Konzeption und Entwicklung einer Ablaufsteuerung zur
echtzeitfähigen Überwachung eines Expertensystems
in einem autonomen mobilen Roboter

Diplomarbeit
ausgeführt am
Lehrstuhl für Datenverarbeitung
Technische Universität München
Prof. Dr. techn. J. Swoboda
und am
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
Technische Universität München
Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart
Prof. Dr.-Ing. J. Milberg

von
Bernd Graßl
Betreuer
am Lehrstuhl für Datenverarbeitung:
Dipl.-Ing. R. Konopka
am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften:
Dipl.-Ing. K. Pischeltsrieder

Beginn: August 1994
Abgabe: Februar 1995

I
Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ...  I
Abbildungsverzeichnis ... IV
Tabellenverzeichnis ... V

1 Einleitung ... 1
    1.1 Einführung ... 1
    1.2 Ausgangssituation ... 2
    1.3 Aufgabenstellung ... 4
    1.4 Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise ... 6

2 Stand der Forschung im Bereich wissensbasierter Systeme ... 9
    2.1 Grundlagen wissensbasierter Systeme / Expertensysteme ... 9
        2.1.1 Komponenten eines Expertensystems ... 10
        2.1.2 Verschiedene Arten und Einsatzgebiete von Expertensystemen ... 14
    2.2 Wissensbasierte Diagnose und Fehlerbehandlung ... 17
        2.2.1 Begriffe und Grundlagen ... 17
        2.2.2 Dialogorientierte Diagnose-Expertensysteme ... 25
        2.2.3 Diagnose-Expertensysteme mit Prozeßankopplung ... 26
        2.2.4 Bewertung der betrachteten Systeme ... 27
    2.3 Kritische Betrachtung der Expertensystemtechnologie ... 28
        2.3.1 Vorteile und Nutzen von Expertensystemen ... 28
        2.3.2 Nachteile, Schwachstellen und Grenzen von Expertensystemen ... 29
    2.4 Eine "intelligente" Roboter-Steuerung ... 31

3 Konzeption einer Ablaufsteuerung für die Auftragsbearbeitung ... 35
    3.1 Strukturierung der Auftragsausführung ... 35
        3.1.1 Gründe für die Verwendung einer speziellen Ablaufsteuerung ... 36
        3.1.2 Aufgaben der Ablaufsteuerung ... 38
        3.1.3 Aufbau der Ausführungssteuerung ... 39
    3.2 Ablaufkonzept der Elementarauftragsbearbeitung ... 40
        3.2.1 Strukturierung von Regelmengen ... 40
        3.2.2 Ablauf einer Auftragsbe arbeitung im regelbasiertem System ... 43
        3.2.3 Funktionsweise der Ablaufsteuerung ... 45
    3.3 Schnittstellen der Ablaufsteuerung ... 48
        3.3.1 Schnittstelle zwischen der Ablaufsteuerung und dem regelbasiertem System ... 48
        3.3.2 Schnittstellen zu anderen Komponenten ... 50
    3.4 Auftragsbearbeitung ... 51
        3.4.1 Regulärer Ablauf einer Auftragsbearbeitung (fehlerfreier Fall) ... 51
        3.4.2 Ablauf bei Übergabe eines fehlerhaften Auftrags ... 52
        3.4.3 Auftreten einer Komponentenfehlermeldung während der Auftragsbearbeitung ... 53
        3.4.4 Auftreten eines kritischen asynchronen Fehlers während der Auftragsbearbeitung ... 56
    3.5 Fehlerbehandlung ... 58
        3.5.1 Überwachung ... 58
        3.5.2 Fehlerbewertung ... 58
        3.5.3 Sofortmaßnahmen ... 60
    3.6 Gesamtablauf im Überblick ... 60

4 Realisierung und Implementierung ... 63
    4.1 Integration in vorhandene Kommunikationsstruktur ... 63
    4.2 Verbindung zum regelbasiertem System ... 65
    4.3 Programmbeschreibung ... 67
        4.3.1 Implementierte Dienste ... 67
        4.3.2 Ablaufsteuerungsstati ... 72

5 Schlußbemerkungen ... 75
    5.1 Zusammenfassung ... 75
    5.2 Ausblick ... 76

Literaturverzeichnis ... 79
Abkürzungsverzeichnis ... 82
Glossar ... 83

Anhang A: Programmbeschreibung ... 91
A.1 Angebotene Dienste der Ablaufsteuerung und des regelbasierten Systems ... 92
A.1.1 Gesamtübersicht aller Dienste und deren Dienstnummern ... 92
A.1.2 Übersicht aller von der RBS-Ablaufsteuerung angebotenen Dienste ... 93
A.1.3 Übersicht aller vom regelbasiertem System (RBS) angebotenen Dienste ... 94
A.2 Beschreibung der angebotenen Dienste ... 95
A.2.1 Beschreibung der von der RBS-Ablaufsteuerung angebotenen Dienste ... 95
A.2.2 Beschreibung der vom regelbasierten System angebotenen Dienste ... 98

Anhang B: Programmlistings ... 103
B.1 Ablaufsteuerungsprogramm ... 103
B.2 Schnittstellenmodul im regelbasiertem System ... 104

Abbildungsverzeichnis
Abb. 1.1: Der autonome, mobile Roboter des iwb (MOBROB) auf einem FTS ... 3
Abb. 2.1: Architektur und Komponenten eines Expertensystems ... 10
Abb. 2.2: Grundschema der technischen Diagnose ... 18
Abb. 2.3: Phasen der Fehlerbehandlung ... 23
Abb. 2.4: Die einzelnen Module des Roboter-Steuerungssoftware PetRIS ... 31
Abb. 3.1: Die einzelnen Module der Ausführungssteuerung ... 40
Abb. 3.2: Regelmengenstruktur ... 43
Abb. 3.3: Ablaufdiagramm der Elementarauftragsbearbeitung ... 44
Abb. 3.4: Prinzipielle Funktionsweise der Ablaufsteuerung ... 47
Abb. 3.5: Schnittstellen der Ablaufsteuerung ... 49
Abb. 3.6: Ablauf bei Bearbeitung eines Elementarauftrags ohne Fehlerfall ... 52
Abb. 3.7: Ablauf bei Bearbeitung eines fehlerhaft gelieferten Elementarauftrags ... 53
Abb. 3.8: Ablauf bei Bearbeitung eines Elementarauftrags mit Fehler ... 55
Abb. 3.9: Ablauf bei Bearbeitung eines Elementarauftrags und plötzlich auf tretendem kritischen asynchronen Fehler (Ausnahmebehandlung) ... 57
Abb. 3.10: Steuerung der Elementarauftragsbearbeitung durch Ablauf steuerungsstati ... 61
Abb. 4.1: Client/Server-Modell ... 64

Tabellenverzeichnis
Tab. 2.1: Expertensystemklassen ... 15
Tab. 2.2: Vergleich der Diagnoseansätze ... 21
Tab. 4.1: Die für die Ablaufsteuerung wichtigen Slots des Objekts "globale_Daten" ... 66
Tab. 4.2: Übersichtstabelle aller Ablaufsteuerungsstati ... 73
Tab. 4.3: Reaktionen der Ablaufsteuerung auf vom RBS gelieferte Ablaufsteuerungsstati ... 74
Tab. A.1: Definierte Dienste ... 92
Tab. A.2: Angebotene Dienste der Ablaufsteuerung ... 93
Tab. A.3: Angebotene Dienste des regelbasierten Systems ... 94

1 Einleitung
1.1 Einführung
Die Marktsituation in der Produktionstechnik erzwingt wegen sinkender Produktzykluszeiten, zunehmender Variantenvielfalt, wachsender Produktkomplexität und Forderungen nach immer kürzer werdenden Lieferzeiten (" Just-in-time") den Einsatz flexibler, automatisierter Produktionseinrichtungen. Ziel der flexiblen Produktion ist eine wirtschaftliche Fertigung von Produkten hoher Qualität bei kleinen Losgrößen. Deshalb geht in der flexiblen Fertigungsautomatisierung der Trend weg von starr automatisierten Montageanlagen hin zu flexiblen Fertigungs- und Montagezellen. Dabei versteht man unter einer solchen Zelle eine zeitlich begrenzt autonom arbeitende, rechnergeführte Einheit bestehend aus einer Fertigungsmaschine, einem Handhabungsautomaten (Roboter), Werkstückspeicher und Meßeinrichtungen. Innerhalb der Zelle können auch mehrere Montage - und Handhabungs funktionen von einem Handhabungssystem ausgeführt werden, wenn der Transport dieses Systems und der Materialfluß in der Fertigungszelle automatisiert ist. Die informationstechnische Kopplung der einzelnen Bestandteile einer Zelle erfolgt über einen zentralen Leitrechner.

Der Schwerpunkt dieser automatisierungstechnischen Entwicklung ist zur Zeit die Einführung rechnerintegrierter, autonomer Produktionssysteme. Die Betonung liegt hierbei auf "autonom", da man durch eine Autonomie der Systeme eine möglichst hohe Verfügbarkeit der teuren Fertigungseinrichtungen erreichen will. Flexible Fertigungszellen stellen hochkomplexe Systeme dar und besitzen dadurch zwangsläufig eine große Fehleranfälligkeit, was häufig zu Totalausfällen führen kann. Um die Verfügbarkeit und dadurch die Produktivität dieser Einrichtungen zu erhöhen, werden zunehmend autonome Systeme eingesetzt, die zum Erreichen dieser Ziele
bestimmte Merkmale aufweisen. Als erstes ist die Fähigkeit zur zeitlich begrenzten Aufgabenausführung ohne menschliche Eingriffe zu nennen. Ein weiteres Merkmal ist die Aufgabenausführung in einer veränderlichen bzw. gestörten Umgebung, was durch selbständige Anpassung an die Umwelt erreicht wird. Schließlich ist noch die selbständige Auswertung aufgabenorientierter Zielvorgaben anzuführen. Der wichtigste Bestandteil eines innerhalb einer Fertigungszelle eingesetzten autonomen Transportsystems ist der Handhabungsautomat oder Roboter, da er für die Beschickung der Fertigungseinrichtungen und den Materialfluß zuständig ist. Fällt dieser mobile Roboter durch einen Fehler oder eine Ausnahmesituation aus, bedeutet dies den Ausfall der gesamten Zelle. Um dies zu vermeiden, wird eine Robotersteuerung benötigt, die selbständig, d.h. also autonom auf solche Ereignisse reagieren und den Weiterbetrieb des Roboters ermöglichen kann.

Deshalb spielt die Automatisierung des Informationsflusses eine zentrale Rolle beim Betrieb dieses autonomen Systems, um eine selbständige Auftragsbearbeitung ohne ständige Situationsanpassung durch Bedienereingaben zu ermöglichen. Die Fertigungs- und Montagedaten eines Auftrages müssen dabei interpretiert, transformiert, verarbeitet und weitergeleitet werden. Dazu ist häufig technisches und aufgabenspezifisches Fachwissen notwendig. Aus dieser Problematik ergeben sich diverse Aufgabenstellungen, die nicht ohne weiteres mit konventionellen algorithmischen Programmiermethoden gelöst werden können. Hier bietet sich der Einsatz von wissensbasierten Methoden wie z.B. die Verwendung von Expertensystemen an. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die Integration und der Einsatz eines regelbasierten Expertensystem in eine Roboter-Steuerungssoftware für einen autonomen, mobilen Roboter untersucht werden. Diese sich zur Zeit gerade in Entwicklung befindende Robotersteuerung koordiniert und kontrolliert den Ablauf der einzelnen Geräte und Maschinen, die in einer Fertigungszelle an einer Auftragsbearbeitung beteiligt sind.

1.2 Ausgangssituation
Um sich eine Vorstellung von den möglichen Aufgaben eines autonomen mobilen Roboters in einer flexiblen Fertigungs- und Montagezelle machen zu können, wird als Beispiel der spezielle Produktionsablauf am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), der den fertigungstechnischen Hintergrund für die Diplomarbeit bildet, kurz dargestellt. Die einzelnen Komponenten der flexiblen Fertigungszelle sind ein Bearbeitungszentrum (BAZ) zur Produktion zylindrischer Teile, eine Vermessungsstation zur Überprüfung der Maße der Teile, ein fahrerloses Transportsystem (FTS) und der autonome, mobile Roboter (MOBROB, Abb. 1.1). Dieser übernimmt die Beschickung der Fertigungs- und Meßeinrichtung und den Transpo rt der Teile zwischen den obengenannten Maschinen und einem weiteren autonomen Transportsystem, welches zur Versorgung der flexiblen Fertigungszelle mit Rohlingen dient. Zu diesem Zweck kann der Roboter auf das frei verfahrbare FTS gehoben werden und zu den einzelnen Stationen gefahren werden.

!! Abbildung fehlt in dieser Vorschau !!
Abb. 1.1: Der autonome, mobile Roboter des iwb (MOBROB) auf einem FTS Im Mittelpunkt der folgenden Betrachtungen steht der autonome mobile Roboter, der für die Handhabung der Teile zuständig ist. Zu seinen Aufgaben zählen das Erkennen, Greifen, Transportieren und Ablegen der zylindrischen Teile zwischen den jeweiligen Produktions- und Vermessungsschritten an verschiedenen Orten. Dazu besitzt der Roboter ein visuelles Sensorsystem, mit dem er veränderliche Umgebungssituationen und Positionierungsungenauigkeiten erfassen kann. Das Sensorsystem besteht aus einem Laserscannersystem zur Bestimmung der exakten Position des Roboters innerhalb der Fertigungszelle und einer CCD-Kamera in seiner Greifhand, die der genauen Positionsbestimmung zu greifender Teile dient. Für die Verarbeitung dieser Informationen und die Erfüllung der Handhabungsaufgaben benötigt man eine "intelligente" Robotersteuerung. Diese besitzt autonome Fähigkeiten zur eigenständigen Erfüllung aufgabenorientierter Zielvorgaben, zur Störungsbehandlung und zur Bewältigung von Ausnahmesituationen, zur planerischen Vorausschau und Entscheidungsabschätzung sowie zur Kommunikation und Kooperation mit anderen Systemen. Diese Steuerungssoftware für den autonomen mobilen Roboter, die den Namen PetRIS (Petri-Netz und Regelbasierte Intelligente Roboter-Steuerung) trägt, besteht im wesentlichen aus den fünf folgenden, miteinander kommunizierenden Modulen: Aufgabentransformation, Aufgabenplanung, Ausführungssteuerung, Komponentenverwaltung und Umgebungssimulation,
die jeweils als Spezialisten auf ihren Teilgebieten fungieren. Eine genauere Beschreibung dieser Module ist in Kapitel 2.4 zu finden. Den Ausgangspunkt für die Diplomarbeit bildet der bisherige Entwicklungsstand der Roboter-Steuerungssoftware, von der die Aufgabentransformation, Aufgabenplanung,
Komponentenverwaltung und Simulation bereits implementiert sind und gerade getestet werden. Von der Ausführungssteuerung ist nur der Netzinterpreter schon komplett funktionsfähig, das regelbasierte System wird noch simuliert. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten erfolgt über Kommunikationsroutinen, die auf dem Client/Server-Modell basieren und Bestandteil jeder Komponente sind.

[...]