Mobile Robot Controller Prototype

This document describes the prototype of Pocket Bot, a graphical programming environment for the educational robotics controller Hedgehog to be used on smartphones. In the beginning, the Hedgehog controller is introduced, which was mainly developed during the project SCORE! (funded by the Austrian Research Promotion Agency). Then, insights about Pocket Code are given, which acted as basis for Pocket Bot. Finally, details about Pocket Bot are reported

Applied Social Robotics—Building Interactive Robots with LEGO Mindstorms

Kipp A, Schneider S. Applied Social Robotics—Building Interactive Robots with LEGO Mindstorms. In: Merdan M, Lepuschitz W, Koppensteiner G, Balogh R, eds. Robotics in Education. Advances in Intelligent Systems and Computing. 1st ed. Cham: Springer Nature; 2016: 29-40

Distributed control in process automation - with the focus on possible applications of IEC 61499

Zsfassung in dt. SpracheIndustrial companies are nowadays confronted with a difficult challenge on the global market. In order to succeed, they have to fabricate high-quality products based on consumer demands with short manufacturing periods at low costs. This challenge affects various domains including process industries. Some fields of process industries such as the petrochemical industries rely on historically grown systems with long life-spans. However, other sectors as for example pharmaceutical and biotechnological industries require flexible production facilities. By applying Batch Processes and modifiable recipes, small amounts of highly differentiated products can already be created.Even though the applied processes are suitable for a flexible production, the used automation systems are still based on classical approaches that do not support easy modifications concerning their functionality. New control architectures are therefore necessary to further emphasize the gains of flexible production facilities.Hence, a concept of a new control system for Process Automation has to be developed to meet these demands. To become acquainted with Process Automation, a survey presented in this thesis delivers the requirements and conditions of the target domain. Technical standards as well as existing engineering methods are therefore examined. Moreover state-of-the-art control concepts, that might be used or modified to design the control architecture, are analyzed in regard to the domain of Process Automation.Based on the survey, this thesis introduces a new Distributed Control Architecture for Process Automation. This architecture is composed of Mechatronic Control Components with software elements based on the technical standard IEC 61499. Furthermore an intuitive engineering method for the development of applications is presented and used to convert a Control Recipe into an IEC 61499 Application.Finally an actual implementation on a laboratory process plant is performed to evaluate the control architecture as well as the engineering method. This examination reveals certain gains and problems which are discussed to determine any practical impact and possible future research topics.Im Zuge der immer weiter voranschreitenden Globalisierung stellt der heutige Weltmarkt für die Unternehmen vieler Industriezweige eine große Herausforderung dar. Um erfolgreich zu sein, sind diese Unternehmen gezwungen, hoch qualitative auf Kundenwünschen basierende Produkte in möglichst kurzer Zeit und unter möglichst geringem Kostenaufwand zu erzeugen. Auch jene, die auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik tätig sind, sehen sich mit dieser Tatsache konfrontiert. Im Speziellen betrifft dies beispielsweise Unternehmen aus den Bereichen Pharmaindustrie oder Biotechnologie. Chargenprozesse und modifizierbare Rezepte werden in diesen Industriezweigen bereits erfolgreich eingesetzt.Auch wenn diese Chargenprozesse im Vergleich zu kontinuierlichen Prozessen bereits eine flexiblere Produktion ermöglichen, so basieren die eingesetzten Automationssysteme auf klassischen Ansätzen der Steuerungstechnik, welche Modifikationen hinsichtlich ihrer Funktionalität nur bedingt unterstützen. Um die Vorteile der flexiblen Produktion intensiver als bisher nutzen zu können, sind somit neue Steuerungskonzepte notwendig.Im Zuge dieser Diplomarbeit wird daher ein neuartiges Steuerungskonzept für die Verfahrenstechnik entwickelt. Hierfür ist es zuallererst notwendig, die Rahmenbedingungen der Domäne Verfahrenstechnik zu bestimmen. Technische Standards und existierende Steuerungskonzepte dieser Domäne werden daher untersucht. Weitere Automatisierungskonzepte, die in der Verfahrenstechnik noch nicht eingesetzt wurden, aber möglicherweise für eine Umsetzung in Frage kommen, werden hinsichtlich ihrer Eignung analysiert.Auf Basis der gewonnenen Ergebnisse der Umfeldstudie wird eine neuartige verteilte Steuerungsarchitektur vorgestellt. Diese setzt sich aus Mechatronischen Steuerungskomponenten zusammen, deren Software auf dem technischen Standard IEC 61499 basiert. Des Weiteren stellt diese Diplomarbeit eine intuitive Designmethode für die Entwicklung von Steuerungsapplikationen vor, die bei der Konvertierung eines Steuerrezepts in eine IEC 61499 Applikation zur Anwendung kommt.Schlussendlich wird eine Implementierung auf einer verfahrenstechnischen Laboranlage durchgeführt, um die vorgestellte Steuerungsarchitektur, sowie die Designmethode, testen und bewerten zu können. Die hierbei erzielten Resultate werden hinsichtlich gewonnenen Nutzens und etwaiger auftretender Probleme betrachtet und weitere aus dieser Arbeit abgeleitete Forschungsthemen vorgestellt.9

Selbst-rekonfigurierbare Produktionssteurerung basierend auf Ontologie-basierten Automationsagenten

Abweichender Titel nach Übersetzung des VerfassersDie Dynamik des heutigen Markts erfordert Produktionssysteme, die in der Lage sind eine große Produktvielfalt mit geringem Aufwand zu erzeugen, um rasch auf individuelle Kundenwünsche reagieren zu können. Jedoch bieten die derzeit eingesetzten Produktionssysteme aufgrund ihres starren Aufbaus nicht genügend Flexibilität. Im Gegensatz dazu sind rekonfigurierbare Produktionssysteme aus modularen Komponenten aufgebaut, welche flexibel modifiziert beziehungsweise je nach benötigter Funktionalität dem System hinzugefügt oder aus dem System entfernt werden können. Entsprechende Software-Konzepte sind daher für die Beherrschbarkeit und Steuerbarkeit solch eines verteilten Systems notwendig. Der Einsatz von Agententechnologie erweist sich als ein geeignetes Konzept für die Steuerungssoftware von verteilten Produktionssystemen, da jeder Agent eine autonome Softwarekomponente repräsentiert, welche für die Steuerung einer entsprechenden physikalischen Komponente einsetzbar ist. Dieser Ansatz ermöglicht intelligente Steuerungskomponenten und es ist zu erwarten, dass damit die Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit eines Produktionssystems sowie dessen Robustheit im Falle von auftretenden Fehlern erhöht werden kann. Diese Dissertation beschreibt eine aus zwei Ebenen bestehende Architektur für jene Agenten, welche die phyischen Komponenten eines Produktionssystems steuern. Bezogen auf einen Agenten ist die obere Steuerungsebene ist für dessen globales Verhalten verantwortlich und verwendet dabei eine flexible Wissensbasis in der Form einer Ontologie für die Repräsentation von Information. Die untere Steuerungsebene ist echtzeitfähig und kann direkt auf die Sensoren und Aktoren der zugehörigen physischen Komponente zugreifen. Jeder Agent verfügt weiters über Diagnosealgorithmen zur Fehlererkennung sowie über eine Rekonfigurationsinfrastruktur für die Modifikation der eigenen Funktionalität. Der präsentierte Ansatz wird für die automatische Konfiguration der Steuerungssoftware eines Produktionssystems eingesetzt und verwendet eine Ressourcenontologie für die Beschreibung der Komponenten und Konzepte des Systems. Zudem enthält die Ontologie weiters eine Beschreibung der Softwarekonzepte, um den Agenten die automatische Zusammenstellung der Steuerungsapplikation bei Systemstart zu ermöglichen. Mit Hilfe der Rekonfigurationsinfrastruktur sind die Agenten außerdem in der Lage, ihre Funkionalität zu adaptieren um adequat auf eine globale Rekonfiguration des Systems zu reagieren, welche beispielsweise aufgrund der Feststellung eines Fehlers notwendig werden kann. Eine Implementierung auf einem Laboraufbau eines Palettentransportsystems zeigt die Machbarkeit sowie den Nutzen des vorgestellten Ansatzes. Die Evaluierung zeigt, dass das System in der Lage ist, trotz eines Fehlers den Durchsatz auf nahezu der gleichen Höhe zu halten wie im fehlerfreien Fall.The dynamics of the 21st century market with continuously decreasing life cycle spans of products require manufacturing systems, which are able to support mass customization. However, current manufacturing systems are not able to cope with this requirement due to their rigid and therefore inflexible structure. On the contrary, reconfigurable manufacturing systems that are composed of basic process modules allow the addition, removal or modification of these modules for providing specific functionality when needed. According software concepts are necessary for controlling such a manufacturing system based on modular components. Agent technology represents a suitable approach for realizing the control software of a manufacturing system composed of modular components as each agent constitutes an autonomous software component, which can be mapped onto an according physical component. Applying this technology enables intelligent control components and is expected to increase a manufacturing system's flexibility and reconfigurability as well as its robustness in the case of failures. This thesis introduces a hybrid architecture for the agents controlling the physical components of a manufacturing system. According to hybrid agent architectures, each agent is composed of two control layers. The higher level control layer is responsible for an agent's global behavior and makes use of a flexible knowledge base in the form of an ontology for representing information. The lower level control layer is real-time capable and has access to the sensors and actuators of the controlled component. Each agent possesses diagnostic capabilities for detecting failures as well as a reconfiguration infrastructure for modifying the provided functionality. The approach is applied for automatically configuring the control software of a manufacturing system by making use of a resource ontology that describes the concepts of the target system. Furthermore, the ontology comprises the software concepts for the control application to enable the agents to perform this automatic software composition at system startup. Using the reconfiguration infrastructure, the agents are also able to adapt their functionality as a reaction on a global reconfiguration of the control system, which can be required for instance in the case of a detected failure. An implementation on a laboratory pallet transport system shows the feasibility and benefits of the presented approach. The evaluation shows that the system is able to keep its performance despite the failure of a component at nearly the same level as in the failure free case.16

Developing extended real and virtual robotics enhancement classes with years 10-13

There is growing evidence of the potential of educational robotics to enhance science, technology, engineering and mathematics education provided that they are deployed carefully. This paper describes a developmental research project be-tween a university and a secondary school in the UK to develop extended robotics enhancement classes, mainly using LEGO MINDSTORMS robotic kits, and GeoGebra, which was used to animate virtual robots. Two styles of class were deployed: student-led project creations and facilitator-led challenges. The pedagogical principles underpinning these classes and their design are discussed. Feedback generally indicated that the classes were successful and appreciated by the students but they experienced difficulties in incorporating the virtual robotic element. Lessons learnt from the project, including the development of employability skills, the potential impact on students with autism, and the effective use of peer students, are discussed. The possibility of combining the two styles of class together is proposed

Educational Practices for Improvement of Entrepreneurial Skills at Secondary School Level

Entrepreneurial knowledge and skills can play a crucial role for young people in order to achieve a bright professional perspective. In this context, entrepreneur-ship education can make a significant contribution to the development of their en-trepreneurial attitudes and skills. It can inspire future graduates to develop and in-ternalize entrepreneurial mindsets and prepare them for the challenges of the fu-ture. This paper introduces four practices for fostering entrepreneurial skills car-ried out at Vienna’s biggest secondary school Vienna Institute of Technolo-gy/Technologisches Gewerbemuseum (TGM). Two of the presented approaches are realized by the TGM alone (the Junior Company and the Learning Office) while the other two are implemented in cooperation with the non-profit associa-tion Practical Robotics Institute Austria (PRIA) and the Automation and Control Institute (ACIN) of the Vienna University of Technology (iBridge and Mak-ers@School, the latter also with further partners)

ER4STEM Educational robotics for science, technology, engineering and mathematics

Robotics is a popular vehicle to introduce young people to science, technology, engineering and mathematics (STEM) with various approaches worldwide that use robotics to teach or entertain or both, accompanied by various tools and repositories. However, the stakeholders involved have different goals and methods, thus difficulties in finding common ground. E.g. the focus in most cases is on increasing interest in STEM, but research methods are unspecified or vague; or despite the vastness of offerings, teachers are reluctant to incorporate activities in the classroom. In this paper, we introduce the Educational Robotics for STEM (ER4STEM) project that will realize a creative and critical use of educational robotics to maintain children’s curiosity in the world. An open and conceptual framework will bring three main stakeholders of educational robotics—teachers, educational researchers and organizations offering educational robotics—together through a user- and activity centered repository

Overview and evaluation of a workshop series for fostering the interest in entrepreneurship and STEM

Many opportunities exist for young people if they engage themselves in entrepreneurship and/or the various domains of STEM (science, technology, engineering, and mathematics). However, it is a common phenomenon in industrialized countries that the interest in pursuing a career in the STEM domains or taking the risk of becoming an entrepreneur is rather limited. Consequently, more young people need to become aware of the opportunities in entrepreneurship and STEM while being empowered with the required skills. This paper presents a series of workshops tackling various topics of entrepreneurship and STEM for inspiring young people towards engineering and technology. The workshop formats also focus on collaboration, which is an important 21 st century skill. Also the results of an evaluation are presented and discussed, which was performed when carrying out the workshops with several school classes

Educational Practices for Improvement of Entrepreneurial Skills at Secondary School Level

Entrepreneurial knowledge and skills can play a crucial role for young people in order to achieve a bright professional perspective. In this context, entrepreneur-ship education can make a significant contribution to the development of their en-trepreneurial attitudes and skills. It can inspire future graduates to develop and in-ternalize entrepreneurial mindsets and prepare them for the challenges of the fu-ture. This paper introduces four practices for fostering entrepreneurial skills car-ried out at Vienna’s biggest secondary school Vienna Institute of Technolo-gy/Technologisches Gewerbemuseum (TGM). Two of the presented approaches are realized by the TGM alone (the Junior Company and the Learning Office) while the other two are implemented in cooperation with the non-profit associa-tion Practical Robotics Institute Austria (PRIA) and the Automation and Control Institute (ACIN) of the Vienna University of Technology (iBridge and Mak-ers@School, the latter also with further partners)