Fortschrittliche Softwareentwicklung für Robotik

Roboter werden immer mehr Teil unseres Alltags und helfen bei Aufgaben wie der Instandhaltung von Häusern, der Inspektion von Gebäuden, dem Management von Lagern und dem autonomen Fahren. Dieser Fortschritt ist beeindruckend und verändert viele Aspekte der Gesellschaft.

Allerdings hat die Software, die zur Erstellung dieser Roboter verwendet wird, mit der schnellen Entwicklung nicht Schritt gehalten. Viele bestehende Methoden und Werkzeuge zur Erstellung von Roboter-Software haben sich seit Jahrzehnten nicht verändert. Das macht es schwer, die einzigartigen Herausforderungen, die mit Robotik verbunden sind, anzugehen, wie zum Beispiel den Umgang mit unterschiedlichen Umgebungen, Hardware und der Art, wie Roboter lernen. Der Bedarf an Software, die fortschrittliche und zuverlässige Roboter unterstützen kann, hat zu einem Workshop über Software Engineering für Robotik geführt, der im Oktober 2023 in Detroit, Michigan, stattfand. Ziel dieses Workshops war es, Fachleute aus der Robotik und Softwaretechnik zusammenzubringen, um wichtige Herausforderungen zu identifizieren und einen Plan für die Forschung in diesem Bereich in den nächsten fünf Jahren zu entwickeln.

#Workshop-Ziele

Der Workshop hatte folgende Ziele:

1. Konkrete Probleme im Bereich Software Engineering für Robotik zu identifizieren, die Lösungen benötigen.
2. Zu besprechen, wie zukünftige Software-Ingenieure auf die Arbeit in der Robotik vorbereitet werden können.
3. Entwurfssprachen für die komplexe Software, die für die Robotik benötigt wird, zu entwickeln.
4. Prozesse zu schaffen, um die Interaktion zwischen Mensch und Roboter zu verbessern.
5. Evidenzbasierte Methoden zu etablieren, um die Sicherheit und Effektivität von Roboter-Software zu gewährleisten.
6. Bessere Werkzeuge zu entwickeln, um Ressourcen zu verwalten und komplexe Robotersysteme zu handhaben.
7. Methoden zur Qualitätssicherung für Robotik zu entwickeln, die die einzigartigen Herausforderungen des Bereichs berücksichtigen.

#Herausforderungen in der Entwicklung von Roboter-Software

Roboter stehen vor mehreren Herausforderungen, die für ihren Betrieb einzigartig sind:

#1. Einsatz in physischen Umgebungen

Roboter müssen in realen Umgebungen funktionieren, die unvorhersehbar sein können. Veränderungen in der Umgebung, Daten von Sensoren und die Leistung von Roboterteilen können Probleme verursachen, die das traditionelle Softwaredesign schwer bewältigen kann. Die grosse Vielfalt an Umgebungen macht es herausfordernd, Software zu erstellen, die das Verhalten von Robotern genau modelliert und vorhersagt.

#2. Menschliche Interaktion

Roboter werden zunehmend so gestaltet, dass sie an der Seite von Menschen arbeiten, was erfordert, dass sie menschliches Verhalten verstehen und angemessen reagieren. Roboter müssen zuverlässig und verständlich handeln und in der Lage sein, vorherzusagen, wie Menschen in verschiedenen Situationen reagieren. Wenn Roboter diese Erwartungen nicht erfüllen können, sind die Menschen weniger geneigt, sie zu akzeptieren.

#3. Kluft zwischen Simulation und Realität

Simulatoren werden genutzt, um Roboter in virtuellen Umgebungen zu testen, bevor sie in der realen Welt eingesetzt werden. Diese Simulationen repräsentieren jedoch oft nicht genau die Realität, was zu unerwarteten Problemen führt, wenn Roboter in der realen Welt arbeiten. Die Unterschiede zwischen simulierten und realen Umgebungen können den Entwicklungsprozess komplizieren.

#4. Schichtete und heterogene Systeme

Roboter bestehen aus verschiedenen Software- und Hardwarekomponenten, die zusammenarbeiten. Diese Komplexität kann zu Integrationsproblemen führen, bei denen Teile nicht wie erwartet interagieren. Verschiedene Systeme innerhalb des Roboters können sich unvorhersehbar verhalten, was den Gesamtbetrieb kompliziert.

#5. Integration von maschinellem Lernen

Maschinelles Lernen hat die Fähigkeiten von Robotern verbessert, insbesondere in der Wahrnehmung und Entscheidungsfindung. Die Integration von maschinellem Lernen in die Robotik bringt jedoch Herausforderungen mit sich, insbesondere wenn es darum geht, sicherzustellen, dass erlernte Verhaltensweisen in dynamischen, realen Situationen zuverlässig und sicher sind.

#6. Skalierbarkeitsprobleme

Während Roboter immer fortschrittlicher werden, muss sich auch die Software, mit der sie betrieben werden, weiterentwickeln. Aktuelle Methoden skalieren oft nicht gut, wenn sie auf mehrere Roboter oder komplexe Systeme angewendet werden. Neue Strategien sind notwendig, um diese erhöhten Anforderungen effektiv zu bewältigen.

#7. Vielfältige Entwicklungsumgebungen

Der Bereich der Robotik ist vielfältig, mit verschiedenen Praktiken, Werkzeugen und Vorschriften. Diese Uneinheitlichkeit kann zu Komplikationen beim Wissensaustausch und den besten Praktiken unter Entwicklern führen. Die Robotik-Ausbildung ist ebenfalls inkonsistent, was zu Lücken in den Fähigkeiten bei neuen Einsteigern in das Feld führt.

#Forschungsrichtungen zur Bewältigung von Herausforderungen

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurden mehrere Schlüssel-Forschungsrichtungen vorgeschlagen:

#1. Moderne Middleware und Bibliotheken

Durch die Erstellung fortschrittlicher Middleware und Bibliotheken können Entwickler die Integration verschiedener Teile eines Roboters vereinfachen. Diese Werkzeuge helfen, die Kommunikation zwischen den Komponenten zu verwalten und sicherzustellen, dass die Systeme reibungslos zusammenarbeiten. Eine effektive Middleware sollte die Komplexität moderner Roboter bewältigen können, einschliesslich der Verwaltung verschiedener Ressourcen und Komponenten.

#2. Vollständige architektonische Entwurfssprachen

Die Entwicklung von Entwurfssprachen, die mehrere Aspekte von Robotersystemen abdecken, kann Entwicklern helfen, ihre Arbeiten besser zu integrieren. Diese Sprachen sollten die Kommunikation zwischen Experten aus verschiedenen Bereichen ermöglichen, Diskussionen erleichtern und Integrationsprobleme reduzieren.

#3. Prozesse und Modelle für die Interaktion zwischen Mensch und Roboter

Durch die Schaffung standardisierter Prozesse für die Mensch-Roboter-Interaktion kann sichergestellt werden, dass Roboter menschliches Verhalten effektiv verstehen und vorhersagen können. Dies beinhaltet die Entwicklung von Modellen, die menschliche Handlungen und Intentionen berücksichtigen und es Robotern ermöglichen, sicher und effektiv in mit Menschen geteilten Umgebungen zu arbeiten.

#4. Qualitätssicherung für Robotik

Die Softwareentwicklung in der Robotik benötigt spezifische Methoden zur Qualitätssicherung. Traditionelle Testansätze berücksichtigen möglicherweise nicht angemessen die unvorhersehbare Natur der realen Welt. Es sollten neue Techniken entwickelt werden, um sicherzustellen, dass robotische Systeme unter verschiedenen Bedingungen sicher und korrekt arbeiten.

#5. Evidenzbasierte Robotik-Entwicklung

Ein evidenzbasiertes Framework hilft Entwicklern, ihre Arbeit mit bewährten Praktiken und Standards in Einklang zu bringen. Durch den Wissensaustausch aus vergangenen Projekten können Teams die Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Softwareentwicklung für Robotik verbessern. Dieses Framework sollte Zugang zu Ressourcen und Vorlagen bieten, die helfen, beste Praktiken zu etablieren.

#6. Bildungsansätze für zukünftige Entwickler

Um neue Ingenieure auf das sich entwickelnde Feld der Robotik vorzubereiten, müssen Bildungsprogramme eine solide Grundlage in sowohl Softwareengineering als auch Robotikprinzipien beinhalten. Dazu gehört die Anerkennung der einzigartigen Aspekte der Robotik, die die Softwareentwicklung beeinflussen. Die Schaffung standardisierter Lehrpläne wird helfen, sicherzustellen, dass alle Absolventen über die notwendigen Fähigkeiten verfügen.

#7. Massive Simulationsökosysteme

Die Entwicklung von vernetzten Simulationsumgebungen wird es Forschern und Entwicklern ermöglichen, effektiver zusammenzuarbeiten und Ressourcen zu teilen. Durch die Integration verschiedener Simulatoren können sie reichhaltigere Testumgebungen schaffen, die die realen Bedingungen genauer widerspiegeln und letztendlich zu zuverlässigeren Robotern führen.

#Fazit

Die Ergebnisse des Workshops heben den dringenden Bedarf an Fortschritten im Software Engineering für Robotik hervor. Durch die Bewältigung der einzigartigen Herausforderungen, die die Robotik mit sich bringt, können Forscher und Entwickler die Leistung, Sicherheit und Effizienz von Robotern verbessern. Die vorgeschlagenen Forschungsrichtungen bieten eine Roadmap für die Zukunft und schaffen einen Weg zu besseren Werkzeugen, Praktiken und Bildungsansätzen in diesem Bereich.

Roboter werden eine zunehmend wichtige Rolle in der Gesellschaft spielen, und die erfolgreiche Integration erfordert gezielte Anstrengungen in der Softwareentwicklung und -technik. Durch Investitionen in diese Bereiche können wir Fortschritte in Richtung leistungsfähigerer und zuverlässigerer robotischer Systeme machen, die in einer Vielzahl von Anwendungen dienen können.

#Überblick über die Workshop-Agenda

Der Workshop war über zwei Tage strukturiert und beinhaltete verschiedene Aktivitäten, um die Zusammenarbeit und die Ideenfindung unter den Teilnehmern zu fördern.

#Tag 1: Ideenfindung und Priorisierung

Der erste Tag konzentrierte sich auf die Generierung von Ideen und die Priorisierung der wichtigsten Herausforderungen. Die Teilnehmer wurden in Gruppen aufgeteilt, um Ideen zu brainstormen und auszutauschen. Jede Gruppe hat dann ihre Ideen nach Themen gruppiert und für die vielversprechendsten Ansätze abgestimmt.

#Tag 2: Synthese und Berichterstattung von Ideen

Am zweiten Tag präsentierten die Gruppen ihre besten Ideen im Workshop und erhielten Feedback, um ihre Konzepte zu verfeinern. Die Teilnehmer arbeiteten zusammen, um schriftliche Berichte zu erstellen, die ihre Ideen zusammenfassen und die wichtigsten Details umreissen.

Dieser strukturierte Ansatz half den Teilnehmern, sich mit den Ideen anderer auseinanderzusetzen und umsetzbare Pläne zur Bewältigung der identifizierten Herausforderungen im Software Engineering für Robotik zu entwickeln.

Der Workshop endete mit einem starken Gefühl der Zusammenarbeit und Begeisterung für das Potenzial des Software Engineering in der Robotik. Die gewonnenen Erkenntnisse und Ideen werden dazu beitragen, Forschung und Praktiken in diesem sich schnell entwickelnden Bereich zu gestalten.