Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/14820
Title: Task planning for human robot collaborative applications
Other Titles: Μεθοδος για τον σχεδιασμό και την ανάθεση εργασιών σε παραγωγικές διαδικασίες με συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ
Authors: Κούση, Νίκη
Keywords: Cooperating robots
Human robot collaboration
Dynamically reconfigurable factories
Digital twin
Robotic perception
Safety
Multi-criteria decision making methods
Artificial intelligence
Automotive
Keywords (translated): Συνργατικά ρομποτ
Συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ
Δυναμικά αναδιαμορφούμενα συστήματα παραγωγής
Ψηφιακό δίδυμο
Ρομποτική αντίληψη
Ασφάλεια
Μέθοδοι λήψης αποφάσεων με πολλαπλά κριτήρια
Τεχνητή νοημοσύνη
Αυτοκινητοβιομηχανία
Abstract: This dissertation aims to create dynamically reconfigurable production systems that can successfully meet the changing demand of consumers for personalized products. To achieve this goal, the dissertation proposes the introduction of autonomous Cooperating Robots that work independently but also in collaboration with human operators. There robots are autonomous, stationary, and mobile dual arm robots that are able to perceive their environment and through reasoning, cooperate with each other and with other production resources including human operators. The dynamically reconfigurable behavior of these robotic systems is achieved through an "intelligent" control system that integrates the decision-making process at three different levels. This “intelligent” control system has been implemented through the deployment of a multi-level reconfiguration architecture that integrates: a) The Digital Twin of the factory, b) multi-level decision making tools and c) tools for controlling and dynamically re-organizing the execution of the manufacturing processes. The factory Digital Twin employs "smart" digital models that contain geometrical and semantic information about the environment, including human operators, robots, sensors, products, and processes. The Digital Twin is updated in real time using information from multiple sensors mounted on the robots and the surrounding area. The first level of decision-making concerns the optimal task allocation to the available human operators and Cooperating Robots at the production line level. The method is based on a multi – criteria decision making framework, allowing the automatic generation of task plans whenever a change is needed in the process or in case of unexpected failures. The different task plan alternatives are evaluated against user defined criteria based on the end user’s requirements. The method is integrated in a 3D physics-based simulation engine that is used to capture the required measurements for the criteria calculation (human ergonomics, cycle time, resources’ utilization etc.). The second level concerns the optimization of the autonomous execution of manufacturing tasks, by integrating tools that allow the Cooperating Robots to dynamically perceive: a) the production environment, b) the parameters of the manufacturing processes and c) the behavior of the human operators involved in the assembly. These tools receive information from the Digital Twin to detect static and moving obstacles as well as the real time location of the parts and the human operators involved in the production process. The third level concerns decision-making methods for the adaptive behavior and control of the robotic system. More specifically, based on the real time information extracted from the Digital Twin, decisions are made about: a) the mobile robots’ path planning for autonomous navigation and localization in the factory, b) the robot arms’ motion planning for collision free trajectories generation, c ) the safe and easy coexistence and cooperation of the Cooperating Robots with human operators. The above system was demonstrated and validated in three cases of production systems of the automotive industry. The performance of the system shows that it may achieve an increase resources’ utilization, improve human operator ergonomy and enable faster adaptability to changes against current industrial practice.
Abstract (translated): H παρούσα διατριβή στοχεύει στη δημιουργία δυναμικά αναδιαμορφούμενων (reconfigurable) συστημάτων παραγωγής ώστε να μπορούν επιτυχώς να ανταποκριθούν στην εναλλασσόμενη ζήτηση των καταναλωτών για προσωποποιημένα προϊόντα. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, προτείνεται η εισαγωγή αυτόνομων συνεργατικών ρομπότ τα οποία εργάζονται αυτόνομα αλλά και σε συνεργασία με τον ανθρώπινο παράγοντα. Τα ρομπότ αυτά είναι τοποθετημένα σε φορητές πλατφόρμες και τους δίνεται η δυνατότητα να περιηγούνται αυτόνομα σε διάφορους σταθμούς εργασίας. Η αναδιαμορφούμενη συμπεριφορά αυτών των ρομποτικών συστημάτων επιτυγχάνεται μέσω ενός «έξυπνου» συστήματος ελέγχου που ενσωματώνει τη διαδικασία λήψης αποφάσεων σε τρία διαφορετικά επίπεδα. Για την ανάπτυξη του αναφερθέντος συστήματος ελέγχου σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μία ομογενοποιημένη αρχιτεκτονική στην οποία ενσωματώνονται: α) το Ψηφιακό Δίδυμο του εργοστασίου, β) εργαλεία λήψης αποφάσεων σε πολλαπλά επίπεδα, και γ) εργαλεία για έλεγχο και τον επαναπρογραμματισμό της εκτέλεσης των διεργασιών. Το Ψηφιακό Δίδυμο του εργοστασίου χρησιμοποιεί «έξυπνα» ψηφιακά μοντέλα που περιέχουν πληροφορίες για το περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπινων χειριστών, των ρομπότ, των προϊόντων και των διεργασιών. Το Ψηφιακό Δίδυμο ενημερώνεται σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας πληροφορίες από πολλαπλούς αισθητήρες που είναι τοποθετημένοι στα ρομπότ και στον περιβάλλοντα χώρο. Το πρώτο επίπεδο λήψης αποφάσεων αφορά την βελτιστοποίηση του καταμερισμού εργασίας στους εργαζομένους και στα συνεργατικά ρομπότ σε επίπεδο γραμμής παραγωγής. Η μέθοδος που υλοποιήθηκε περιλαμβάνει την ενσωμάτωση τρισδιάστατης προσομοίωσης για την αξιολόγηση των εναλλακτικών πλάνων με στόχο την βελτιστοποίηση της εργονομίας και της χρησιμοποίησης των διαθέσιμων πόρων. Το δεύτερο επίπεδο αφορά την βελτιστοποίηση της αυτόματης εκτέλεσης εργασιών ενσωματώνοντας εργαλεία που δίνουν στα συνεργατικά ρομπότ την δυνατότητα αντίληψης: α) του συστήματος παραγωγής, β) των παραμέτρων των διεργασιών και γ) των ανθρώπων που συμμετέχουν στη συναρμολόγηση. Τα εργαλεία αυτά λαμβάνουν πληροφορίες από το Ψηφιακό Δίδυμο για τον εντοπισμό στατικών και κινούμενων εμποδίων καθώς και για την τρέχουσα θέση των αντικειμένων και των ανθρώπων που συμμετέχουν στη παραγωγική διαδικασία σε κάθε χρονική στιγμή. Το τρίτο επίπεδο αφορά μεθόδους λήψης αποφάσεων με αντικείμενο την προσαρμοστική συμπεριφορά και τον έλεγχο του ρομποτικού συστήματος. Συγκεκριμένα, με βάση τις πληροφορίες που εξάγονται από το Ψηφιακό Δίδυμο, λαμβάνονται αποφάσεις για το: α) πώς η ρομποτική φορητή πλατφόρμα θα μετακινηθεί αυτόματα και χωρίς εμπόδια στο χώρο, β) πώς οι ρομποτικοί βραχίονες θα κινηθούν για την επιτυχή εκτέλεση της διεργασίας, γ) πώς ολόκληρο το ρομποτικό σύστημα θα συμπεριφερθεί για την ασφαλή και εύκολη συνύπαρξη και συνεργασία με τον άνθρωπο. Το παραπάνω σύστημα εφαρμόστηκε σε τρείς περιπτώσεις συστημάτων παραγωγής της αυτοκινητοβιομηχανίας. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι με την εισαγωγή των συνεργατικών ρομπότ μπορεί να επιτευχθεί αύξηση στην ευελιξία καθώς και στην εργονομία των διεργασιών που εκτελούνται σε ένα σύστημα παραγωγής.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Kousi PhD Dissertation FINAL.pdf5.13 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.