Roboter als Service

Begriff und Bedeutung

Roboter als Service oder Robotik als Service (RaaS, englisch „Robots as a service“) bezeichnet einerseits eine Cloud-Computing-Einheit, die Roboter und eingebettete Geräte mit dem Internet und dem Cloud Computing verbindet. Andererseits wird der Ausdruck häufiger für ein Geschäftsmodell verwendet, bei dem Unternehmen physische Industrie- oder Serviceroboter im Abonnement nutzen.

Technisch folgt RaaS einer serviceorientierten Architektur (SOA). Dabei werden Funktionen als klar zugängliche Dienste bereitgestellt. Eine RaaS-Einheit enthält Dienste zur Ausführung von Funktionen, ein Dienstverzeichnis zum Veröffentlichen und Auffinden dieser Dienste sowie Dienst-Clients beziehungsweise Anwendungen für den direkten Zugriff. Die Kommunikation mit anderen Cloud-Einheiten erfolgt unter anderem über SOAP („Simple Object Access Protocol“) und RESTful-Schnittstellen („Representational State Transfer“).

RaaS kann dem Internet of Things (IoT) und dem Internet of Intelligent Things (IoIT) zugeordnet werden. Es steht außerdem in Beziehung zu Cyber-physischen Systemen (CPS), die Rechen- und Kommunikationstechnik mit Elementen verbinden, die auf die physische Welt einwirken, sowie zu autonomen dezentralen Systemen (ADS). Bei ADS sind die Komponenten lose gekoppelt und können Daten über ein inhaltsorientiertes Protokoll austauschen.

RaaS als Geschäftsmodell

Bei einem RaaS-Kaufvertrag bezahlt der Kunde die Nutzung eines physischen Roboters auf Abonnementbasis. Anders als beim Leasing bleibt der ursprüngliche Hersteller Eigentümer des Roboters und führt ihn weiterhin als Vermögenswert in seinen Unterlagen. Kunden können die Nutzung daher aus einem Betriebskostenbudget bezahlen, statt den Roboter als größere Investition erwerben zu müssen.

Der Servicevertrag verpflichtet den Hersteller, den Roboter während der Vertragsdauer zu aktualisieren und in einem guten Arbeitszustand zu halten. Teile und Dienstleistungen für die vorsorgliche Wartung sind ebenfalls enthalten. Der Hersteller darf das Gerät jederzeit durch eine andere, gleichartige Maschine ersetzen. Über das Internet kann er zudem Fernservice anbieten, um das System zu überwachen, zu überprüfen, zu reparieren oder wiederherzustellen.

Dieses Modell wurde nach dem aus dem Markt für Unternehmenssoftware bekannten Geschäftsmodell Software as a Service (SaaS) benannt. In der Industrie wird RaaS wegen seiner Flexibilität, praktischen Nutzbarkeit und Kosteneffektivität zunehmend eingesetzt. Besonders kleine und mittlere Unternehmen (KMU) können Roboter nutzen, ohne hohe Anfangsinvestitionen leisten zu müssen. Üblich ist eine monatliche Miete, teilweise wird jährlich abgerechnet.

Entwicklung des Konzepts

Das ursprüngliche Konzept, serviceorientierte Datenverarbeitung auf eingebettete Systeme und Roboter zu übertragen, wurde im Februar 2006 beim 49. IFIP 10.4 Workgroups Meeting vorgestellt. Im ersten Entwurf war der Roboter ein Serviceclient: Er durchsuchte ein Dienstverzeichnis und nutzte Webdienste auf Webseiten.

Aus diesem serviceorientierten Roboter entstand RaaS als „all-in-one“-SOA-Einheit. Eine solche Einheit vereint ausführbare Dienste, ein Verzeichnis zur Erkennung und Veröffentlichung dieser Dienste sowie Anwendungen für den direkten Zugriff durch Kunden. Dadurch besitzt ein Roboter die Werkzeuge und Fähigkeiten, als unabhängige Einheit in einer Cloud-Computing-Umgebung zu arbeiten. Auf Grundlage der RaaS-Konzepte wurde außerdem das Visual IoT/Robotics Programming Language Environment (VIPLE) entwickelt.

Aufbau und Kommunikation

Eine RaaS-Einheit übernimmt mehrere Rollen innerhalb der serviceorientierten Architektur:

• Als Dienstanbieter besitzt sie einen Speicherort mit vorinstallierten Diensten. Entwickler oder Kunden können Dienste hinzufügen oder entfernen. Ein Roboter kann diese Dienste selbst verwenden und mit anderen Robotern teilen.

• Die Einheit enthält eingesetzte Anwendungen. Auf Grundlage der innerhalb und außerhalb der Einheit verfügbaren Dienste können Entwickler oder Kunden neue Anwendungen beziehungsweise Funktionen entwickeln.

• Als Dienstmakler stellt die Einheit ein Verzeichnis bereit, in dem Kunden die Anwendungen und Dienste des Roboters suchen können. Eine Hierarchie von Klassen kann das Durchsuchen erleichtern.

Die Dienste einer RaaS-Einheit kommunizieren mit Treibern und weiteren Komponenten des Betriebssystems. Diese greifen wiederum auf Geräte und andere Hardwarekomponenten zu. Wenn eine drahtlose Infrastruktur vorhanden ist, können mehrere Einheiten direkt über WLAN oder ein drahtloses Ad-hoc-Netzwerk miteinander kommunizieren. Der Datenaustausch mit anderen Cloud-Diensten erfolgt über Standardschnittstellen wie WSDL, ermöglicht durch DPWS, oder über RESTful-Dienste mittels HTTP.

DPWS („Devices Profile for Web Services“) legt Einschränkungen für die Implementierung fest. Sie sollen auch bei Geräten mit begrenzten Ressourcen den sicheren Austausch sowie das Erkennen, Beschreiben und Planen von Webdiensten ermöglichen. Es wurden bereits RaaS-Prototypen umgesetzt, die Webschnittstellen und physische Geräte verbinden.

Zuverlässigkeit und Herausforderungen

Verlässlichkeit, Beständigkeit und Sicherheit sind zentrale Anforderungen an den Aufbau von RaaS. Zusammenarbeitende Einheiten können Aufgaben redundant ausführen, also dieselben oder unterstützende Operationen mehrfach übernehmen. Dadurch können sie sich gegenseitig absichern.

Ein redundanter Aufbau kann außerdem Angriffe auf der Anweisungsebene abwehren, darunter Code-Injektion und ROP-Angriffe („Return Oriented Programming“). Da die Einheiten unabhängig voneinander arbeiten, können dieselben Angriffe oder Programmabläufe auf unterschiedlichen Geräten verschiedene Anweisungsfolgen und Verhaltensweisen erzeugen. Durch den Vergleich zwischen den zusammenarbeitenden Einheiten lassen sich solche Abweichungen erkennen.

Die größte Entwicklungsherausforderung ist die Vielfalt der Netzwerke, Anwendungen und Einsatzumgebungen. Im Cloud Computing beschränkt sich die Kommunikation meist auf einige Standards wie WSDL, SOAP, HTTP und die RESTful-Architektur. Auch bei RaaS gelten HTTP, SOAP und WSDL als Standards; zusätzlich müssen die besonderen Anforderungen robotischer Anwendungen berücksichtigt werden.

Einsatzgebiete

RaaS kann grundsätzlich überall eingesetzt werden, wo serviceorientierte Architektur, Cloud Computing, IoT, Cyber-physische Systeme oder autonome dezentrale Systeme genutzt werden.

In der Informatikausbildung lassen sich bereits vorhandene Dienste zu Anwendungen auf Workflow-Ebene zusammensetzen. Lernende müssen dabei nicht jede Funktion von Grund auf programmieren. Laut Artikel kann dies die Lernkurve bei der Roboterprogrammierung deutlich reduzieren.

In der Industrie ermöglicht das Abonnementmodell Unternehmen einen flexibleren und kostengünstigeren Zugang zu Robotern. Da Wartung, Aktualisierung und teilweise Fernüberwachung zum Service gehören, liegt ein wesentlicher Teil der technischen Betreuung beim Hersteller. Für KMU ist besonders wichtig, dass sie Robotik einsetzen können, ohne sofort große Investitionen tätigen zu müssen.