ROS 2 in a Smart Factory

ROS 2 in der Smart Factory

A smart factory is being built at the OTH-AW in which a drone will be manufactured. Therefore material has to be transported to a collaborative robot using an AGV. A TurtleBot 4 and a Franka Research 3 will be provided for the implementation. The robot systems will be controlled using the Robot Operating System 2.

In der OTH-AW wird eine Smart Factory aufgebaut in der eine Drohne gefertigt wird. Hierfür soll das Material mithilfe eines AGVs an einen kollaborativen Roboter transportiert werden. Für die Umsetzung wird ein TurtleBot 4 und ein Franka Research 3 bereitgestellt. Die Steuerung der Robotersysteme soll mithilfe des Robot Operating System 2 umgesetzt werden.

In the project, the Navigation2 software stack was used for autonomous navigation in combination with the SLAM algorithm slam_toolbox. MoveIt2 was used in conjunction with ros2_control for the manipulation task. Communication with the robots required the setup of an independent production network in the smart factory. NVIDIA Isaac Sim was selected as the simulator to implement the simulation. The factory was recreated in detail using Blender. The developed scenario was both simulated and tested in the real environment. Programming was primarily done in Python and C++.

In dem Projekt wurde zur autonomen Navigation der Software-Stack Navigation2 in Kombination mit dem SLAM-Algorithmus slam_toolbox verwendet. Für die Manipulationsaufgabe wurde MoveIt2 in Verbindung mit ros2_control eingesetzt. Die Kommunikation mit den Robotern erforderte den Aufbau eines eigenständigen Produktionsnetzwerk in der Smart Factory. Um die Simulation umzusetzen wurde NVIDIA Isaac Sim als Simulator ausgewählt. Die Fabrik wurde dafür mithilfe von Blender detailliert nachgebildet. Das entwickelte Szenario wurde sowohl simuliert als auch in der realen Umgebung getestet. Die Programmierung erfolgte primär in Python und C++.

ROS 2 in a Smart Factory

ROS 2 in der Smart Factory

In a smart factory, data must be collected efficiently and made available reliably to other systems. To made this possible a REST API is used to implement communication with external systems. In the Project the FastAPI framework was used for this, which allows an HTTP endpoint to be created with minimal effort. Tests have shown that this enables efficient communication. The data can thus also be made available to ERP systems such as SAP.

In einer Smart Factory ist es erforderlich, dass Daten effizient erfasst und für andere Systeme zuverlässig bereitgestellt werden. Um die Kommunikation mit externen Systemen umzusetzen wird eine REST-API verwendet. Hierzu wurde das Framework FastAPI eingesetzt, wodurch sich mit geringem Aufwand ein HTTP-Endpunkt erstellen lässt. In den Versuchen zeigte sich, dass dadurch eine effiziente Kommunikation möglich ist. Die Daten können somit auch ERP-Systemen wie z.B. SAP bereitgestellt werden.

To extend the scenario, an Intel RealSense camera was integrated into the simulation. This made it possible to automatically capture the position of the objects. For object recognition, the OpenCV library was used.

Um das Szenario zu erweitern wurde eine Intel RealSense Kamera in die Simulation eingebunden. Dadurch konnte die Position der Objekte automatisch erfasst werden. Für die Objekterkennung wurde die Bibliothek OpenCV verwendet.

ROS 2 in a Smart Factory

ROS 2 in der Smart Factory

The project made it possible to evaluate the use of the Robot Operating System 2 in a smart factory through a Use Case. In summary, ROS 2 is suitable for use in a smart factory.

Durch das Projekt war es möglich das Robot Operating System 2 anhand eines praktischen Anwendungsbeispiels in der Smart Factory zu testen. Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich ROS 2 für den Einsatz in einer Smart Factory eignet.

The real-time requirements could be met in the control of the Franka Research 3. Standardization helps to significantly reduce implementation time. The integration of new components can be easily realized through the communication structure of the Robot Operating System 2. The results also show that efficient communication with external systems is possible. Thus, the fundamental requirements for use in an intelligent production environment are fulfilled.

Die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit konnten bei der Steuerung des Franka Research 3 erfüllt werden. Die Standardisierung trägt dazu bei, die Implementierungszeit deutlich zu reduzieren. Die Integration neuer Komponenten ist durch die Kommunikationsstruktur des Robot Operating System 2 einfach umsetzbar. Dabei zeigen die Ergebnisse, dass auch eine effiziente Kommunikation mit externen Systemen möglich ist. Somit werden die grundlegenden Anforderungen für die Nutzung in einer intelligenten Produktionsumgebung erfüllt.

The project demonstrates that ROS 2 can be effectively used in a smart factory. Due to its modular architecture, open source, and a constantly growing community, it offers great potential for future developments. For future work, it is recommended to test the system under various conditions in a real production environment. In the future, ROS 2 could not only communicate within its own ecosystem, but also be used in conjunction with a Manufacturing Execution System (MES) in a smart factory. Due to its diverse possibilities, further research into ROS 2 in the field of industrial automation is desirable.

Das Projekt verdeutlicht somit, dass ROS 2 in einer Smart Factory sinnvoll eingesetzt werden kann. Dabei bietet es aufgrund der modularen Architektur, Open-Source und einer stetig wachsenden Community ein hohes Potential für zukünftige Entwicklungen. Für die weitere Arbeit empfiehlt es sich, das System unter verschiedenen Rahmenbedingungen im realen Produktionsumfeld weiter zu erproben. In Zukunft könnte ROS 2 somit nicht nur innerhalb des eigenen Ökosystems kommunizieren, sondern auch in Verbindung mit einem Manufacturing Execution System (MES) in einer Smart Factory zum Einsatz kommen. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten ist eine weitere Erforschung von ROS 2 im Bereich der industriellen Automatisierung wünschenswert.