A Design Science Research Approach to Architecting and Developing Information Systems for Collaborative Manufacturing : A Case for Human-Robot Collaboration

Konseptointi- ja suunnitteluvaiheessa sekä valmistuksen, käytön ja kehitysprosessin aikana syntyy tietoa, jonka hyödyntämisessä on valtavaa potentiaalia liike-elämän ja tuotantoprosessien muuttamiseen. Neljännen teollisen vallankumouksen ytimessä oleva digitaalinen muutos tunnistaa tämän painottaen erityisesti tämän tiedon yhdistämistä toimintojen ja järjestelmien tukemiseksi läpi tuotteen elinkaareen, mitä kutsutaan digitaaliseksi säikeen kehykseksi (digital thread framework). Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää ja käyttää yhtä tällaista viitekehystä ihmisen ja robotin yhteistoiminnan asiayhteydessä. Tämä kehys pyrkii vastaamaan merkittävään ongelmaan, joka liittyy mukautuvuuden ja joustavuuden abstrakteihin ominaisuuksiin. Nykyiset ihmisen ja robotin yhteistyöjärjestelmät (human-robot collaboration (HRC)) on rakennettu pääasiassa pysyviksi järjestelmiksi, jotka sivuuttavat ihmisten intuitiivisen toiminnan asettamalla heidän roolinsa yhteistyötehtävissä etukäteen määritellyiksi. Lisäksi järjestelmien kyky vaihtaa tuotteesta toiseen on rajoittunutta. Tämä on erityisen ongelmallista nykyisellä laajan tuotevalikoiman aikakaudella, joka johtuu asiakkaiden räätälöidyistä vaatimuksista. Tähän taustaan vastaten, tämä väitöskirja käyttää design science research methodology -menetelmää suunnitellakseen, kehittääkseen ja ottaakseen käyttöön kolme pääasiallista artefaktia ihmisen ja robotin yhteistyösolussa laboratorioympäristössä. Ensimmäinen on digitaalisen säikeen kehys (digital thread framework), joka integroi tuotesuunnitteluympäristön toimijaksi monitoimijajärjestelmään käyttäen uusimpia tietoon perustuvia suunnittelujärjestelmiä, mikä tarjoaa prosessin toimijoille pääsyn tuotesuunnittelumalleihin reaaliajassa. Toinen on lisätyn todellisuuden malli, joka tarjoaa rajapinnan kokoonpanotehtävässä yhteistyöhön osallistuvan ihmisoperaattorin ja edellä mainitun kehyksen välille. Kolmas on tukitietomalli, jota yhteistyötä tekevät toimijat käyttävät tietopohjanaan täyttääkseen yhteistyössä tapahtuvan kokoonpanon tavoitteet mukautuvasti. Näitä kehitettyjä artefakteja käytettiin kokonaisuutena tapaustutkimuksissa, jotka liittyivät aidon dieselmoottorin kokoonpanoon, ja joissa todennettiin niiden hyödyllisyys ja että ne lisäävät joustavuutta, jota varten kehys (framework) suunniteltiin. Rajauslaatikoiden näyttäminen skaalautuvana informaationa, joka hahmottaa alikokoonpanon osien geometriaa, demostroi kehitettyjen artefaktien käytettävyyttä yhteistyötä tekevien toimijoiden aikomuksia heijastavien laajennetun todellisuuden projektioiden tuottamiseksi. Yhteenvetona tämän väitöskirjan tuloksena syntyi lähestymistapa älykkään ja mukautuvan robotiikan toteuttamiseksi hyödyntäen tietovirtoja ja mallinnusta ihmisen ja robotin yhteistoiminnan kontekstissa. Teollisuuden raportoima älykkäästi mukautuvien HRC-järjestelmien puute taas toimi osaltaan motivaationa tähän väitöskirjassa tehtyyn työhön. Kun tulevaisuuden tuotteet ja tuotantojärjestelmät muuttuvat monimutkaisemmiksi, tietojärjestelmiltä odotetaan suurempaa vastuuta korvaamaan ihmisen työmuistin luontaiset rajat ja mahdollistamaan siirtyminen kohti ihmiskeskeistä valmistusta, joihin viitataan termeillä Operator 4.0 ja Industry 5.0. Näin ollen on odotettavissa, että tietojärjestelmien tutkimus, kuten tämä väitöskirja, voi auttaa ottamaan merkittäviä askeleita tähän suuntaan.Information generated from the conceptualization, design, manufacturing, and use of a product has immense potential in transforming both the business and manufacturing processes of the manufacturing enterprise. The digital transformation at the heart of the fourth industrial revolution has acknowledged this with a special emphasis on weaving a thread of this information to support functions and systems throughout the life cycle of the product with what is known as a digital thread framework. This dissertation aims to develop and use one such framework in the context of human-robot collaborative assembly. The overarching problem that the framework aims to solve can be attributed to the abstract qualities of adaptability and flexibility. The human-robot collaboration (HRC) systems of today are built predominantly as static systems and ignore the intuitive role of humans by having their roles in collaborative tasks pre-defined. Furthermore, their ability to switch between products during product changeovers is also limited. This is especially problematic in the current era of product variety, stemming from the customised requirements of customers. To this end, this dissertation employs the design science research methodology to design, develop, and deploy predominantly three artefacts in a human-robot work cell in a laboratory setting. The first is the digital thread framework that integrates the product design environment using state-of-the-art knowledge-based engineering systems, as an agent of a multi-agent system, which provide the collaborative human-robot agents with access to product design models at run time. The second is a constituent mixed-reality model that provides an interface for the foregoing framework for the human operator engaged in collaborative assembly. The third is a supporting information model that the agents use as their knowledge base to fulfil adaptively the goals of collaborative assembly. Together, these developed artefacts were employed in case studies involving a real diesel engine assembly during which they were observed to provide utility and support the cause of adaptability for which the framework was designed. The identification of bounding boxes as a scalable information construct, that approximates the part geometry of the sub-assembly components, demonstrates the utility of the developed artefacts for spatially augmenting them as projections as intentions of collaborating agents. In summary, this dissertation contributes with an approach towards realising intelligent and adaptive robotics within the realms of information flows and modelling in the context of human-robot collaboration. The lack of intelligently adaptable HRC systems reported by the industry in part motivated the work undertaken in this dissertation. As future products and production systems become more complex, information systems are expected to assume greater responsibility to compensate for the inherent limits of the human working memory and enable transition towards a human-centred manufacturing, the current likes of which are labelled as Operator 4.0 and Industry 5.0. Thus, the expectation is that information systems research, such as this dissertation, can help take significant strides forward in this direction