Towards intelligent and collaborative automation of automotive final assembly
2021 (English)Licentiate thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]
Automation and robotics have transformed the automotive industry by increasing efficiency and improving product quality. However, in manual final assembly and material handling in the truck industry, where the environment is crowded and the process is complex, it is hard to automate using traditional industrial robots. Due to the new trends of self-driving, electrification, and connectivity, the truck variants will drastically increase, which will require a new type of flexible, intelligent and reconfigurable production system where humans and robots collaborate to handle the upcoming complexity.
Collaborative robot systems are designed to enable collaboration between humans and robots. They can be flexible and easier to use and install compared to traditional robots while relieving the human from the unergonomic and more monotonous tasks and freeing up his/her time for more value-adding operations. However, despite the great amount of research and industrial effort in promoting collaborative robots, they are underused and are mostly installed to handle simpler tasks, like traditional robots but without fences.
The main aim of this work is to increase the understanding of how to introduce intelligent and collaborative robot systems into complex applications such as final assembly. Two demonstrators were developed by the research group where a manual final assembly station and a kitting station were transformed into collaborative assembly and kitting stations. Based on these industrial use cases, a set of challenges and critical requirements have been identified that need to be addressed. These requirements are related to safe, efficient and intuitive interactions, tools, deliberative control, robust communication and variant handling. The most critical requirement is the safety of machines and humans. In this work, by evaluating the current safety standards, it is identified that the available collaborative modes do not support the implementation of intelligent and adaptive collaborative systems in complex applications. A new collaborative mode is therefore suggested for deliberative and adaptive systems where robot system and operator plan, deliberate, adapt and act together.
Even if it would be possible to develop a safe and fully working collaborative and intelligent automation system, the engineering processes must also be transformed to be able to design, plan, prepare, and to manage product and process changes for these new systems. Based on the studied use cases, possible solutions for the future planning and preparation process are also proposed in this thesis.
Abstract [sv]
Automation och robotik har förändrat fordonsindustrin genom att öka effektiviteten och förbättra produktkvaliteten. Men vid manuell slutmontering och materialhantering inom lastbilsindustrin, där produktionslinan är trång och processen komplex, är det svårt att automatisera med traditionella industrirobotar. Dessutom kommer variationen av lastbilar att öka på grund av de nya trenderna inom självkörande, elektriska och uppkopplade produkter och tjänster. Detta kommer att kräva en ny typ av flexibla, intelligenta och omkonfigurerbara produktionssystem där människor och robotar samarbetar för att hantera komplexiteten.
Kollaborativa robotsystem, så kallade cobots, är utformade för att möjliggöra samarbete mellan människa och robotar. De är ofta enklare att använda och installera jämfört med traditionella robotar och kan hjälpa människan med monotona och mindre ergonomiska arbetsuppgifter. Men trots forskning och industriella insatser för att främja cobots, används de mest för att hantera enklare uppgifter, på samma sätt som traditionella robotar men utan att behöva använda staket. Syftet med detta arbete är att öka förståelsen för hur man introducerar intelligenta och samarbetande robotsystem i komplexa applikationer så som slutmontering. Två demonstratorer utvecklades av forskargruppen där en manuell slutmonteringsstation och en materialhanterings station omvandlades till kollaborativa stationer. Baserat på dessa demonstratorer har en uppsättning utmaningar och kritiska krav identifierats som måste hanteras. Dessa krav är relaterade till säker, effektiv och intuitiv interaktion, verktyg, styrning, kommunikation och varianthantering.
Det mest kritiska kravet är hur säkerheten mellan robot och människa skall hanteras. Genom att utvärdera de nuvarande säkerhetsstandarderna konstaterades att de definierade kollaborationsmoderna inte stöder implementeringen av intelligent och anpassningsbart kollaborativt system i komplexa applikationer. Därför förslås en ny kollaborationsmod, för deliberation och adaption mellan robotsystem och operatör, där de planerar, överväger, anpassar och agerar tillsammans.
Även om det skulle vara möjligt att utveckla ett säkert och fullt fungerande kollaborativt och intelligent automationssystem, måste också beredningsprocessen omvandlas för att kunna introducera dessa nya system och för att kunna hantera produkt- och processförändringar. Därför föreslås också möjliga lösningar för framtida processer för planeringen och beredningen av systemen i detta arbete.
Place, publisher, year, edition, pages
Västerås: Mälardalen University , 2021.
Series
Mälardalen University Press Licentiate Theses, ISSN 1651-9256 ; 305
Keywords [en]
Human-robot collaboration, robotic safety, collaborative operations, production planning
National Category
Engineering and Technology Computer Systems
Research subject
Computer Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:mdh:diva-53535ISBN: 978-91-7485-500-5 (print)OAI: oai:DiVA.org:mdh-53535DiVA, id: diva2:1532000
Presentation
2021-04-08, U2-024 and virtually on Zoom, Mälardalens högskola, Västerås, 21:52 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Knowledge Foundation2021-03-012021-02-282022-11-08Bibliographically approved