23 research outputs found

    Flexible Automation and Intelligent Manufacturing: The Human-Data-Technology Nexus

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    This is an open access book. It gathers the first volume of the proceedings of the 31st edition of the International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing, FAIM 2022, held on June 19 – 23, 2022, in Detroit, Michigan, USA. Covering four thematic areas including Manufacturing Processes, Machine Tools, Manufacturing Systems, and Enabling Technologies, it reports on advanced manufacturing processes, and innovative materials for 3D printing, applications of machine learning, artificial intelligence and mixed reality in various production sectors, as well as important issues in human-robot collaboration, including methods for improving safety. Contributions also cover strategies to improve quality control, supply chain management and training in the manufacturing industry, and methods supporting circular supply chain and sustainable manufacturing. All in all, this book provides academicians, engineers and professionals with extensive information on both scientific and industrial advances in the converging fields of manufacturing, production, and automation

    The Evolution of Smart Buildings: An Industrial Perspective of the Development of Smart Buildings in the 2010s

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    Over the course of the 2010s, specialist research bodies have failed to provide a holistic view of the changes in the prominent reason (as driven by industry) for creating a smart building. Over the 2010s, research tended to focus on remaining deeply involved in only single issues or value drivers. Through an analysis of the author’s peer reviewed and published works (book chapters, articles, essays and podcasts), supplemented with additional contextual academic literature, a model for how the key drivers for creating a smart building have evolved in industry during the 2010s is presented. The critical research commentary within this thesis, tracks the incremental advances of technology and their application to the built environment via academic movements, industrial shifts, or the author’s personal contributions. This thesis has found that it is demonstrable, through the chronology and publication dates of the included research papers, that as the financial cost and complexity of sensors and cloud computing reduced, smart buildings became increasingly prevalent. Initially, sustainability was the primary focus with the use of HVAC analytics and advanced metering in the early 2010s. The middle of the decade saw an economic transformation of the commercial office sector and the driver for creating a smart building was concerned with delivering flexible yet quantifiably used space. Driven by society’s emphasis on health, wellbeing and productivity, smart buildings pivoted their focus towards the end of the 2010s. Smart building technologies were required to demonstrate the impacts of architecture on the human. This research has evidenced that smart buildings use data to improve performance in sustainability, in space usage or for humancentric outcomes

    The Digital Transformation of Logistics from a Human-Centred Perspective

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    Die vorliegende kumulative Dissertation befasst sich mit der digitalen Transformation in der Logistik unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen des Transformationsprozesses auf die Beschäftigten in dieser Branche. Ziel der kumulativen Dissertation ist es, ein tiefergehendes Verständnis der Entwicklungen zu bekommen, die unter dem Begriff Logistik 4.0 verstanden werden können und zu untersuchen, welche Auswirkungen dies für die zukünftige Arbeit in der Logistik, insbesondere im Lager, haben wird. Die kumulative Dissertation besteht aus fünf Artikeln, die in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht bzw. eingereicht wurden und kann grob in drei Teile untergliedert werden: Im ersten Teil der kumulativen Dissertation, der aus dem ersten Artikel besteht, wird der inhaltliche Kern, Logistik 4.0, aufbauend auf dem Begriff und der Forschung zum Thema Industrie 4.0 definiert und auf breiter Basis der aktuelle Forschungsstand dargestellt. Dies bildet die inhaltliche und thematische Grundlage für die nachfolgenden Untersuchungen. Der zweite Teil der kumulativen Dissertation fokussiert auf empirische Grundlagen und einen methodischen Beitrag zur Untersuchung der Menschen-zentrierten Gestaltung der Logistik 4.0, indem zunächst die Auswirkungen der Entwicklung zur Logistik 4.0 auf die Beschäftigten in der Intralogistik, genauer auf ihre Arbeitsplatzmerkmale, untersucht werden. Dies dient dazu, die konkret wahrgenommenen Veränderungen zu erfassen, die Bedeutung des Transformationsprozesses zu verifizieren und den Einfluss seiner technischen Bestandteile auf die Veränderungen der Arbeitsplatzmerkmale zu analysieren. Wenngleich in diesem zweiten Artikel der kumulativen Dissertation deutliche Veränderungen der Arbeitsplatzmerkmale in der Logistik 4.0 aufgezeigt werden konnten, zeigte eine quantitative Analyse von Forschungsarbeiten im dritten Artikel dieser kumulativen Dissertation auf, dass die Forschung sich bei der Gestaltung von Industrie 4.0 auf technische Änderungen fokussiert. Daher wird abschließend im dritten Kapitel ein allgemein anwendbares, theoriebasiertes, systematisches Analysewerkzeug entwickelt, das es ermöglicht, die Auswirkungen der Einführung von Industrie 4.0 und Logistik 4.0 Elementen auf die involvierten Menschen zu untersuchen und die möglichen Folgen für das Gesamtsystem zu antizipieren. Im abschließenden dritten Teil dieser kumulativen Dissertation erfolgt ein genauerer Blick auf die Auswirkungen der Entwicklung zur Logistik 4.0 auf die Kommissionierung als einen zentralen, zumeist arbeitsintensiven Prozess in der logistischen Kette. In Artikel 4 wird daher zunächst das Feld einer Kommissionierung 4.0 strukturiert, um darauf aufbauend zu untersuchen, welche technischen und prozessualen Lösungen die Wissenschaft für eine gleichermaßen menschengerechte und ökonomische Kommissionierung unter den sich wandelnden Anforderungen betrachtet hat. Es zeigt sich, dass ein aus ökonomischer und sozialer Perspektive vielversprechendes Kommissioniersystem, die hybride Kommissionierung, bislang kaum untersucht wurde. Dies erfolgt daher im abschließenden fünften Artikel dieser kumulativen Dissertation, in dem ein Beispiel für ein kollaboratives, hybrides Kommissioniersystem untersucht wird, in dem Menschen und autonome Roboter gemeinsam im selben Lagerbereich Aufträge kommissionieren. Die Artikel greifen zur Untersuchung der Themenschwerpunkte auf verschiedene Methoden unterschiedlicher Disziplinen zurück und stützen sich auf ein breites theoretisches Fundament. Methodisch wird in Artikel 1, der die konzeptionelle Grundlage der Logistik 4.0 behandelt, zunächst ein konzeptioneller Ordnungsrahmen entwickelt, mit dem der Begriff und die Bestandteile des Konzepts Logistik 4.0 abgeleitet werden. Hierbei werden insbesondere zwei Einflussfaktoren berücksichtigt: Neue Anforderungen an die Logistik sowie neue technologische Möglichkeiten. Anschließend wird mittels eines systematischen Literaturüberblicks der aktuelle Stand der Forschung zu Logistik 4.0 strukturiert untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf den technologischen Anwendungen in der Logistik und wie diese die Logistik verändern. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden der Ordnungsrahmen zu Logistik 4.0 detailliert und zukünftige Forschungsperspektiven herausgearbeitet – es wird gezeigt, dass die Auswirkungen der Transformation auf menschliche Faktoren nur in geringem Maße in der analysierten Literatur diskutiert wurden. Im methodischen Fokus von Artikel 2 der vorliegenden kumulativen Dissertation steht daher die Durchführung und Auswertung von teil-strukturierten Interviews, die mit Beschäftigten aus sieben Unternehmen geführt wurden, um die Ausprägungen und Zusammenhänge zwischen Arbeitsplatzmerkmalen und der Intralogistik 4.0-Reife zu untersuchen. Auf der Grundlage des Work Design Questionnaire wurden die Interviews in Bezug auf 21 Arbeitsplatzmerkmale mit 16 Angestellten in der Intralogistik geführt und zusätzlich die Intralogistik 4.0 Reife der Arbeitsplätze bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass Logistik 4.0 signifikanten Einfluss auf die Arbeitsplatzmerkmale hat und die Effekte sowohl positiv als auch negativ in Bezug auf Arbeitszufriedenheit und Motivation sein können. Im Wesentlichen ist die Art und Intensität des Einflusses in den zumeist manuellen Prozessen abhängig von der Art der genutzten Technologien, Automatisierung oder Digitalisierung. In Artikel 3 wird zunächst eine quantitative Inhaltsanalyse durchgeführt, in der die Themenschwerpunkte bisheriger Forschung zu Industrie 4.0 nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar unterschiedliche Rollen von Menschen identifiziert werden, menschliche Faktoren im Vergleich zu technischen Faktoren jedoch eine deutlich untergeordnete Rolle in der Forschung erhalten. Anschließend wird auf Basis von fünf Theorie-Bausteinen ein methodisches Vorgehensmodell zur Analyse der Einflüsse von Industrie 4.0-induzierten Änderungen auf ein bestehendes Arbeitssystems abgeleitet. Anhand zweier Beispiele wird die Methodik veranschaulicht und die Praxistauglichkeit exemplarisch aufgezeigt. Artikel 4 und 5 fokussieren daraufhin den Kommissionierprozess im Zusammenhang mit Logistik 4.0 und untersuchen zunächst in Artikel 4 mittels eines konzeptionellen Ordnungsrahmens und eines systematischen Literaturüberblicks den aktuellen Stand der Forschung in diesem Bereich. Der Ordnungsrahmen unterscheidet nach substituierenden technischen Systemen im Kommissionierprozess und unterstützenden Technologien und stuft diese qualitativ basierend auf dem Grad der Automatisierung ab. Darauf aufbauend werden vier verschiedene Kommissioniersysteme klassifiziert und drei von ihnen in einem systematischen Literaturüberblick analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Unterrepräsentierung hybrider Kommissioniersysteme, obwohl diese aus einer soziotechnischen Perspektive vielversprechende Möglichkeiten bieten. Hierauf aufbauend wird in Artikel 5 ein hybrides Kommissioniersystem bestehend aus menschlichen Kommissionierern und Kommissionierrobotern, die innerhalb eines Arbeitsbereichs kommissionieren, abgeleitet, das aufbauend auf den ökonomischen und sozialen Zielen vielversprechend erscheint. In einer agentenbasierten Simulationsstudie – die besonders geeignet ist um das Verhalten eines Systems basierend auf den Interaktionen verschiedener Akteure aufgrund individueller Verhaltensregeln zu analysieren - werden die Interaktion der technischen und menschlichen Teilsysteme untersucht und der Einfluss von Routenstrategien genauer betrachtet. In einer kritischen Diskussion der Annahmen des idealisierten Systems der Simulationsstudie wird aufgezeigt, dass hybride Systeme vielversprechende Ergebnisse für reale Anwendungen darstellen und geeignet sind, sowohl die Systemeffizienz, als auch die Arbeit der menschlichen Kommissionierer zu verbessern

    Smart working technologies in industry 4.0 : contributions to different manufacturing activities and workers’ skills

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    A Indústria 4.0 é considerada a quarta revolução industrial porque utiliza uma ampla integração de tecnologias de informação e de operação na fabricação industrial. Apesar dessa perspectiva tecnológica, diversos estudos vêm evidenciando a importância de considerar o fator humano para o desenvolvimento de um sistema de manufatura inteligente. Nesse sentido, a dimensão denominada como Smart Working precisa ser melhor investigada, uma vez que entender como as tecnologias afetam os trabalhadores e as habilidades desses são cruciais para o bom desempenho das fábricas. Em razão disso, o objetivo desta dissertação foi entender como as Smart Working Technologies (SWT) podem contribuir para as atividades e as habilidades dos trabalhadores da manufatura. Para tanto, primeiramente foi realizada uma análise abrangente da literatura para identificar as SWT e seus impactos nas capacidades dos trabalhadores em suas atividades de manufatura. Deste modo, foram analisados 80 artigos que relacionam as SWT em oito atividades de manufatura. Posteriormente, foi selecionada uma das SWT mais relevantes conforme a literatura, os robôs colaborativos, para identificar os efeitos das tecnologias nas habilidades dos trabalhadores. Deste modo, foram analisados 138 casos de aplicação reportados por uma das empresas fornecedoras líderes mundiais, bem como três entrevistas com empresas adotantes da tecnologia. Os resultados apontam que existem 15 SWT que podem ser implementadas nas atividades de manufatura e relacionadas às capacidades dos trabalhadores. Além disso, os resultados também apontam que podem existir quatro efeitos das SWT nas habilidades dos trabalhadores. Estes achados demonstram que de acordo com a estratégia da empresa uma SWT pode impactar de diferentes formas os trabalhadores.Industry 4.0 is considered the fourth industrial revolution because it uses a broad integration of information and operating technologies in industrial manufacturing. Despite this technological perspective, several studies have highlighted the importance of considering the human factor to develop a smart manufacturing system. In this sense, the Smart Working dimension needs to be further investigated since understanding how technologies affect workers and their skills are crucial for factories' good performance. Therefore, the objective of this dissertation was to understand how Smart Working Technologies (SWT) can contribute to the activities and skills of manufacturing workers. To this end, firstly a systematic literature review was carried out to identify SWTs and their impacts on workers' capabilities in their manufacturing activities. Thus, 80 articles relating to SWT in eight manufacturing activities were analyzed. Subsequently, one of the most relevant SWTs according to the literature, collaborative robots, was selected to identify the effects of technologies on workers' skills. In this way, 138 application cases reported by one of the world's leading supplier companies were analyzed, as well as three interviews with companies that adopted the technology. The results show that there are 15 SWT that can be implemented in manufacturing activities and related to workers' capabilities. In addition, the results also point out that there may be four effects of SWT on workers' skills. According to the company's strategy, these findings demonstrate that an SWT can impact workers in different ways

    Learning-based robotic manipulation for dynamic object handling : a thesis presented in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Mechatronic Engineering at the School of Food and Advanced Technology, Massey University, Turitea Campus, Palmerston North, New Zealand

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    Figures are re-used in this thesis with permission of their respective publishers or under a Creative Commons licence.Recent trends have shown that the lifecycles and production volumes of modern products are shortening. Consequently, many manufacturers subject to frequent change prefer flexible and reconfigurable production systems. Such schemes are often achieved by means of manual assembly, as conventional automated systems are perceived as lacking flexibility. Production lines that incorporate human workers are particularly common within consumer electronics and small appliances. Artificial intelligence (AI) is a possible avenue to achieve smart robotic automation in this context. In this research it is argued that a robust, autonomous object handling process plays a crucial role in future manufacturing systems that incorporate robotics—key to further closing the gap between manual and fully automated production. Novel object grasping is a difficult task, confounded by many factors including object geometry, weight distribution, friction coefficients and deformation characteristics. Sensing and actuation accuracy can also significantly impact manipulation quality. Another challenge is understanding the relationship between these factors, a specific grasping strategy, the robotic arm and the employed end-effector. Manipulation has been a central research topic within robotics for many years. Some works focus on design, i.e. specifying a gripper-object interface such that the effects of imprecise gripper placement and other confounding control-related factors are mitigated. Many universal robotic gripper designs have been considered, including 3-fingered gripper designs, anthropomorphic grippers, granular jamming end-effectors and underactuated mechanisms. While such approaches have maintained some interest, contemporary works predominantly utilise machine learning in conjunction with imaging technologies and generic force-closure end-effectors. Neural networks that utilise supervised and unsupervised learning schemes with an RGB or RGB-D input make up the bulk of publications within this field. Though many solutions have been studied, automatically generating a robust grasp configuration for objects not known a priori, remains an open-ended problem. An element of this issue relates to a lack of objective performance metrics to quantify the effectiveness of a solution—which has traditionally driven the direction of community focus by highlighting gaps in the state-of-the-art. This research employs monocular vision and deep learning to generate—and select from—a set of hypothesis grasps. A significant portion of this research relates to the process by which a final grasp is selected. Grasp synthesis is achieved by sampling the workspace using convolutional neural networks trained to recognise prospective grasp areas. Each potential pose is evaluated by the proposed method in conjunction with other input modalities—such as load-cells and an alternate perspective. To overcome human bias and build upon traditional metrics, scores are established to objectively quantify the quality of an executed grasp trial. Learning frameworks that aim to maximise for these scores are employed in the selection process to improve performance. The proposed methodology and associated metrics are empirically evaluated. A physical prototype system was constructed, employing a Dobot Magician robotic manipulator, vision enclosure, imaging system, conveyor, sensing unit and control system. Over 4,000 trials were conducted utilising 100 objects. Experimentation showed that robotic manipulation quality could be improved by 10.3% when selecting to optimise for the proposed metrics—quantified by a metric related to translational error. Trials further demonstrated a grasp success rate of 99.3% for known objects and 98.9% for objects for which a priori information is unavailable. For unknown objects, this equated to an improvement of approximately 10% relative to other similar methodologies in literature. A 5.3% reduction in grasp rate was observed when removing the metrics as selection criteria for the prototype system. The system operated at approximately 1 Hz when contemporary hardware was employed. Experimentation demonstrated that selecting a grasp pose based on the proposed metrics improved grasp rates by up to 4.6% for known objects and 2.5% for unknown objects—compared to selecting for grasp rate alone. This project was sponsored by the Richard and Mary Earle Technology Trust, the Ken and Elizabeth Powell Bursary and the Massey University Foundation. Without the financial support provided by these entities, it would not have been possible to construct the physical robotic system used for testing and experimentation. This research adds to the field of robotic manipulation, contributing to topics on grasp-induced error analysis, post-grasp error minimisation, grasp synthesis framework design and general grasp synthesis. Three journal publications and one IEEE Xplore paper have been published as a result of this research

    Bewegungsregelung mobiler Manipulatoren für die Mensch-Roboter-Interaktion mittels kartesischer modellprädiktiver Regelung

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    Für die Mensch-Roboter-Interaktion wird in dieser Arbeit eine Methode zur Überwachung der komplexen, dynamischen Roboterumgebung vorgestellt. Die Roboterbewegung wird basierend auf dem Konzept der modellprädiktiven Regelung unter Berücksichtigung der detektierten Hindernisse und der stattfindenden Kontakte des Roboters mit seiner Umgebung geregelt, um Kollisionen zu vermeiden und angemessen auf Kontakte zu reagieren. Die Ansätze werden auf einem mobilen Manipulator validiert
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