Konzept eines digitalen Zwillings einer Mensch-Roboter Kollaboration – Simulation und Vergleich eines Arbeitsprozesses

Abstract

In dieser Arbeit wird die Eignung von Prozess-Simulationen vor und nach der physischen Implementierung einer Mensch Roboter Kollaboration (MRK) Anwendung überprüft. Dafür wird ein eigens entwickeltes Digital-Twin (DT)-Modell vorgestellt, das als Grundlage für die Überprüfung dient. Als DT werden digitale Abbildungen physischer Prozess bezeichnet, welche eine Verbindung zwischen physischen und digitalen Objekten etablieren. Durch die immer engere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter wird die Abbildung realer Produktionsprozesse, beispielsweise über DT, notwendig, um die Sicherheit, Ergonomie und Effizienz zu beurteilen. Während im Bereich der Automatisierungstechnik DT bereits vermehrt eingesetzt werden, befinden sich Modelle für MRK Anwendungen, aufgrund der Einbindung des menschlichen Verhaltens, oft noch in der Konzeptphase. Die MRK kann den Automatisierungsgrad in Bereichen erhöhen, die traditioneller Robotik nicht zugänglich war, beispielsweise bei Montageprozessen. Diese flexiblen und komplizierten Herstellungsprozesse fordern eine Integration von intelligenter Sensorik, um eine sichere und effiziente Zusammenarbeit zu gewährleisten. Dazu werden Sensordaten welche nahezu in Echtzeit in den Prozessablauf einfließen notwendig. Das eigene DT-Modell wird an einem industriellen Fallbeispiel erprobt. Zuerst wird eine DT-Simulation erstellt, welche dann in der realen Umgebung nachgebaut wird. Diese Gegenüberstellung ermöglicht die Ausarbeitung etwaiger Abweichungen zwischen dem Simulations- Umfeld und dem realen Aufbau in Bezug auf die Faktoren Sicherheit, Effizienz und Ergonomie. Es wird gezeigt, ob die zweitseitige Datenanbindung, zwischen physischer Anwendung und Simulation, welche einen DT definiert, ausreichend präzise funktioniert, um die Kombination von DT mit MRK zu rechtfertigen. Die Implementierung der Prozesse hat gezeigt, dass der Begriff DT den derzeitigen Stand der Datenströme nicht widerspiegelt, da die Implementierung von beidseitigen Verbindungen begrenzt ist. In Bezug auf das Prozesslayout und die Prozessoptimierung hat sich DT als vorteilhaft erwiesen. Die Umsetzung bestehender Design- und Layout- Richtlinien erlaubt die Entwicklung eines fortgeschrittenen HRC-Prozesses. Diese Arbeit trägt zur Validierung der beidseitigen Datenströmen, welche charakteristisch für DT-Anwendungen sind, bei und legt die Abweichungen der Übertragung dar.

In this thesis, the implementation of process simulations before and after the physical implementation of a human robot collaboration application is evaluated. Therefore, an self-designed Digital Twin (DT) model is presented, which serves as the foundation of the review. DT refers to digital representations of physical processes that establish a connection between physical and digital objects. As humans and robots are working ever closer together, the mapping of real production processes, for example through DT, to assess safety, ergonomics and efficiency, are becoming more relevant. While DTs are already increasingly implemented in the field of automation, models for HRC applications are often still stuck in the concept phase, due to incorporation of human behaviour. With the right implementation, HRC can increase the level of automation infields that were inaccessible to traditional robotics, such as assembly processes. These flexible and complicated manufacturing processes require the integration of intelligent sensor technology to ensure safe and efficient collaboration. Therefore sensor-data has to be generated and processed throughout the process flow in real time. The self-designed DT -model will be tested in an industrial case study. The DT simulation is created first and replicates the real environment. Afterwards a comparison between real environment and the simulation, enables the elaboration of possible deviations, with respect to the factor’s safety, efficiency and ergonomics. It will be shown whether the two-way data link, between physical application and simulation, which is the core of a DT, is sufficiently accurate to claim a symbiotic combination of DT with HRC. The process implementation has revealed that the term DT does not accurately reflect the state of the data streams as options for two-sided links are limited. In terms of process layout and process optimization, DT has proven to be beneficial. Following the implementation of existing design and layout paradigms to develop an advanced HRC process, this work contributes by validating the presence of two-sided data streams, which are characteristic of DT applications.