studies using the tool chain, evaluating the amount of reuse, the differentiation of the user roles and the amount of development effort. An improvement of development efficency and of metrics for component reusability are shown for the developed components and systems. By evaluation of a developer survey, the qualitative improvement of development processes for mobile manipulators is proven.