TeMA: A Tensorial Memetic Algorithm for Many-Objective Parallel Disassembly Sequence Planning in Product Refurbishment

The refurbishment market is rich in opportunities—the global refurbished smartphones market alone will be $38.9 billion by 2025. Refurbishing a product involves disassembling it to test the key parts and replacing those that are defective or worn. This restores the product to like-new conditions, so that it can be put on the market again at a lower price. Making this process quick and efficient is crucial. This paper presents a novel formulation of parallel disassembly problem that maximizes the degree of parallelism, the level of ergonomics, and how the workers' workload is balanced, while minimizing the disassembly time and the number of times the product has to be rotated. The problem is solved using the Tensorial Memetic Algorithm (TeMA), a novel two-stage many-objective (MaO) algorithm, which encodes parallel disassembly plans by using third-order tensors. TeMA first splits the objectives into primary and secondary on the basis of a decision-maker's preferences, and then finds Pareto-optimal compromises (seeds) of the primary objectives. In the second stage, TeMA performs a fine-grained local search that explores the objective space regions around the seeds, to improve the secondary objectives. TeMA was tested on two real-world refurbishment processes involving a smartphone and a washing machine. The experiments showed that, on average, TeMA is statistically more accurate than various efficient MaO algorithms in the decision-maker's area of preference

Konzeption und Entwicklung eines Robot Cognition Processors für adaptive Demontageanwendungen

Im Rahmen der perspektivischen Einführung einer Kreislaufwirtschaft sind ökonomische und ökologische Aspekte entscheidend für die Attraktivität der Umsetzung in beteiligten Wirtschaftsunternehmen. Die Demontage stellt innerhalb von Verwertungsprozessen in diesen Konzepten einen wichtigen Schritt dar, der aufgrund von hoher Varianten- und Zustandsvielfalt überwiegend manuell ausgeführt wird. Diese Forschungsarbeit untersucht die Möglichkeiten der nachhaltigen Verbesserung des Demontageprozesses durch selektive (Teil-)Automatisierung mit Hilfe eines Konzeptes aus dem Bereich der kognitiven Robotik. Es wird dabei auf Grundlage der Anforderungen aus realen Demontageprozessen ein System entwickelt, das in einer agentenbasierten Modulstruktur die Funktionsumfänge bietet, die für eine autonome, flexible Demontageplanung unter Berücksichtigung von Produkt- und Lebenszyklusdaten erforderlich sind und die effiziente Ausführung der Demontageoperationen im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration erlauben. Grundlage für die entwickelten Module stellt ein standardisiertes Informationsmanagement-Konzept dar, welches die Anlagenebene der Demontage technisch mit allen beteiligten Stakeholdern der zirkulären Wertschöpfungskette verknüpft. Mit Hilfe von Industrie 4.0 Technologien, wie beispielsweise dem Einsatz von KI-unterstützten Entscheidungssystemen oder einer intelligenten Bilderkennungseinheit können so produktindividuelle Verwertungsszenarien innerhalb der Kreislaufwirtschaft bestimmt werden, welche die Schlüsselposition der Demontage am Beginn der zirkulären Wertschöpfungskette bestmöglich nutzen. Die Untersuchungen des Systemkonzeptes am Beispiel der Moduldemontage von Elektrofahrzeug-Batterien zeigen, dass mit dem entwickelten Konzept eine Verbesserung gegenüber manueller Demontageoperationen erzielt werden kann. Die Verknüpfung der Systemeinheiten lässt sich durch die verwendeten Interoperabilitätsstandards skalieren und erlaubt so auch den industriellen Einsatz. Durch bidirektionale Kommunikationsstrukturen wird gezeigt, dass es möglich ist validierte Prozessinformationen aus einer Demontageeinheit an anderen Stellen zu nutzen. Dies reduziert den effektiven Aufwand im Umgang mit einer hohen Variantenvielfalt. Die Verwendung der entwickelten Modulkonzepte ist grundsätzlich auch in angrenzenden Feldern möglich, erfordert jedoch weitere Entwicklungs- und Abstimmungsarbeit. Aus den Ergebnissen dieser Konzeptentwicklung folgen zahlreiche Weiterentwicklungs- und Anwendungspotenziale für Robotiksysteme im Bereich der kreislaufwirtschaftlichen Verwertungsprozesse. Vor dem Hintergrund der Notwendigkeit der Rückgewinnung kritischer Elemente und einer effizienten Ressourcennutzung durch höherwertige (Teil-)Nutzungs- und Verwertungsoptionen, ist der Einsatz hierauf aufbauender Konzepte eine lohnenswerte Zukunftsperspektive.In the pursuance of a Circular Economy, both economic and ecological aspects are crucial for the implementation in private companies. The disassembly process itself is a very important step in end-oflife utilization and because of the high variance of products and their conditions it is mainly carried out manually. This work investigates the possibilities of a sustainable improvement of such processes by selective automation with cognitive robotics. Based on requirements of real disassembly cases, a robot system is conceptualized and developed which is able to facilitate an autonomous, flexible disassembly planning while taking both product and lifecycle data into account. Furthermore, the execution of the disassembly process in the concept is carried out as a human-machine-collaboration. The overall foundation of the system is an information management concept which connects shopfloor level disassembly with all stakeholders within the circular value chain. Using Industry 4.0 technologies, for instance AI decision systems or an intelligent image recognition, part-individual utilization scenarios can be defined this way. The investigation of the system concept on the case study of module disassembly of electric vehicle batteries shows that automation is both more effective and efficient in comparison to manual operations. Interfaces are highly scalable because of the interoperability standards used, preparing the concept to be implemented in industry. Moreover, bidirectional communication pipelines enable the exchange of valid process knowledge between several stakeholders, reducing the effort of dealing with a high variance of products and conditions. Transfer of the concept to other fields of industry or recycling operations is possible but requires further development for the actual use case. Conclusively, the concept developed opens up a manifold of different application scenarios for cognitive robotics in the Circular Economy domain. Keeping the necessity of recovering critical elements and the reuse of valuable components in mind, an implementation of future concepts based on this approach is a perspective worthwhile