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Fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung in der direkten Mensch-Roboter-Kooperation

Skill-oriented assembly sequence planning for the direct man-robot-cooperation
 
: Beumelburg, K.

:
Fulltext urn:nbn:de:bsz:93-opus-22621 (1.3 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 5c543ad238a4bfc7ed91eb9d5a31ac3f
Created on: 21.04.2005


Heimsheim: Jost-Jetter Verlag, 2005, 165 pp.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005
IPA-IAO Forschung und Praxis, 413
ISBN: 3-936947-52-X
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPA ()
Ablaufplanung; Mensch-Roboter-Kooperation; man-robot-cooperation; man-machine system; Fähigkeitsmanagement; skill; Roboter; Montageplanung; Mensch Maschine System

Abstract
Ein neu entwickeltes Montagekonzept, bei dem Mensch und Roboter ohne trennende Schutzeinrichtungen zusammenarbeiten und das zu einer "angepassten Automatisierung" führt, ist die direkte Mensch-Roboter-Kooperation. Sie ermöglicht eine flexible Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter, durch die beide entsprechend ihrer spezifischen Fähigkeiten optimal "zusammenarbeitend" eingesetzt werden können.
Um ein solches System Herstellkosten senkend einzusetzen, wird ein an die Fähigkeiten und Prozesszeiten angepasster Montageablauf mit einer entsprechenden Arbeitsteilung benötigt.
Die Entwicklung von fähigkeitsorientierten Montageabläufen für die direkte Mensch-Roboter-Kooperation stellt eine komplexe, von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängige Aufgabe dar. Innerhalb des Entwicklungsprozesses für solche Montageabläufe sind dabei insbesondere durch die gewünschte Fähigkeitsorientierung, die die Nutzung der Mensch-Roboter-Kooperationszelle erst sinnvoll möglich macht, und den enormen Kostendruck in der Montage eine Vielzahl von Zielkriterien und Randbedingungen zu beachten. Da bisher bei den Entwicklungswerkzeugen für Montageabläufe in hybriden Montagesystemen ein deutliches Defizit hinsichtlich der Fähigkeitsorientierung besteht und es keine Möglichkeit zur Berücksichtigung kooperativer Montageschritte bei der Montageablaufplanung gibt, wird in dieser Arbeit die Entwicklung eines Verfahrens und die Implementierung eines Programmsystems formuliert, welches die diesbezüglichen Anforderungen erfüllt und dem Anwender die fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung für die Mensch-Roboter-Kooperationszelle ermöglicht.

 

To meet the requirements of today's production a new kind of semi automated assembly system has been developed. In this system man and robot are working together in the same assembly station without safety constructions which separate them. The appearing question is how this 'cooperation-cell' should be planned: What is the best allocation of the assembly processes to man and robot? How can be decided which processes should be done by whom and when? What is the optimised operating sequence?
In this thesis a method and a software tool have been developed for the planning of an operating sequence for a cooperation-cell which is optimised in terms of skills of humans, technical skills of robots and the cycle time.
The target of the developed method is a skill oriented, multi criteria planning of an operating sequence. The method has been integrated into a software tool which enables the planner of assembly systems to schedule the assembly processes and distribute them among robot and human according to their skills and with an optimised cycle time.
The developed method comprises two parts. In the first part, two so called 'skill levels' are calculated for each assembly process: One for the man and one for the robot. These 'skill levels' are quantitative factors which determine the suitability for performing the assembly process by a robot or by a human. Within the second part of the method a multi criteria planning of the operating sequence is done. With the help of a genetic algorithm an operating sequence is created with a high skill level on the one hand and a low cycle time on the other hand.

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Abkürzungen und Formelzeichen S.13
1 Einleitung S.19
- 1.1 Problemstellung S.19
- 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise S.20
2 Ausgangssituation S.22
- 2.1 Begriffe und Definitionen S.22
- 2.2 Stand der Technik S.24
- 2.2.1 Kooperierende Mensch-Roboter Systeme S.24
- 2.2.2 Montageplanung S.26
- 2.2.2.1 Montageplanung hybrider Montagesysteme S.26
- 2.2.2.2 Ablaufplanung in Montagesystemen S.32
- 2.3 Ableitung der Entwicklungsschwerpunkte S.35
3 Analyse der Grundlagen zur Planung von Montageabläufen hinsichtlich der Fähigkeitsorientierung und Ableitung der Anforderungen an ein Planungsverfahren für die Mensch-Roboter-Kooperationszelle S.37
- 3.1 Analyse der Grundanforderungen S.37
- 3.1.1 Analyse der Optimierungsaufgabe S.37
- 3.1.2 Kriterien für die fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung S.40
- 3.1.3 Temporale Kriterien für die Montageablaufplanung S.45
- 3.2 Folgerungen aus den Analyseergebnissen S.46
- 3.3 Anforderungen an das Planungsverfahren S.47
- 3.3.1 Anforderungen an die Entwicklung von fähigkeitsorientierten Montageabläufen für die Mensch-Roboter Kooperationszelle S.47
- 3.3.2 Anforderungen an ein softwarebasiertes Planungstool S.49
4 Entwicklung eines Bewertungsmodells für die spezifischen Fähigkeiten von Mensch und Roboter S.50
- 4.1 Basismodell für die Fähigkeitsbeurteilung S.50
- 4.2 Fähigkeitsbeurteilung S.51
- 4.2.1 Deliberation der Entscheidung S.52
- 4.2.2 Skalierung der Bewertung S.54
- 4.2.3 Aggregation der Einzelbewertungen S.55
- 4.2.4 Gewichtung der Kriterien für die Fähigkeitsorientierung S.57
- 4.3 Berechnung des Eignungsgrades von Mensch und Roboter S.58
5 Konzeption eines Systemmodells und Verfahrens zur Entwicklung von fähigkeitsorientierten Montageabläufen in Mensch-Roboter-Kooperationszellen S.63
- 5.1 Systemmodell und Verfahren für Montageabläufe in der Mensch-Roboter-Kooperation S.63
- 5.1.1 Beschreibung des Montagevorrangmodells mit Graphen S.64
- 5.1.2 Vorgehensweise und Verfahren S.68
- 5.1.2.1 Vorgehensweise zur Entwicklung der Montageabläufe S.68
- 5.1.2.2 Vorgehensweise zur Entwicklung der Operationsreihenfolgen für Mensch und Roboter S.69
- 5.1.2.3 Vorgehensweise zur Entwicklung der Matrix der Startzeiten S.70
- 5.1.3 Montageablaufmodell S.72
- 5.2 Mögliche Verfahren zur multikriteriellen Optimierung für die Entwicklung von fähigkeitsorientierten Montageabläufen in der Mensch-Roboter-Kooperation S.73
- 5.3 Lösung des multiobjektiven flexiblen Job-Shop-Scheduling Problems mit Hilfe von genetischen Algorithmen für die Ablaufplanung S.76
- 5.3.1 Grundkonzept S.77
- 5.3.1.1 Modellannahmen S.78
- 5.3.1.2 Mathematische Formulierung des FJSSP S.79
- 5.3.2 Genetische Repräsentation der Montageabläufe S.87
- 5.3.2.1 Kodierungsstruktur für die Ressourcenbelegung S.88
- 5.3.2.2 Kodierungsstruktur für Operationsfolgen S.90
- 5.3.3 Die Dekodierungsfunktion S.91
- 5.3.4 Zielfunktion und Fitnessbewertung S.93
- 5.3.5 Genetische Operatoren S.95
- 5.3.5.1 Crossover S.95
- 5.3.5.2 Mutation S.98
- 5.3.6 Selektions Verfahren S.99
- 5.3.7 Ersetzungsstrategien S.100
6 Spezifizierung und Entwurf eines Verfahrens zur Entwicklung von Montageabläufen in der Mensch-Roboter-Kooperationszelle mit genetischen Algorithmen S.102
- 6.1 Erweiterung der Modellumgebung für die Montageablaufplanung in der Mensch-Roboter-Kooperation S.102
- 6.2 Spezifische Randbedingungen der Montageablaufplanung in der Mensch-Roboter-Kooperation S.103
- 6.2.1 Auftragsanalyse S.103
- 6.2.2 Ressourcenanalyse S.105
- 6.2.3 Verarbeitung der Randbedingungen S.106
- 6.3 Aspekte der Kooperation bezüglich Zielkriterien und Fitnessbewertung S.107
- 6.4 Adaptierte Kodierung für die Montageablaufplanung in der Mensch-Roboter-Kooperation S.112
- 6.5 Die genetischen Operatoren für die Montageablaufplanung in der Mensch-Roboter-Kooperation S.115
- 6.5.1 Crossover-Operator für die Ablaufplanung in der Mensch-Roboter-Kooperation S.115
- 6.5.2 Mutations-Operator für die Ablaufplanung in der Mensch-Roboter-Kooperation S.117
- 6.5.3 Die Dekodierungsfunktion für die Ablaufplanung in der Mensch-Roboter-Kooperation S.117
- 6.5.4 Selektion von Ablaufplänen in der Mensch-Roboter-Kooperation S.120
7 Entwicklung eines softwarebasierten Werkzeugs zur Optimierung der Montageabläufe in der Mensch-Roboter-Kooperation S.122
- 7.1 Aufbau des Entwicklungswerkzeugs S.122
- 7.2 Daten- und Parametersätze S.124
- 7.2.1 Gewichtungsfaktoren S.124
- 7.2.2 Parameter des Entwicklungsverfahrens S.124
- 7.3 Arbeitsweise mit dem Entwicklungswerkzeug S.126
8 Umsetzung der Ergebnisse und pilothafte Anwendung S.127
- 8.1 Programmsystem S.127
- 8.1.1 Rechnerimplementierung S.127
- 8.1.2 Aufbau und Verfahrensweise des Programmsystems S.127
- 8.2 Pilothafte Anwendung des Werkzeugs S.129
- 8.2.1 Beschreibung der Beispielmontage S.129
- 8.2.2 Ermittlung der Eignungsgrade S.131
- 8.2.3 Parameter-Einstellbereiche und Operatoren-Anwendungsschwerpunkte S.132
- 8.2.4 Einfluss und Beurteilung der Fähigkeitsorientierung und der Kooperation bei der Entwicklung der Montageabläufe S.136
- 8.2.5 Entwicklung eines Montageablaufplans für die Mensch-Roboter-Kooperationszelle bezüglich { Cmax,Emax,F } S.141
- 8.3 Beurteilung der Ergebnisse S.143
9 Zusammenfassung und Ausblick S.145
10 Summary S.147
11 Literatur S.152