Open-Source für die Robotik

Die Open-Source-Software ROS bietet viele grundlegende, aber komplexe Technologien für Roboter und findet immer öfter den Weg in industrielle Anwendungen.

Technologieschub durch Open-Source: Was 2007 begann, ist heute, zwölf Jahre später, erfolgreicher, als wohl viele vermutet hätten. Damals war ROS der Versuch, eine einheitliche Kommunikations- und Komponentenstruktur für Robotersoftware zu etablieren. Es diente zunächst dem Einsatz in der Forschung und für Serviceroboter-Technologien und galt eher als "Nischenprodukt". Insbesondere Start-ups und Forschungsabteilungen in Firmen nutzten und nutzen es noch immer, weil sie sofort wichtige Technologien für Roboter zur Verfügung haben, ohne besonders viele eigene Ressourcen zu benötigen. Und während ROS für industrielle Automatisierungslösungen bereits vergleichsweise etabliert ist, gibt es zunehmend das Bestreben, es auch für roboterbasierte Anwendungen in neuen Umfeldern, beispielsweise in der Agrar- und Lebensmittelbranche weiterzuentwickeln, und hier einen neuen Markt aufzubauen. In diesem Kontext agiert beispielsweise das kürzlich gestartete EU-Projekt "AgROBOfood".

Zu den zahlreichen Technologien, die ROS bietet, zählen Softwarekomponenten für Manipulation oder Bildverarbeitung. Hinzu kommen Hardware-Treiber für ganze Roboter, Sensoren oder andere Komponenten, Planungs-, Steuerungs- und Datenverarbeitungsalgorithmen sowie Diagnose- und Entwicklungswerkzeuge. Die meisten sind frei verfügbar, herstellerunabhängig, standardisiert und entstehen partizipativ, also über eine digitale Plattform. Entsprechend dem Open-Source-Prinzip gilt grundsätzlich: Einmal entwickelte Komponenten können einerseits direkt mehrfach verwendet werden, was die Entwicklung und Inbetriebnahme von Robotersystemen effizienter und somit wirtschaftlicher macht, und andererseits kann jedermann die Komponenten als Basis für die Neu- oder Fortentwicklung selbst nutzen.

Insofern verwundert es nicht, dass ROS schnell auch auf ein breiteres Interesse stieß. Wie stark dieses Interesse mittlerweile geworden ist, belegt beispielsweise die Summe von rund 150 Mio. USD Risikokapital, die laut IEEE allein 2015 in Start-ups investiert wurde, deren Technologien auf ROS basieren. Und das Forschungsinstitut ABI aus den USA geht in einer Studie aus diesem Jahr davon aus, dass 2024 mehr als jeder zweite ausgelieferte Roboter mindestens ein ROS-Paket nutzen wird. Für dieses Interesse gibt es mehrere Gründe. Einer ist der steigende Bedarf an leistungsfähigen, intelligenten und zugleich wirtschaftlichen Automatisierungslösungen auch für kleinere Losgrößen, der sogenannte „Market Pull“. Dieser „Market Pull“ resultiert unter anderem aus Entwicklungen und Initiativen im Kontext von Industrie 4.0, also der Vernetzung der Produktionskomponenten in Echtzeit und der Nutzung kontinuierlich erzeugter Daten zur Optimierung der Produktion.

150 Mio. USD sind laut IEEE 2015 in Start-ups investiert worden, deren Technologie auf ROS basiert.

Diese Entwicklung geht einher mit Technologieschüben („Technology Push“), die mehr Automatisierung sowohl aus technischer als auch finanzieller Sicht erlauben. Viele Robotertechnologien haben einen hohen Reifegrad erreicht. Für deren Integration in innovative Anwendungen ist intelligente Software gefordert, die entsprechend an Wichtigkeit, aber auch an Komplexität gewinnt. Für einzelne Unternehmen wird es deshalb schwieriger, auf konventionellem Wege mit den schnellen Entwicklungszyklen und den Anforderungen an Software mitzuhalten. Genau hier spielt das Konzept gemeinschaftlich entstehender und nutzbarer Software seine Stärke aus.

Und auch eine kommerzielle Nutzung ist möglich und bereits recht verbreitet. Sie beinhaltet häufig sowohl Open-Source- als auch Closed-Source-Komponenten. Diese kombinierte Nutzung von Open- und Closed-Source-ROS-Komponenten ist möglich, weil ROS unter der BSD-Lizenz (Berkeley Software Distribution) steht: Jeder darf den Code nutzen, ändern und kommerziell verbreiten, solange das Copyright gekennzeichnet bleibt. Neu entwickelte Pakete werden unter Apache 2.0 veröffentlicht, sodass zur BSD-Lizenz noch eine Patentklausel hinzukommt. Diese schützt Nutzer und Beitragende vor Patentverletzungsklagen.

Das große Interesse an ROS spiegelten ferner auch die Referenten der letztjährigen ROS-Industrial-Konferenz in Stuttgart, einer der Leitveranstaltungen zum Thema ROS-Industrial in Europa. Die Kernbotschaft der Veranstaltung: Vernetzten Strukturen, Plattformen und Ökosystemen gehört die Zukunft, um Automatisierungslösungen wirtschaftlich und robust entwickeln und betreiben zu können. Es geht weniger darum, Dinge oder Technologien zu besitzen, sondern sie in Form von Diensten nutzen oder anbieten zu können. Hierfür ist mehr Standardisierung nötig, die ROS ermöglicht.

Prominente Beispiele für diese Entwicklungen sind die IT-Giganten Amazon und Google, die sich (wieder) vermehrt mit der Robotik beschäftigen. Beide präsentierten auf der Konferenz Plattformen für die Entwicklung von Robotersystemen mithilfe von ROS in der Cloud. Robomaker von Amazon bietet eine browserbasierte Entwicklungsumgebung und zahlreiche Clouddienste wie Sprach- und Bildererkennung für Roboter oder Tools für maschinelles Lernen und Analysen. Auch Google adressiert mit der Plattform Cloud Robotics den Bedarf an Lösungen, die skalierbar sind, kollaborative Fähigkeiten und Verhalten sowie eine robuste Verwaltung von Änderungen und Monitoring bieten.

IT-Giganten wie Amazon und Google entwickeln Robotersysteme mithilfe von ROS

Zwar nicht auf der Konferenz vertreten, dafür medial stark beachtet: Auch Facebook bietet seit diesem Sommer das Tool „PyRobot“ an, ein Python-Framework basierend auf ROS, mit dem die Programmierung von Robotern einfacher und günstiger werden soll. Weitere Themen der Konferenz waren Anwendungshighlights mit ROS in der Industrie sowie Lösungsansätze für die Themen Systemintegration, Softwarequalität und funktionale Sicherheit.

Der Einsatz von ROS im industriellen Kontext stellt andere Anforderungen als in der Forschung, insbesondere hinsichtlich der IT-Sicherheit und einer robusten, echtzeitfähigen Kommunikation als ein Baustein zur normenkonformen Umsetzung funktionaler Sicherheit. Da ROS (oder ROS1) selbst nicht echtzeitfähig ist, wurde im Dezember 2017 die erste Distribution Release von ROS2 veröffentlicht, das auf den „Data Distribution Service“ (DDS) Standard für Echtzeitsysteme setzt. ROS2 ist – obwohl mit dem Fokus auf bessere Unterstützung industrieller Anforderungen entwickelt – momentan im Vergleich zu ROS1 noch deutlich forschungslastiger und ist am stärksten in der mobilen Robotik und dem autonomen Fahren verbreitet. Die Bahnplanungskomponente „MoveIt!“ wurde erst Ende Mai dieses Jahres für ROS2 vorgestellt und ist somit auch noch klarer Entwicklungsgegenstand.

Auch auf politischer Ebene spielt das Potenzial von Open-Source-Software zunehmend eine Rolle. Um Europa auf diesem Gebiet zu stärken, fördert die EU das Projekt Rosin (ROS-Industrial Quality-Assured Robot Software Components). Dabei arbeiten mehrere europäische Forschungseinrichtungen sowie der Endanwender und Roboterhersteller ABB zusammen mit dem Fraunhofer IPA daran, mit freier Software eine digitale Plattform für die Robotik zu schaffen. Rosin agiert in drei Bereichen. Zum einen gibt es „Focused Technical Projects“. Einzelpersonen oder Unternehmen konnten sich hier für eine finanzielle Förderung bewerben, um ROS-Komponenten für ihre Anwendung zu entwickeln oder anzupassen. Gefördert wurde auch die Weiterentwicklung von ROS- zu ROS2-Komponenten.

Zum anderen arbeitet Rosin daran, die Softwarequalität zu verbessern, beispielsweise durch neue Tools zur Qualitätssicherung oder zum automatischen Codetesten. Der dritte Schwerpunkt im Projekt ist die Weiterbildung. Für Studierende und Young Professionals gibt es Summer Schools, für Entwickler einwöchige ROS-Trainings unter anderem in Stuttgart. Auch für diesen Schwerpunkt gab es Fördergelder im Rahmen sogenannter „Educational Projects“ (EPs). Kurzum: Es tut sich viel bei ROS und in dessen Umfeld.

Christoph Hellmann/db