Virtual Reality Platform for Design and Evaluation of the Interaction in Human-Robot Collaborative Tasks in Assembly Manufacturing

Industry is on the threshold of the fourth industrial revolution where smart factories area necessity to meet customer demands for increasing volumes of individualized products. Within the smart factory, cyber-physical production systems are becoming important to deal with changing production. Human-robot collaboration is an example of a cyber-physical system in which humans and robots share a workspace. By introducing robots and humans into the same working cell, the two can collaborate by allowing the robot to deal with heavy lifting, repetitive, and high accuracy tasks, while the human focuses on tasks that need intelligence, flexibility, and adaptability. There are few such collaborative applications in industry today. In the implementations that actually exist, the robots are mainly working side-by-side with humans rather than truly collaborating. Three main factors that limit the widespread application of human-robot collaboration can be identified: lack of knowledge regarding suitable human-robot collaboration tasks, lack of knowledge regarding efficient communication technologies for enabling interaction between humans and robots when carrying out tasks, and lack of efficient ways to safely analyze and evaluate collaborative tasks. The overall aim of this thesis is to address these problems and facilitate and improve interaction between humans and robots, with a special focus on assembly manufacturing tasks. To fulfill this aim, an assembly workstation for human-robot collaboration has been developed and implemented both physically and virtually. A virtual reality platform called ViCoR has been developed that can be used to investigate, evaluate, and analyze the interaction between humans and robots and thereby facilitate the implementation of new human-robot collaboration cells. The workstation developed has also been used for data collection and experiments during the thesis work, and used to extract knowledge of how the interaction between human and robot can be improved.Industrin är på väg in i den fjärde industriella revolutionen, där smarta fabriker är nödvändigt för att möta kundernas krav på ökande volymer av individualiserade produkter. Inom den smarta fabriken blir cyberfysiska produktionssystem viktigt för att hantera den varierande produktionen. Människa-robot samarbete är ett exempel på ett cyberfysiskt produktionssystem där människor och robotar delar arbetsyta. Genom att införa robotar och människor i samma arbetscell kan de samarbeta där roboten kan hanterauppgifter som kräver tunga lyft, repetitiva rörelser och hög precision medan människan kan fokusera på uppgifter som kräver intelligens, flexibilitet och anpassningsförmåga. I dagens industri är sådana samarbetsapplikationer få och I de implementationer som finns så arbetar robotarna mestadels i närheten av en människa istället för att faktiskt samarbeta. Tre huvudfaktorer har identifierats som har begränsat antal tillämpningar av människa-robot samarbete: brist på kunskap om lämpliga människa-robot samarbetsuppgifter, brist på kunskap om kommunikationstekniker som möjliggör interaktion mellan människor och robotar samt brist på effektiva och säkra sätt att analysera och utvärdera samarbetsuppgifter. Det övergripande syftet med denna avhandling är att adressera dessa problem samt att underlätta och förbättra interaktionen mellan människor och robotar, med ett särskilt fokus på monteringsuppgifter. För att uppfylla detta mål har en arbetsstation för samarbete mellan människa och robot utvecklats och implementerats både fysiskt och virtuellt. En virtuell verklighetsplattform som heter ViCoR har utvecklats som kan användas för att undersöka, utvärdera och analysera interaktionen mellan människor och robotar och därigenom underlätta arbetet att implementera nya samarbetsceller. Den utvecklade arbetsstationen har också använts för datainsamling och experiment under avhandlingen och använts för att utvinna kunskap om hur samverkan mellan människa och robot kan förbättras.Tre av fem delarbeten (övriga se rubriken Delarbeten/List of papers): PAPER 3 Patrik Gustavsson and Anna Syberfeldt (2020). “The industry’s perspective of suitable tasks for human-robot collaboration in assembly manufacturing”. In: International Conference on Industrial Engineering and Manufacturing Technology (Submitted). PAPER 4 Patrik Gustavsson, Magnus Holm, and Anna Syberfeldt (2020b). “Virtual Reality Platform for Design and Evaluation of Human-Robot Interaction in Assembly Manufacturing”. In: International Journal of Manufacturing Research (Submitted). PAPER 5 Patrik Gustavsson, Magnus Holm, and Anna Syberfeldt (2020a). “Evaluation of Human-Robot Interaction for Assembly Manufacturing in Virtual Reality”. In: Robotics and Computer-Integrated Manufacturing (Submitted)