MasterarbeitLaTeX/tex/1_Einleitung.tex

\chapter{Einleitung}
\section{Motivation}
Die Simulation von Maschinen wird im industriellen Umfeld immer beliebter, um deren Verhalten schon vor der eigentlichen Produktion zu testen.
Dazu wird ein Modell des gesamten Prozesses in der Simulation geschaffen, der durch die Maschine beeinflusst werden soll.
Das Modell wird um die Maschine selbst erweitert, die Einfluss auf das 
System nimmt.
Die Veränderungen durch die Maschine werden analysiert, und erlauben 
Rückschlüsse auf die Funktion des Systems.
Ein solches Modell kann nun für die Erkennung von Fehlverhalten und Problemen schon weit vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Maschine genutzt werden.


Im wachsenden Feld der Mensch-Roboter-Kollaboration existieren bereits einige Lösungen, um auch die namensgebende Interaktion von Mensch und Roboter simulieren zu können.
Eine häufige Einschränkung der Simulatoren ist dabei, dass der Bewegungsablauf in der Simulation bereits vor deren Ausführung fest definiert werden muss.
Dies erlaubt lediglich die Reproduktion des genauen Bewegungsablaufes, aber 
nicht verschiedene Variationen im gesamten Prozess, die durch die Ereignisse in 
der Simulation ausgelöst werden.
Um eine solche Funktionalität bereitstellen zu können, muss der Bewegungsablauf von sowohl Roboter und Mensch zur Laufzeit der Simulation gesteuert werden.

Diese Steuerung soll durch eine eingängliche Beschreibungssprache ermöglicht 
werden, die einfach erweitert und auf neue Szenarien angepasst werden kann.
Um diese Funktionalität zu demonstrieren, sind 3 unterschiedliche 
Testszenarien in der Simulationsumgebung abzubilden.
Diese sollen durch verschiedene Aufgaben unterschiedliche Interaktionsgrade zwischen Mensch und Roboter simulieren.

\section{Stand der Wissenschaft}
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten befassen sich mit vielen unterschiedlichen 
Teilaspekten einer Simulation eines Mensch-Roboter-Kollaborationsszenarios.

Die Planung von unterschiedlichen Reaktionen von Roboter auf den Menschen 
in verschiedenen Interaktionsszenarien stellt eine Grundlage für spätere 
Projekte dar.\cite{DOMBROWSKI2018134}
Hierbei wird die erwünschte Interaktion betrachtet und aus den gewonnenen Daten werden Einschränkungen generiert.
Diese Einschränkungen können nun in der Interaktion verwendet werden, um Verletzungen durch den Roboter auszuschließen.

Ein anderer Weg der Kollisionsvermeidung ist die Planung der maximal zurücklegbaren Distanz eines Menschen aus seiner aktuellen Position.\cite{ffdrobotsim}
Dafür werden die maximalen Beschleunigungen einzelner Körperteile ermittelt, um diese während der Interaktion überwachen zu können.
Sollte ein Mensch den Roboter erreichen können, muss dieser in der dafür benötigten Zeit stoppen können.
Dies sorgt für eine Geschwindigkeitsanpassung im Nahfeld, da hier schnellere Bewegungen möglich sind.

Es existieren auch zahlreiche Wege, die Bewegungs- und Interaktionsplanung eines Roboters mit Beschreibungssprachen abzudecken.\cite{btintro}
Dabei kommt es auf die Umsetzung in der Beschreibungssprache, aber auch auf Anforderungen an das System an, um zum Beispiel das Abbrechen von Aktionen zu ermöglichen.

In Computerspielen werden Beschreibungssprachen schon seit langer Zeit eingesetzt, um verschiedene Systeme, wie zum Beispiel die Steuerung von Nichtspielercharakteren, zu beschreiben.\cite{halo2}

Eine vollständige Umsetzung einer erweiterbaren Simulation mit Mensch und Roboter, gesteuert durch eine Beschreibungssprache konnte nicht gefunden werden.

\section{Auswahl der Szenarien}
Die drei zu modellierenden Szenarien sollten so gewählt werden, dass in vorherigen Szenarien genutzte Bestandteile in späteren, komplexeren Szenarien weiter genutzt werden können.
Hierfür kommen bestimmte Aufgaben, wie zum Beispiel die Interaktion mit Objekten besonders in Frage.
Diese besitzen viele ähnliche Bestandteile, die jedoch in mehrere Umständen nutzbar sind.
Das erlaubt den Einsatz von wenigen Animationen in vielen Szenarien.
Dazu zählen zum Beispiel das Hineingreifen in einen Prozess, das Aufheben von Material oder das Begutachten eines Objekts, die alle nur eine ähnliche Bewegungsabfolge des beteiligten Menschen sind.

Das erste Szenario soll sich mit der Simulation einer bereits vollautomatisierten Fertigungsaufgabe befassen, in der ein Roboter im Arbeitsbereich eines Menschen Teile fertigt.
Die zu erwartende Interaktion beschränkt sich hierbei auf die Anpassung der Fahrgeschwindigkeit bei Annäherung des Menschen, um Kollisionen zu vermeiden.
Der Mensch soll in diesem Szenario an einer anderen Aufgabe arbeiten.
Während dieser Arbeit betritt der Mensch vereinzelt den Arbeitsbereich des 
Roboters, was eine entsprechende Reaktion hervorrufen soll.

Dieses Szenario ist ein Beispiel für eine Koexistenz zwischen Roboter und Mensch, wo beide an unterschiedlichen Aufgaben, jedoch im selben Raum, arbeiten.
Außerdem werden grundlegende Aspekte der Simulation getestet, wie zum Beispiel das Bewegen von Mensch und Roboter und die sicherheitsrelevante Aktion der Geschwindigkeitsanpassung.

Im zweiten Szenario prüft und sortiert der Roboter Teile und legt die 
fehlerfreien Exemplare auf einem Fließband zur Weiterverarbeitung ab.
Die Mängelexemplare werden hingegen in einer besonderen Zone abgelegt, von wo sie vom Menschen abtransportiert werden.
Auch hier soll der Mensch solange eigenständig arbeiten, bis der Roboter ein aussortiertes Teil ablegt, dass weiter transportiert werden muss.

Die dritte simulierte Aufgabe stellt ein Kollaborationsszenario dar, in dem Mensch und Roboter an der selben Aufgabe arbeiten.
Hierbei soll eine Palette entladen werden, wobei der Roboter nicht jedes Objekt ausreichend manipulieren kann.
Dies resultiert in Problemen beim Aufheben, Transport und Ablegen der Objekte.
In diesen Fällen muss nun ein Mensch aushelfen, wodurch er mit dem Roboter in Interaktion tritt.
Dieser soll, wenn seine Hilfe nicht benötigt wird, andere Roboter kontrollieren, was durch das Laufen im Raum abgebildet werden soll.
\section{Contributions}
Durch diese Arbeit soll in zukünftigen Projekten die Möglichkeit geschaffen werden, konzeptionelle Probleme bei der Erstellung neuer Aufgabenbereiche eines Roboters frühzeitig durch Simulation erkennbar zu machen.

Dazu ist eine schnelle Konfiguration von sowohl Roboter als auch Mensch auf 
unterschiedliche Szenarien nötig.
Die Szenarien sollen dabei durch eine Beschreibungssprache definiert 
werden.
Durch deren einfache Struktur soll komplexes Verhalten einfach und überschaubar definierbar sein, dass dann in der Simulation getestet werden kann.