A Design Science Research Approach to Architecting and Developing Information Systems for Collaborative Manufacturing : A Case for Human-Robot Collaboration
David, Joe (2023)
David, Joe
Tampere University
2023
Teknisten tieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2023-09-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3064-4
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3064-4
Tiivistelmä
Konseptointi- ja suunnitteluvaiheessa sekä valmistuksen, käytön ja kehitysprosessin aikana syntyy tietoa, jonka hyödyntämisessä on valtavaa potentiaalia liike-elämän ja tuotantoprosessien muuttamiseen. Neljännen teollisen vallankumouksen ytimessä oleva digitaalinen muutos tunnistaa tämän painottaen erityisesti tämän tiedon yhdistämistä toimintojen ja järjestelmien tukemiseksi läpi tuotteen elinkaareen, mitä kutsutaan digitaaliseksi säikeen kehykseksi (digital thread framework). Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää ja käyttää yhtä tällaista viitekehystä ihmisen ja robotin yhteistoiminnan asiayhteydessä. Tämä kehys pyrkii vastaamaan merkittävään ongelmaan, joka liittyy mukautuvuuden ja joustavuuden abstrakteihin ominaisuuksiin. Nykyiset ihmisen ja robotin yhteistyöjärjestelmät (human-robot collaboration (HRC)) on rakennettu pääasiassa pysyviksi järjestelmiksi, jotka sivuuttavat ihmisten intuitiivisen toiminnan asettamalla heidän roolinsa yhteistyötehtävissä etukäteen määritellyiksi. Lisäksi järjestelmien kyky vaihtaa tuotteesta toiseen on rajoittunutta. Tämä on erityisen ongelmallista nykyisellä laajan tuotevalikoiman aikakaudella, joka johtuu asiakkaiden räätälöidyistä vaatimuksista.
Tähän taustaan vastaten, tämä väitöskirja käyttää design science research methodology -menetelmää suunnitellakseen, kehittääkseen ja ottaakseen käyttöön kolme pääasiallista artefaktia ihmisen ja robotin yhteistyösolussa laboratorioympäristössä. Ensimmäinen on digitaalisen säikeen kehys (digital thread framework), joka integroi tuotesuunnitteluympäristön toimijaksi monitoimijajärjestelmään käyttäen uusimpia tietoon perustuvia suunnittelujärjestelmiä, mikä tarjoaa prosessin toimijoille pääsyn tuotesuunnittelumalleihin reaaliajassa. Toinen on lisätyn todellisuuden malli, joka tarjoaa rajapinnan kokoonpanotehtävässä yhteistyöhön osallistuvan ihmisoperaattorin ja edellä mainitun kehyksen välille. Kolmas on tukitietomalli, jota yhteistyötä tekevät toimijat käyttävät tietopohjanaan täyttääkseen yhteistyössä tapahtuvan kokoonpanon tavoitteet mukautuvasti.
Näitä kehitettyjä artefakteja käytettiin kokonaisuutena tapaustutkimuksissa, jotka liittyivät aidon dieselmoottorin kokoonpanoon, ja joissa todennettiin niiden hyödyllisyys ja että ne lisäävät joustavuutta, jota varten kehys (framework) suunniteltiin. Rajauslaatikoiden näyttäminen skaalautuvana informaationa, joka hahmottaa alikokoonpanon osien geometriaa, demostroi kehitettyjen artefaktien käytettävyyttä yhteistyötä tekevien toimijoiden aikomuksia heijastavien laajennetun todellisuuden projektioiden tuottamiseksi.
Yhteenvetona tämän väitöskirjan tuloksena syntyi lähestymistapa älykkään ja mukautuvan robotiikan toteuttamiseksi hyödyntäen tietovirtoja ja mallinnusta ihmisen ja robotin yhteistoiminnan kontekstissa. Teollisuuden raportoima älykkäästi mukautuvien HRC-järjestelmien puute taas toimi osaltaan motivaationa tähän väitöskirjassa tehtyyn työhön. Kun tulevaisuuden tuotteet ja tuotantojärjestelmät muuttuvat monimutkaisemmiksi, tietojärjestelmiltä odotetaan suurempaa vastuuta korvaamaan ihmisen työmuistin luontaiset rajat ja mahdollistamaan siirtyminen kohti ihmiskeskeistä valmistusta, joihin viitataan termeillä Operator 4.0 ja Industry 5.0. Näin ollen on odotettavissa, että tietojärjestelmien tutkimus, kuten tämä väitöskirja, voi auttaa ottamaan merkittäviä askeleita tähän suuntaan.
Tähän taustaan vastaten, tämä väitöskirja käyttää design science research methodology -menetelmää suunnitellakseen, kehittääkseen ja ottaakseen käyttöön kolme pääasiallista artefaktia ihmisen ja robotin yhteistyösolussa laboratorioympäristössä. Ensimmäinen on digitaalisen säikeen kehys (digital thread framework), joka integroi tuotesuunnitteluympäristön toimijaksi monitoimijajärjestelmään käyttäen uusimpia tietoon perustuvia suunnittelujärjestelmiä, mikä tarjoaa prosessin toimijoille pääsyn tuotesuunnittelumalleihin reaaliajassa. Toinen on lisätyn todellisuuden malli, joka tarjoaa rajapinnan kokoonpanotehtävässä yhteistyöhön osallistuvan ihmisoperaattorin ja edellä mainitun kehyksen välille. Kolmas on tukitietomalli, jota yhteistyötä tekevät toimijat käyttävät tietopohjanaan täyttääkseen yhteistyössä tapahtuvan kokoonpanon tavoitteet mukautuvasti.
Näitä kehitettyjä artefakteja käytettiin kokonaisuutena tapaustutkimuksissa, jotka liittyivät aidon dieselmoottorin kokoonpanoon, ja joissa todennettiin niiden hyödyllisyys ja että ne lisäävät joustavuutta, jota varten kehys (framework) suunniteltiin. Rajauslaatikoiden näyttäminen skaalautuvana informaationa, joka hahmottaa alikokoonpanon osien geometriaa, demostroi kehitettyjen artefaktien käytettävyyttä yhteistyötä tekevien toimijoiden aikomuksia heijastavien laajennetun todellisuuden projektioiden tuottamiseksi.
Yhteenvetona tämän väitöskirjan tuloksena syntyi lähestymistapa älykkään ja mukautuvan robotiikan toteuttamiseksi hyödyntäen tietovirtoja ja mallinnusta ihmisen ja robotin yhteistoiminnan kontekstissa. Teollisuuden raportoima älykkäästi mukautuvien HRC-järjestelmien puute taas toimi osaltaan motivaationa tähän väitöskirjassa tehtyyn työhön. Kun tulevaisuuden tuotteet ja tuotantojärjestelmät muuttuvat monimutkaisemmiksi, tietojärjestelmiltä odotetaan suurempaa vastuuta korvaamaan ihmisen työmuistin luontaiset rajat ja mahdollistamaan siirtyminen kohti ihmiskeskeistä valmistusta, joihin viitataan termeillä Operator 4.0 ja Industry 5.0. Näin ollen on odotettavissa, että tietojärjestelmien tutkimus, kuten tämä väitöskirja, voi auttaa ottamaan merkittäviä askeleita tähän suuntaan.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4943]