Function-based cost estimation for service robot prototypes in early design phases

Abstract

Early cost estimation is a common prerequisite for the profitability assessment of the development of complex products. Thereby, the combination of numerous technical and economic factors poses a particular challenge for system developers when little more than the desired functionality of the product is known. In the field of service robotics, this issue is acerbated by the lack of empirical values and experience as the according technologies are comparatively novel. The presented work proposes an approach which facilitates the estimation process for various cost aggregates of service robot prototypes in early development phases. To this end, typical components and functionalities are structurally mapped and related to statistical cost models. Additionally, the presented approach offers the possibility of unit cost estimation for small lot sizes. Core elements of this work are the development of a design-structure-matrix for service robots and the modeling of hardwareand software costs. Robot functions mapped to hardware and software components via structure matrix facilitate the derivation of essential prototype parts from desired service robot capabilities. For hardware components, central characteristics serve as a basis for non-parametric regression derivation of individual cost models. For software components, the approach applies the principle of analogy-based estimation. To this end, several hundred modules of an existing open-source software framework for robots were analyzed and costs of their development and reuse deduced using heuristic data. The models' statistical foundation allow the calculation of expectation value, standard deviation and interquartile range and thus facilitate the assessment of the of estimation uncertainty. In order to support the estimation process a software application was developed. The approach was verified using to different datasets. On the one hand, estimations for robot prototypes outlined inthe EFFIROB study were calculated applying the proposed methodology and consecutively compared with the original estimates and assessed by experts. On the other hand, costs estimated for a built prototype, the corresponding original estimate as well as the actual costs were juxtaposed and critically reviewed by one of the developers involved in the prototype's development.

Die frühzeitige Kostenabschätzung ist häufig eine Voraussetzung, um bei der Entwicklung komplexer Produkte deren Wirtschaftlichkeit beurteilen zu können. Die Verknüpfung zahlreicher technischer und wirtschaftlicher Faktoren stellt dabei für Systementwickler insbesondere in sehr frühen Phasen eine Herausforderung dar, in denen nur wenig mehr als die gewünschte Funktionalität bekannt ist. Da die Servicerobotik im Vergleich zu anderen Technologien noch relativ jung ist, verschärft der Mangel an Erfahrungswerten diese Problematik für Serviceroboterprodukte. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgeschlagen, der durch strukturale Verknüpfung von typischen Serviceroboterkomponenten, -funktionalitäten und statistischen Kostenmodellen den Kosten-schätzungsprozess unterschiedlicher Kostenaggregatsstufen für Serviceroboter-Prototypen in frühen Entwicklungsphasen erleichtert. Zusätzlich ermöglicht diese Vorgehensweise die Abschätzung von Stückkosten für kleine Stückzahlen. Kernelemente der Arbeit sind die Entwicklung einer Design-Struktur-Matrix für Serviceroboter und die Modellierung von Hardware- und Softwarekosten. Mittels Strukturmatrix verknüpfte Roboterfunktionen sowie Hardware- und Softwarekomponenten ermöglichen die Ableitung der wesentlichen Bestandteile eines Prototyps aus gewünschten Fähigkeiten des Serviceroboters. Für Hardwarekomponenten wurden basierend auf zentralen Eigenschaften mittels nichtparametrischer Regression individuelle Kostenmodelle erstellt. Für Softwarekomponenten bedient sich der Ansatz der analogiebasierten Aufwandsschätzung. Dazu wurden mehrere Hundert Module einer existierenden Open-Source-Softwareumgebung für Roboter analysiert und Kosten für deren Erstellung und Wiederverwendung mittels heuristischer Daten abgeleitet. Die statistische Fundierung der Modelle ermöglicht neben Erwartungswert auch Standardabstand und Interquartilsabstand und lässt somit die Beurteilung der Schätzunsicherheit zu. Um den Schätzprozess zu unterstützen, wurde eine Softwareapplikation entwickelt. Der Ansatz wurde an zwei unterschiedlichen Datensätzen verifiziert. Zum einen wurden für im Rahmen von EFFIROB entworfene Roboterskizzen Schätzungen erstellt und von Experten mit bestehenden Kostenschätzungen verglichen und beurteilt. Zum anderen wurde die Kostenschätzung für einen gebauten Prototypen mit ursprünglicher Kostenschätzung sowie tatsächlich angefallenen Kosten von einem der damaligen Entwickler gegenübergestellt.