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Open Access
Automatische Beurteilung situationsbezogener Risiken von mobilen Industrierobotern
(2024) Müller, Manuel Sebastian; Weyrich, Michael (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Mobile Industrieroboter werden wegen ihrer Flexibilität immer wichtiger. Sie können in zunehmend komplexen und unstrukturierten Umgebungen eigenständig ihren Weg zum Ziel finden. Die Herausforderung liegt in der Gewährleistung der Sicherheit (Safety). Um die Safety zu gewährleisten, werden in klassischen Risikobeurteilungsansätzen zur Entwurfszeit pauschale Worst-Case-Annahmen getroffen. Die verwendeten Modelle sind oft vage und unsicherheitsbehaftet, weil die Information zur konkreten Situation mit ihren Randbedingungen fehlt. Sie machen die Systeme zwar sicher aber unzuverlässig und ineffizient. Umständliche Trajektorien, Standzeiten und Ausfallzeiten sind die Folge. Besser wäre es daher, die Risiken der mobilen Industrieroboter aus der Situation heraus zu beurteilen und dafür Sorge zu tragen, dass die zugrunde liegenden Modelle stets das System und seine Umgebung zutreffend beschreiben. Dann könnte der mobile Roboter fallspezifisch zwischen Nutzen und Risiko abwägen. Die Ziele dieser Arbeit sind daher, unter Berücksichtigung der aktuellen Situation potentielle Schadensszenarien zu identifizieren und jeweils Schaden und Auftrittswahrscheinlichkeit abzuschätzen. Außerdem soll dafür Sorge getragen werden, dass die zugrunde liegenden Modelle stets das System und seine Umgebung zutreffend beschreiben. Um diese Ziele zu erreichen, wird eine Methodik zur situationsbezogenen Risikobeurteilung für mobile Industrieroboter vorgestellt. Dazu wird das Konzept des digitalen Zwillings für die Risikoschätzung adaptiert und um Situation Awareness erweitert. Aus kleinen Metamodellen, die anhand von Umgebungsmerkmalen ausgewählt und parametriert werden, wird ein Gesamtmodell zusammengesetzt. Abweichungen von der erwarteten Vorhersagequalität werden erkannt und auf Bereiche eingegrenzt, in denen die Modelle an ihre Grenzen stoßen. Dies ermöglicht eine gezielte Anpassung an die Umgebung und eine automatisierte Verbesserung der Situation Awareness. Aufbauend auf einer derartigen Modellbasis werden mit Hilfe von Multi Agent Adversarial Reinforcement Learning Schadensszenarien aufgedeckt, wobei Agenten-Stereotypen auf Basis einer systemtheoretischen Prozessanalyse ausgewählt werden. Eine Kombination aus Ereignis-baum und Spielgraphen dient dazu, von den Schadensszenarien auf das Risiko zu schließen. Die Evaluation des situativen Risikos erfolgt für drei Anwendungsfälle: der Beherrschung von Teilausfällen, der Beherrschung von Anomalien und dem Umgang mit neuen Umgebungen. Diese werden zunächst auf einem mobilen Roboter realisiert und dann auf weitere Demonstratoren übertragen. Die Methode zeigt eine Verbesserung der Vorhersagequalität um bei gleichzeitiger Einsparung von 94 % der Trainingsdaten. Die situative Risikoschätzung halbiert den mittleren Schätzfehler gegenüber herkömmlichen Methoden von 18,3 % auf 8,6 %. So können bis zu 80 % der Stillstandkosten vermieden werden. Das Verfahren ist besser interpretierbar als klassische neuronale Netze und auf andere Demonstratoren übertragbar.
Open Access
Automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen für Digitale Zwillinge : neue Ansätze und Modelle am Beispiel der Vakuum-Handhabungstechnik
(2024) Stegmaier, Valentin; Weyrich, Michael (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Produktionsstandorte in Hochlohnregionen wie Europa oder Nordamerika geraten durch verschiedene Faktoren der Weltwirtschaft zunehmend unter Druck. Eine Möglichkeit, diesem Druck entgegenzuwirken und solche Produktionsstandorte weiterhin wirtschaftlich betreiben zu können, ist die zunehmende Automatisierung und Digitalisierung. Der Digitale Zwilling ist eine Schlüsselkomponente auf dem Weg zu digitalen und hochautomatisierten Produktionssystemen. Eine durchgängig verfügbare digitale Repräsentation physischer Assets kann Kosten und Zeit sparen, sowohl bei Design, Entwicklung und Inbetriebnahme als auch beim Betrieb von Produktionsanlagen. Dies gilt auch für Komponentenhersteller, die häufig hochspezialisierte Komponenten und Systeme für Produktionsanlagen entwickeln, herstellen und vertreiben. Für Komponentenhersteller sind dabei die Verhaltensmodelle in prozessrelevanter Modellierungstiefe aus dem Digitalen Zwilling von zentraler Bedeutung. Die Erstellung dieser Verhaltensmodelle ist jedoch sehr zeitintensiv und erfordert häufig die Expertise von langjährig ausgebildeten Simulationsexperten. Dies stellt eine wesentliche Hürde für den durchgängigen Einsatz von Verhaltensmodellen und Digitalen Zwillingen bei Komponentenherstellern dar. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines Konzepts zur durchgängig automatisierten Erstellung von Verhaltensmodellen für Komponenten und Systeme in prozessrelevanter Modellierungstiefe. Das entwickelte Konzept ermöglicht die automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen für Komponenten und Systeme auf Basis geeigneter Eingangsinformationen. Die Verhaltensmodelle können entweder sehr detailliert oder in einer geringeren Modellierungstiefe vollautomatisiert erstellt werden. Hierfür wird eine Verhaltensmodellbibliothek mit Verhaltensmodellen der relevanten Komponenten in großer Modellierungstiefe verwendet. Um die Erstellung dieser zu vereinfachen, wurde das Konzept um eine Möglichkeit zur assistierten Erstellung der Verhaltensmodellbibliothek aus Grundbausteinen erweitert. Die Strukturinformationen können aus verschiedenen Quellen stammen, einschließlich Fluidschaltplänen wahlweise in Papier- oder digitaler Form. Das Konzept wird zunächst in der Domäne Vakuum-Handhabungstechnik realisiert. Für eine vollständige Realisierung und Evaluierung des Konzepts sind Grundbausteine aller relevanten Komponenten der Domäne erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit werden die noch nicht verfügbaren Verhaltensmodelle der Basiskomponenten Vakuumerzeuger und Vakuumsauggreifer entwickelt und abschließend mit Messdaten evaluiert. Es konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem simulierten und gemessenen Verhalten der entwickelten Grundbausteine festgestellt werden. Die vorgestellten Artefakte des Konzepts werden in Form eines Assistenzsystems realisiert. Dieses ermöglicht die aufwandsarme Erstellung der Verhaltensmodellbibliothek sowie die automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen von Komponenten und Systemen in prozessrelevanter Modellierungstiefe. Zudem ermöglicht es die automatisierte Ausführung der Verhaltensmodelle. Eine Evaluierung konnte anhand von zwei Evaluierungsfällen aus der Vakuum-Handhabungstechnik durchgeführt werden, in denen Verhaltensmodelle unter anderem in der virtuelle Produktauslegung und Optimierung sowie für die virtuelle Inbetriebnahme genutzt werden, um bessere und effizientere Systeme kostengünstiger und schneller zu entwerfen. Die Ergebnisse zeigen, dass die automatisiert erstellten Verhaltensmodelle je nach Modellierungstiefe sehr genau mit den gemessenen Verläufen übereinstimmen. Um die Zeitersparnis zu quantifizieren, ist ein Experten-Benchmark auf Basis der Systeme der beiden Evaluierungsfälle durchgeführt worden. Verglichen mit den Zeiten zur Erstellung, Parametrierung und Abstraktion aus dem Experten-Benchmark ermöglich das Assistenzsystem eine Zeitersparnis von bis zu einem Faktor von 54.