Human robot work cell design: collaboration and Interactive programming

Abstract

Human Robot collaboration (HRC) is a promising concept for increasing the flexibility and reconfigurability of the hybrid production work cells. This PhD Dissertation focuses on the study of automatically designing a HRC workplace layout, the easy programming and interaction between humans and robots, the task planning of a HRC workload and finally the coordinated execution of human-robot (HR) tasks. The proposed methods are expected to support the designers, engineers and human operators working in production lines where hybrid working cells are going to be integrated.The HRC workplace design and the automatic task allocation can significantly decrease the time of a new set-up or a cell’s reconfiguration. A method for an HRC workplace layout generation and the preliminary assignment of human and robot tasks is proposed for this purpose. A decision making framework is used to generate multiple alternatives and evaluate them against a number of criteria including ergonomics, cost, available floor space, accessibility of resources etc. Given the result of the layout design, the next required step is the robot programming. The design and development of intuitive robot programming frameworks is expected to simplify the programming process of complex tasks. In order to achieve this, a method for intuitive programming for industrial robots and human robot interaction (HRI) is developed, allowing even in non-expert robot programmers to use it. An interactive architecture between different modules including robot, sensors and external applications/libraries is proposed. Task oriented programming is evaluated as well, allowing the decomposition of complex tasks into simpler activities. Interaction between humans and robots is established through enhanced natural interaction ways such as gestures and voice commands, as well as graphical user interfaces (GUIs). The HR task planning is the next step in the proposed framework, where robots and humans can coexist in the same cell and share tasks according to their capabilities. An intelligent decision making method that allows HR task scheduling is proposed for the allocation of sequential tasks assigned to a robot and a human. Finally, the coordinated execution of HR tasks follows. The coordination of human and robots tasks require situation awareness and timely feedback from both human and robot resources. A method that enables the coordination and monitoring of HR tasks through an external safe HR station controller is developed. The HR station controller allows execution of HR tasks that are eventually stored in external databases. A multi-layer fenceless safety approach is adopted enabling the safe HR coexistence and cooperation. The above methods and tools were applied in different industrial case studies within automotive industry assembly lines, proving the proposed concept in nearly industrial settings.

Η συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ είναι μια πολλά υποσχόμενη ιδέα για την αύξηση της ευελιξίας και τον επανασχεδιασμό/επαναδιαμόρφωση των υβριδικών βιομηχανικών σταθμών εργασίας. Το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του αυτοματοποιημένου σχεδιασμού ενός σταθμού εργασίας ανθρώπου-ρομπότ, ο εύκολος προγραμματισμός ρομποτικών βραχιώνων και η αλληλεπίδραση ρομπότ-ανθρώπου, η ανάθεση εργασιών και τελικά ο συγχρονισμός αυτών κατά τη διάρκεια εκτέλεσης τους. Οι προτεινόμενες μέθοδοι αναμένεται να βοηθήσουν τους σχεδιαστές, μηχανικούς και χειριστές που εργάζονται στις γραμμές παραγωγής όπου η συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ απαιτείται.Ο αυτοματοποιημένος σχεδιασμός σταθμών εργασίας και η ανάθεση εργασίων ανθρώπου-ρομπότ μπορεί να μειώσει δραστικά το χρόνο που απαιτείται για να σχεδιαστεί/ διαμορφωθεί ένας σταθμός. Μια μέθοδος για το σχεδιασμό της διάταξης του σταθμού και την προκαταρκτική ανάθεση εργασιών προτείνεται. Ένα πλαίσιο αυτόματης λήψης αποφάσεων χρησιμοποιείται για να προκύψουν εναλλακτικές λύσεις στο σχεδιασμό όπου αυτές αξιολογούνται με βάση έναν αριθμό κριτηρίων όπως εργονομικοί παράγοντες, κόστος, διαθέσιμος χώρος στην παραγωγή, ικανότητα των μηχανών να προσεγγίσουν μια περιοχή κλπ.Δεδομένου του σχεδιασμού που προέκυψε, το επόμενο βήμα είναι ο προγραμματισμός των ρομποτικών βραχιώνων. Ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός γενικευμένου πλαισίου προγραμματισμού ρομπότ προτείνεται προκειμένου να εξασφαλιστεί η απλοποίηση της διαδικασίας και η μείωση του χρόνου που απαιτείται. Για να επιτευχθεί αυτό, ακολουθεί η ανάπτυξη αυτού του εργαλείου, επιτρέποντας τη χρήση του ακόμη και σε μη-ειδικευμένο προσωπικό. Μια αρχιτεκτονική αλληλεπίδρασης προτείνεται προκειμένου να επικοινωνήσουν διάφορα εργαλεία μεταξύ τους (ρομπότ, αισθητήρες, βιβλιοθήκες κλπ.). Ο προγραμματισμός με βάση εργασίες που ακολουθούν αξιολογείται επίσης, επιτρέποντας την αποσύνθεση των περίπλοκων εργασιών σε απλούστερες. Αλληλεπίδραση μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ επιτυγχάνεται μέσω φυσικών τρόπων όπως κινήσεων/χειρονομιών και φωνητικών εντολών, καθώς επίσης και γραφικών διεπαφών αλληλεπίδρασης. Ο χρονικός προγραμματισμός εργασιών ανθρώπου-ρομπότ είναι το επόμενο βήμα των προτεινόμενων μεθόδων, όπου ρομπότ και άνθρωποι μπορούν να συνυπάρχουν στον ίδιο σταθμό και να μοιράζονται εργασίες με βάση τις δυνατότητές τους. Μια έξυπνη μέθοδος λήψης αποφάσεων που επιτρέπει το χρονικό προγραμματισμό των εργασιών τους προτείνεται για την ανάθεση σειριακών ή παράλληλων εργασιών. Τελικά, ο συχγρονισμός και η εκτέλεση των εργασιών ακολουθεί. Ο συντονισμός αυτών απαιτεί επίγνωση και συνεχής ανατροφοδότηση της κατάστασης ανθρώπου-ρομπότ του στο χρόνο. Μια μέθοδος που επιτρέπει το συντονισμό και τη συνεχή παρακολούθηση της εξέλιξης των εργασιών προτείνεται μέσω ενός εξωτερικού ελεγκτή. Αυτός ο ελεγκτής επιτρέπει την εκτέλεση των εργασιών που είναι αποθηκευμένα και δομημένα σε βάσεις δεδομένων. Μια μέθοδος πολλαπλών επιπέδων για την ασφάλεια σε συνεργατικά κελιά/γραμμές χωρίς φράχτες προστασίας προτείνετε εξασφαλίζοντας την ασφαλή συνύπαρξη και συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ. Οι παραπάνω μέθοδοι έχουν εφαρμοστεί σε διαφορετικές βιομηχανικές περιπτώσεις που αφορούν γραμμές συναρμολόγησης των αυτοκινητοβιομηχανιών.