MasterarbeitLaTeX/tex/2_Konzept.tex

\chapter{Konzept}
Die zu entwickelnde Simulation soll die bisher meißt separaten Zweige der Roboter- und Menschensimulation verbinden.
Um die beiden Akteure in der simulierten Umgebung zu steuern, werden Befehle von außerhalb der Simulation eingesetzt.
Diese Befehle werden dabei von externer Software unter der Verwendung einer Beschreibungssprache und Feedback aus der Simulation generiert.

Hierfür wird die Beschreibungssprache in der Dienstumgebung ausgefürht, welche auch die Bewegungsplanung bereitstellt.
Die Beschreibungssprache kommunitziert direkt mit dem simulierten Menschen in der Simulation und der Bewegungsplanung.
Damit der Roboter in der Simulation von der Bewegungsplanung gesteuert werden kann, werden zwischen diesen auch Nachrichten ausgetauscht.
Der gesamte Vorgang ist dabei in Abbildung \ref{concept_overview} visualisiert.

Die zu erarbeitende Softwareumgebung soll einfach erweiterbar sein, um weitere Modifikationen und die Umsetzung anderer Projekte zuzulassen.
Hierzu zählt die Austauschbarkeit und Erweiterbarkeit von Komponenten wie der simulierten Welt, dem Roboter oder dem simulierten Mensch.
Um diese Möglichkeiten zu schaffen, sind die Systeme modular aufzubauen.

\begin{figure}
\includegraphics{img/MA-Konzept-Übersicht.drawio.pdf}
\centering
\caption{Visualisierung des Konzepts}
\label{concept_overview}
\end{figure}

\section{Simulation des Roboters}
Der simulierte Roboter soll für viele unterschiedliche Szenarien nutzbar sein, was spezialisierte Robotertypen ausschließt.
Außerdem ist die enge Interaktion mit Menschen interessant, was einen für Mensch-Roboter-Kollaboration ausgelegten Roboter spricht.
Für diese beschriebenen Kriterien eignet sich der KUKA LBR iisy, welcher als Cobot vermarktet wird.
Cobot ist dabei ein Portemanteau aus Collaborative und Robot, was die besondere Eignung für Mensch-Roboter-Kollaboration noch einmal unterstreicht.
Er besitzt auch einen modifizierbaren Endeffektor, um unterschiedlichste Aufgaben erfüllen zu können.

Um den Kuka iisy in der Simulation verwenden zu können, muss ein Modell des Roboterarms erstellt werden.
Dieses Modell sollte die physikalischen Eigenschaften des Roboters möglichst gut abbilden.
Anhand dieses Modells kann der Roboter dann in der Simulation dargestellt werden und mit anderen Objekten interagieren.

\section{Simulation des Menschen}
Der Mensch soll in der Simulation typische Aufgaben erledigen und häufiges Verhalten abbilden können.
Hierzu sollen in der Simulationsumgebung mehrere Animationen verwendet werden, welche die aktuelle Tätigkeit darstellen.
Für komplexere Verhaltensweisen können Animationen und andere Aktionen, wie zum Beispiel eine Bewegung und Rotation kombiniert werden, um zum Beispiel die Aktion ``Laufen in eine bestimmte Richtung'' auszuführen.

Um diese Animationen erstellen zu können, wird zuerst ein animierbares Modell benötigt.
Dieses Modell soll dabei die Möglichkeit bieten, um weitere Animationen erweitert werden zu können.
Es werden mehrere Animationen und Übergänge zwischen diesen benötigt, um bestimmte Bewegungen darstellen zu können.

Die so erstellten Animationen müssen nun von außerhalb der Simulationsumgebung ausführbar gemacht werden, um diese später mite einer Beschreibungssprache steuern zu können.
Hierfür muss eine Komponente entwickelt werden, welche in der Simulation die Anfragen der Beschreibungssprache entgegennimmt und umsetzt.
Um die spätere Steuerung des Menschen von außerhalb zu erleichtern, müssen diese Anfragen im Fortschritt überwacht und abgebrochen werden können.

\section{Behavior Trees als Beschreibungssprache}
Häufig wird das Verhalten von Akteuren in einer Simulationsumgebung mit State-Machines ausgedrückt, welche jedoch einige Nachteile besitzen.
State-Machines werden ab einer gewissen Größe schnell unübersichtlich.
Dies erschwert die schnelle Erfassung von Abfolgen und Zustandsübergängen bei Änderungen am Code, welche jedoch essentiell für den Betrieb einer Maschine sind.
Um diese Probleme zu adressieren, wurde das Konzept der Behavior Trees entwickelt.

Ein Behavior Tree ist eine Struktur, um Verhalten als ein Baum zu beschreiben.
Der Ablauf startet vom sogenannten Root, der Wurzel des Baums.
Von dort an werden sogenannte Nodes, welche je nach Node unterschiedliches Verhalten abbilden, miteinander verbunden.
Die Nodes werden untereinander angeordnet, welches die Relation der Nodes zueinander beschreibt.
Jede Node hat dabei entweder die Root-Node oder eine andere Node über sich im Baum und eine beliebige Anzahl an Nodes unter sich.
Hierbei gibt es mehrere grundlegende Arten von Tree-Nodes.
\begin{description}
 \item[Aktions-Nodes]
  beschreiben einzelne ausführbare Aktionen, die das System beeinflussen können.
 \item[Dekorations-Nodes]
  können den Rückgabewert einer anderen Node modifizieren.
  Häufig existieren hier Negation, garantierter Erfolg und garantierter Fehler.
 \item[Sequenz-Nodes]
  beschreiben eine nacheinander ausgeführte Abfolge von anderen Nodes, welche mit spezifischen Randbedingungen weiter fortschreitet.
 \item[Fallback-Nodes]
  werden verwendet, um Verhalten zu definieren, welches nur bei Fehlern in vorherigen Nodes ausgeführt wird.
\end{description}

\begin{figure}[]
\includegraphics[]{img/tree_demo}
\centering
\caption{Beispiel eines BehaviorTrees}
\label{concept_tree_demo}
\end{figure}

Das in Abbildung \ref{concept_tree_demo} visualisierte Beispiel zeigt die Abfolge, um eine Tür zu öffnen und zu durchschreiten.
Die Ausführung des Baumes beginnt an der Root-Node.
Von dort an wird als erstes die Sequenz-Node ausgeführt, welche 3 untergeordnete Nodes besitzt.

Die linke untergeordnete Node wird als erstes ausgeführt, ist jedoch eine weitere Fallback-Node mit weiteren untergeordneten Nodes.
Diese werden auch von links nach rechts ausgeführt, bis die erste Node ein positives Ergebnis zurück gibt.
In diesem Fall wird geprüft, ob die Tür bereits offen ist.
Da dies nicht der Fall ist, wird die nächste Node ausgeführt, welche die Tür öffnen soll.
Dieser Versuch gelingt, weshalb die Ausführung der Fallback-Node beendet wird.

Dadurch wird die nächste Node in der Sequenz ausgeführt, welche prüft, ob die Tür durchlaufen werden kann.
Da dies nicht möglich ist, wird ein Misserfolg gemeldet, welcher die Ausführung der Sequenz abbricht.
Diese würde nun von neuem beginnen, da die Root-Node ihre untergeornete Node immer neu startet.

Durch die Definition neuer Nodes und einer anderen Baumstruktur lassen sich so einfach neue Verhalten implementieren.
Dies erlaubt die schnelle Anpassung des Verhaltens der gesteuerten Systeme.

In dieser Arbeit sollen deshalb BehaviorTrees für die Steuerung von Mensch und Roboter verwendet werden.
Die hierfür erstellten Nodes sollen universell gestaltet werden, um alle Szenarien, welche in dieser Arbeit bearbeitet werden, abzudecken.

\section{Virtualisierungsumgebung als Platform}
Aufgrund von vorheriger Erfahrung mit involvierten Einrichtungsprozessen, ist der Einsatz fest definierter Umgebungen unerlässlich.
Dies kann durch den Einsatz einer Virtualisierungsumgebung geschehen, in welcher das zu entwerfende System ausgeführt wird.

Durch diesen Zwischenschritt können benötigte Programme, Pfade und Umgebungsvariablen in der Virtualisierungsumgebung hinterlegt werden, welche diese bei der Ausführung auf einem anderen Grundsystem korrekt abbilden kann.
Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Umgebung, da alle Änderungen an der Umgebung auf alle ausführenden Systeme gespiegelt werden können.