Hast du die tanzenden Roboter von Boston Dynamics gesehen? Noch vor einigen Jahren hätte es niemand für möglich gehalten, dass Roboter und andere Hardware zu Musik tanzen, mit Nutzern sprechen, Turbinen reparieren oder autonom durch Produktionsstraßen fahren können. Heute ist dies einfach Realität und Teil unseres täglichen Lebens. Aber - und bleibe mir hier treu - der Wandel in der Hardwareentwicklung hat gerade erst begonnen.
Ein großer Teil des Mehrwerts dieser Produkte ergibt sich aus dem Softwareteil. Doch ohne ausgefeilte und zuverlässige sowie präzise Hardware wären diese Produkte nutzlos. Um eine reibungslose Entwicklung zu gewährleisten, müssen wir Abteilungsdenken, wie die Hardware- vs. Software-Debatte, überwinden, sondern eng zusammenarbeiten, auch wenn die Ansätze und Herausforderungen unterschiedlich sind.
Die Herausforderung für interdisziplinäre Hardware-Produktentwicklungsprojekte
Jeder ist scharf auf Rapid Prototyping und agile Entwicklung, um so früh wie möglich einen schnellen Proof of Concept (PoC) zu zeigen. Ich habe jedoch die Erfahrung gemacht, dass es eine Reihe von Herausforderungen gibt, wenn man Hardware-Ingenieure und Software-Entwickler zusammenbringt, um gemeinsam ein Produkt zu entwickeln, das komplexer ist als ein selbstfahrender Roboter. Für einfache PoC (Proof of Concept) oder MVPs (Minimum Viable Product) von Produkten, die vielleicht nur aus ein paar 3D-gedruckten Teilen und einem Mikrocontroller mit einigen IoT-Funktionen bestehen, kann man schnell Prototypen erstellen, so viel man will. Sobald man aber einen funktionstüchtigen Roboter bauen muss, der bis zu einer Tonne heben und in einer Produktionsanlage herumfahren kann, wird es komplizierter. Trotzdem wollen Sie schnell und flexibel sein und so schnell wie möglich einen Prototyp vorlegen. Ich möchte Sie durch den Prozess bei Motius führen. Wie wir mit solchen Herausforderungen umgehen und welcher Ansatz sich in unserem Hardware-Cluster als sehr erfolgreich erwiesen hat.
Wenn wir bei Motius das perfekte Team für ein Projekt zusammenstellen, besteht die Herausforderung darin, die verschiedenen Technologien und Methoden, die wir einsetzen wollen, zu verwalten und zu verbinden. Es kann eine Herausforderung sein, Motees, die Software-Experten sind, zum Beispiel bei ROS (Robot Operating System), mit anderen zusammenzubringen, die sich auf Hardware-Themen wie die Konstruktion einer Antriebseinheit konzentrieren. Eine weitere Herausforderung ergibt sich daraus, dass Software- und Hardwareprojekte unterschiedliche Entwicklungszyklen durchlaufen. Die Entwicklung von Hardwarekomponenten durchläuft in der Konzeptphase viele Iterationsschleifen, da nachträgliche Änderungen im Vergleich zu Software wesentlich teurer sind. Auf der anderen Seite können Softwarekomponenten und -funktionen in den meisten Fällen einfacher während des Projekts innerhalb des Teams hinzugefügt werden. Für beide Bereiche ist eine geeignete Systemarchitektur von Anfang an gleichermaßen wichtig. Mit zunehmender Komplexität sind neue Methoden erforderlich, um SW und HW zu kombinieren, ohne die Geschwindigkeit der Softwareentwicklung und die Anforderungen an Genauigkeit und Sicherheit der Hardware zu beeinträchtigen.
Der Motius-Weg der agilen Hardware-Entwicklung
Im Allgemeinen verfolgen wir den folgenden Ansatz: Schnell wo möglich und detailverliebt wo nötig. Das bedeutet, dass detailliertes Requirements Engineering und vor allem Systems Engineering während der gesamten Entwicklung sowie Rapid Prototyping und schnelles User Testing mit einem eher iterativen Ansatz kombiniert werden müssen. Vor allem am Anfang, bei der Definition des Konzepts, müssen wir schnell sein, um neue Ideen zu verifizieren. Warum gerade zu Beginn? Das Problem bei der Hardware ist die Gesamtkomplexität mancher Produkte, weshalb z. B. in der Luftraumindustrie enorme Anstrengungen unternommen werden, um einen Wasserfall-Projektplan vom Anfang bis zum Ende eines Projekts zu erstellen. Wir bei Motius wissen, wie man an komplexen Projekten arbeitet und dabei trotzdem schnell und agil ist. Um den Anforderungen gerecht zu werden und die Komplexität zu bewältigen, legen wir großen Wert auf Requirements Engineering und Systems Engineering. Das mag anfangs wie ein Overhead erscheinen, weil man sie richtig machen muss, aber der Aufwand ist notwendig und zahlt sich am Ende aus.
1. Anforderungstechnik
Beginnen wir mit dem ersten Aspekt, dem Requirements Engineering (RE). Dies umfasst die Aspekte der Produkteigenschaften und Spezifikationen sowie deren Verwaltung, wie Dokumentation und Validierung während des gesamten Projekts. RE ist im Grunde ein systematischer Ansatz für den Umgang mit Anforderungen. Motius setzt RE im Rahmen von Projekten ein, um die Komplexität eines Projekts oder Produkts zu beherrschen. Dies hilft dem Team zu erkennen, auf welche Aktivitäten es sich konzentrieren muss und wie diese zu testen sind. Es ist wichtig, mehr als nur die technischen Aspekte des Produkts zu spezifizieren. Auch die Geschäfts- und Benutzerperspektive ist wichtig. Deshalb verwendet Motius Design Thinking-Methoden, um unsere RE-Aktivitäten zu unterstützen und einen ganzheitlichen Produktentwicklungsprozess im Auge zu haben. Wir lernen mehr über den Anwendungsfall und vor allem über die Bedürfnisse der Benutzer. Dabei orientieren wir uns an den Wünschen der Nutzer. Gemeinsam mit dem Nutzer entwickeln wir eine Lösung rund um ihn oder sein Problem.
2. Systemtechnik
Sobald wir alle Ziele, Anforderungen und Anwendungsfälle definiert und dokumentiert haben, können wir die Systemarchitektur entwickeln. Bei komplexen Robotikprojekten ist es wichtig, sich auch auf die verschiedenen Schnittstellen zwischen den Teilsystemen zu konzentrieren. Systems Engineering (SE) ist ein methodischer Ansatz zur Definition und Verwaltung dieser Komplexität während des gesamten Projekts. Es ist durch einen integrativen Ansatz definiert. Beachten Sie, dass der Begriff Engineering im Zusammenhang mit SE in einem breiteren Sinne verwendet wird. Das Ziel des Systems Engineering ist es, sicherzustellen, dass die Komponenten zusammenpassen, um ein zusammenhängendes Produkt zu bilden. Wir verwenden Visual Paradigm als Werkzeug dafür, es ermöglicht uns die Verwaltung unserer Anforderungen und die Visualisierung unseres Systementwurfs über SysML.
3. Agil sein mit Scrum
RE und SE sind zwei der Ansätze, die uns helfen, die Komplexität zu bewältigen. Nichtsdestotrotz arbeiten wir während der gesamten Entwicklung in einem agilen Setup, um auf der Grundlage unseres iterativen Rapid-Prototyping-Ansatzes auf Änderungen und Erkenntnisse zu reagieren.
4. Schnelles Prototyping
Abgesehen von der Frage, welche Fertigungsmethoden Sie verwenden wollen, wie 3D-Druck, Laserschneiden usw., ist eine sehr interessante Frage, über die Sie nachdenken sollten, wenn es um Prototyping geht, welche Teile und Komponenten Sie kaufen und welche Sie selbst herstellen. Für die erste Konzeptüberprüfung kann ein schnelles und zuverlässiges Lieferantennetz der Schlüssel sein. Wir setzen Rapid Prototyping ein, um frühe Prototypen zu testen und so die Komplexität und die Risiken während der Entwicklung z. B. eines Getriebes zu verringern. Ein gutes Beispiel ist die Prüfung der Kinematik unserer Mecanum-Räder, die wir jetzt in unseren autonom fahrenden LED-Wänden für AUMOVIS einsetzen.
5. Prüfung vor Ort
Im Rahmen unseres agilen Ansatzes führen wir intensive Vor-Ort-Tests mit Endnutzern und Prüfstellen wie dem TÜV durch. Wir leiten diesen Prozess so früh wie möglich ein, da er es ermöglicht, Zeit und Geld zu sparen, indem Fehler früh im Prozess erkannt und verbessert werden, wenn Änderungen billiger sind.
Was sind also die Schlussfolgerungen?
Wenn Sie komplexe Produkte bauen wollen, die Hardware und Software kombinieren, ist es entscheidend, Ihre Prozesse und Strukturen im Voraus zu planen. Sie sollten versuchen, das Beste aus beiden Welten zu verbinden, ohne dabei die Schnittstellen und Abhängigkeiten aus den Augen zu verlieren. Das bedeutet, dass Sie einen methodischen und systematischen Ansatz brauchen, um mit der Komplexität des Produkts selbst und der Entwicklungsprozesse rund um das Produkt umzugehen. Darüber hinaus brauchen Sie ein motiviertes Team, das bereit ist, während der gesamten Entwicklung zu lernen und sich anzupassen. Aber wenn man erst einmal sein Setup gefunden hat, kann man so spannende Produkte bauen wie die tanzenden Roboter von Boston Dynamics. Die erfolgreiche Entwicklung verschiedener Produkte, die wir gebaut haben, zeigt, dass der beschriebene Ansatz sehr gut funktioniert, um die zunehmende Komplexität von Hardwareprodukten zu meistern. Brauchen Sie Hilfe bei der Entwicklung Ihres nächsten Produkts? Sprechen Sie uns an, wir kennen uns aus!
