SAMY

Semi-Automatische Modifikation von Steuerprogrammen industriell eingesetzter kollaborationsfähiger Robotersysteme

Programm / Ausschreibung Produktion der Zukunft, Produktion der Zukunft, 32. AS PdZ - Nationale Projekte 2019 Status laufend
Projektstart 01.04.2020 Projektende 30.09.2022
Zeitraum 2020 - 2022 Projektlaufzeit 30 Monate
Keywords Mensch-Roboter-Kollaboration

Projektbeschreibung

Kollaborationsfähige Robotersysteme stehen eigentlich für Flexibilität in der Produktion. Kommt es jedoch zu veränderten Marktanforderungen, wie Änderungen am Produkt, der produzierenden Stückzahl oder des wirtschaftlichen Automatisierungsgrades und damit des Personaleinsatzes, müssen Änderungen bzw. Modifikationen am Steuerprogramm dieser Robotersysteme getätigt werden. Diese Modifikationen haben einerseits Einfluss auf die Sicherheits- und Risikobewertung und andererseits auf die Software. Nach heutigem Stand der Technik und Richtlinien muss ein Automatisierungssystem nach jeder Modifikation erneut zertifiziert werden. Zudem ergibt sich durch die Modifikation am Steuerprogramm und der einhergehenden Systemkomplexität aufgrund wechselseitiger Beziehungen zu peripheren Einheiten, ein erhöhtes Fehlerpotential und damit ein erhöhtes Risiko für Stillstände sowie Gefährdungen im laufenden Betrieb. Diese Modifikationen können nur von Fachpersonal durchgeführt werden, was dem Flexibilitätsgedanken widerspricht.
Die fehlende praktikable Flexibilität bei einer marktgetriebenen notwendigen Modifikation kollaborationsfähiger Robotersysteme hemmt nicht nur den industriellen Einsatz, sondern auch den sicheren Betrieb von Mensch-Roboter-Kollaboration. Das Hauptziel von SAMY ist es, den Anwendungsnachweis von deklarativer Programmierung in Kombination mit formaler Verifikation im Rahmen der Programmierung und Modifikation kollaborationsfähiger Robotersysteme zu erbringen. Die deklarative Programmierung mit der Möglichkeit zur formalen Verifikation soll die Erstellung sowie Modifikation von Steuerprogrammen soweit vereinfachen, dass 20 % der österreichischen KMUs aus der diskret produzierenden Industrie vermehrt Roboter als flexibles und sicheres Werkzeug einsetzen können. Durch die Nutzung von deklarativen Beschreibungsformalismen in Kombination mit formalen Verifikationstechniken im Rahmen der Modifikation von Steuerprogrammen industriell eingesetzter kollaborationsfähiger Robotersysteme erreicht SAMY:
• die notwendige Einfachheit, um Steuerprogramme ohne explizite Robotik-Expertise zu modifizieren und damit einen weitreichenderen Einsatz kollaborationsfähiger Robotersysteme zu gewährleisten,
• die notwendige Ganzheitlichkeit, um eine systemische Implementierung von kollaborationsfähigen Robotersystemen durch die integrative Berücksichtigung von peripheren Einheiten und deren Kommunikationsschnittstellen zu gewährleisten,
• die notwendige Flexibilität, um Adaptionen in Abhängigkeit veränderlicher Produkte, Prozesse und Ressourcen einfach und schnell zu gewährleisten, sowie
• die notwendige Robustheit, um die Resilienz sowie Sicherheit gegenüber Modifikationen zu gewährleisten.
Der Innovationsgehalt von SAMY liegt darin, Systemeigenschaften aus Spezifikationen zu extrahieren und diese gegen die Systembeschreibung formal zu verifizieren. Dabei werden basierend auf einer intuitiven Systembeschreibung in Form von Funktionsblöcken, einer regelbasierten Systemspezifikation sowie definierten Systemszenarien, eine deklarative Prozessbeschreibung abgeleitet, sodass sich diese als formales Beschreibungsmodell durch Verifikationstechniken, wie Model Checking und Testing, auf Vollständigkeit verifizieren lässt. Bei formaler Vollständigkeit wird eine imperative Systembeschreibung in Form eines ausführbaren Maschinencodes generiert, der im Rahmen von industriellen Use-Cases in Laborumgebung validiert wird.
Durch den Nachweis der Anwendbarkeit formaler Verifikationstechniken basierend auf deklarativen Prozessbeschreibungen, trägt SAMY dazu bei, zukünftigen Marktanforderungen, wie Produkt- oder Losgrößenvariabilität, im Hinblick auf Individualisierung und Kosten durch eine flexible, für die Zusammenarbeit mit Menschen geeignete, Automatisierungslösung zu begegnen. Aus Perspektive des Hochlohnstandortes Österreich trägt SAMY dazu bei, die Konkurrenzfähigkeit produzierender Unternehmen zu steigern, da die Industrialisierung und Verbreitung des MRK-Konzepts deutlich vergrößert werden kann, wenn die technische Umsetzbarkeit in veränderlichen Umgebungen verbessert, der Implementierungs- und Adaptionsaufwand reduziert und vereinfacht, die Sicherheit und Funktionalität trotz Modifikation stets ohne Mehraufwand gewährleistet sowie der rentable Einsatz bei kleineren Losgrößen ermöglicht wird.

Abstract

Collaborative robot systems stand for flexibility in production. If there are changes in market requirements, such as changes to the product, the number of units produced or the economic degree of automation and thus the deployment of personnel, changes or modifications must be made to the control program of these robot systems. These modifications influence the safety and risk assessment on the one hand and the software on the other. According to the current state of technology and guidelines, an automation system must be recertified after each modification. In addition, the modification of the control program and the associated system complexity due to mutual relationships with peripheral units results in an increased error potential and thus an increased risk of standstills and hazards during operation. Moreover, these modifications can only be carried out by qualified personnel, which contradicts concepts of flexibility.
The lack of practicable flexibility in a necessary market-driven modification of collaborative robot systems not only inhibits industrial use, but also the safe operation of human-robot collaboration. The main goal of SAMY is to provide application proof of declarative programming in combination with formal verification for the programming and modification of collaborative robot systems. Declarative programming with the possibility of formal verification should simplify the creation and modification of control programs to such an extent that 20% of Austrian SMEs from the discrete manufacturing industry can increasingly use robots as a flexible and secure tool. Through the use of declarative description formalisms in combination with formal verification techniques for the modification of control programs for of industrially used collaborative robot systems, SAMY reaches:
• the necessary simplicity to modify control programs without explicit robotics expertise and thus ensure a more extensive use of collaborative robotic systems,
• the necessary holistic approach to ensure a systemic implementation of collaborative robot systems through the integrative consideration of peripheral units and their communication interfaces,
• the necessary flexibility to ensure quick and easy adaptations to changing products, processes and resources; and
• the necessary robustness to ensure resilience and security against modifications.
The innovative potential of SAMY lies in extracting system properties from specifications and formally verifying them against the system description. Based on an intuitive system description in the form of function blocks, a rule-based system specification and specified system scenarios, a declarative process description is derived, so that it can be verified for completeness as a formal description model through model checking and testing. In the case of formal completeness, an imperative system description is generated in the form of an executable machine code that is validated in industrial use cases in laboratory setting.
By proving the applicability of formal verification techniques based on declarative process descriptions, SAMY contributes to meeting future market requirements, such as product or batch size variability, with regard to individualization and costs through a flexible automation solution suitable for cooperation with people. From the perspective of Austria as a high-wage location, SAMY contributes to increasing the competitiveness of manufacturing companies, since the industrialization and dissemination of the MRK concept can be significantly increased if the technical feasibility in changing environments is improved, the implementation and adaptation effort is reduced and simplified, safety and functionality are always guaranteed without additional effort despite modification, and profitable use in smaller batch sizes is made possible.