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 für die Erkennung von Fehlverhalten und Problemen schon weit vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Maschine genutzt werden.

Da in der Realität oftmals Menschen und Maschinen im gleichen Umfeld mit- oder auch zusammenarbeiten, ist es sinnvoll, die Menschen in die Simulation einzubeziehen.

Im wachsenden Feld der Mensch-Roboter-Kollaboration existieren bereits einige Lösungen, um auch die namensgebende Interaktion von Mensch und Roboter zu simulieren.
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 geplanten Bewegungsablaufes, aber nicht dessen Variation im Prozess, ausgelöst durch Ereignisse in der Simulation.
Um eine solche Funktionalität bereitzustellen, müssen die Bewegungsabläufe sowohl von Roboter als auch Mensch zur Laufzeit der Simulation gesteuert werden können.

Diese Steuerung soll durch eine eingängliche Beschreibungssprache erfolgen, die einfach erweitert und auf neue Szenarien angepasst werden kann.
Um die 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 der 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 in der Interaktion verwendet werden, um zum Beispiel Verletzungen des Menschen 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 zu überwachen.
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 Ansätze, 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 bei der Recherche zu dieser Arbeit jedoch nicht gefunden werden.

\section{Auswahl der Szenarien}
Die drei zu modellierenden Szenarien sollten so gewählt werden, dass spätere komplexere Szenarien auf einfacheren Vorgängern aufsetzen und deren Funktionen weiter nutzen und ergänzen.
Hierfür kommen bestimmte Aufgaben, wie zum Beispiel die Interaktion mit Objekten besonders in Frage.
Diese besitzen viele ähnliche Bestandteile, die in mehreren 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, welche jeweils 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 des Roboters 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 die entsprechende Reaktion des Roboters hervorrufen soll.

Dieses Szenario ist ein Beispiel für eine Koexistenz zwischen Roboter und Mensch, wo beide im selben Raum, jedoch an unterschiedlichen Aufgaben 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 dafür vorgesehenen Zone abgelegt, von wo sie vom Menschen abtransportiert werden.
Auch hier soll der Mensch solange eigenständig arbeiten, bis der Roboter ein aussortiertes Teil ablegt, das transportiert werden muss.

Die dritte simulierte Aufgabe stellt ein Kollaborationsszenario dar, in dem Mensch und Roboter an der selben Aufgabe arbeiten.
Hierbei soll der Roboter eine Palette entladen, wobei er nicht jedes Objekt ausreichend manipulieren kann.
Dies wird durch zufällige Fehler beim Aufheben, Transport und Ablegen der Objekte abgebildet.
In diesen Fällen muss ein Mensch aushelfen, wodurch er mit dem Roboter in Interaktion tritt.
Der Mensch 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 Adaption von sowohl Roboter als auch Mensch auf unterschiedliche Szenarien nötig.
Die Szenarien sollen dabei durch eine Beschreibungssprache definiert werden.
Durch deren Struktur soll komplexes Verhalten einfach und überschaubar abbildbar sein, dass dann in der Simulation getestet werden kann.