Flexible human-robot collaborative assembly : managing a high-mix low-volume demand

Industry 4.0 entails a radical transformation of production, moving from locally optimized production systems to integrated production flows. This transformation is based on the combination of some digital technological elements that make the production process "intelligent", allowing a flexible cooperation between human and robot. In this context, collaborative robotics emerges as an enabling technology that can guarantee efficiency, flexibility and cost reduction. Collaborative robotics proves to be a valid solution to the trend that is referred to as "mass-customization", where a company must be able to manage single orders with almost unitary productions and with a high level of customization of each individual product. A management that no longer aims to saturate the plants but to satisfy the needs of the buyers in a short time. It is precisely in this field that collaborative robotics shows its full potential based on hybrid production cells where human and collaborative robot, or also called cobot, work simultaneously and in close contact. In this way the two agents are able to adapt to each other in complete safety, unlike industrial robotics where the robot is programmed to perform fully automated operations and with substantial indifference to human work. This thesis was born with the aim of improving a previously presented flexible scheduling strategy of a "high-mix low-volumes" production process, that can manage the continuous variations and customizations of market requests. The objective is, therefore, to optimize the choices of the scheduler through the implementation of heuristic methods. The scheduling techniques were validated by simulation with reference to a mixed human-robot production line under construction.

L'industria 4.0 comporta una trasformazione radicale della produzione, consentendo di passare da sistemi produttivi ottimizzati localmente a flussi produttivi integrati. Questa trasformazione si basa sulla combinazione di alcuni elementi tecnologici (di matrice digitale) che rendono il processo produttivo "intelligente", consentendo una flessibile cooperazione tra uomo e robot. In questo contesto la robotica collaborativa emerge come tecnologia abilitante che può garantire efficienza, flessibilità e riduzione dei costi. La robotica collaborativa dimostra di essere una valida soluzione al trend che viene indicato come "mass-customization", in base al quale un'azienda deve essere in grado di gestire singoli ordini con produzioni quasi unitarie e con un'elevata personalizzazione di ogni singolo prodotto. Una gestione che non punta più a saturare gli impianti ma a soddisfare in poco tempo le esigenze degli acquirenti. Ed è proprio in questo campo che la robotica collaborativa mostra tutta la sua potenzialità basandosi su celle di produzione ibride dove l'uomo e il robot, o anche detto cobot, lavorano contemporaneamente e a stretto contatto. In questo modo i due agenti riescono ad adattarsi l'uno all'altro in completa sicurezza, a differenza della robotica industriale dove il robot viene programmato per svolgere operazioni completamente automatizzate e con sostanziale indifferenza per il lavoro dell'uomo. Questa tesi nasce con lo scopo di migliorare una strategia di schedulazione flessibile di un processo produttivo di tipo "high-mix low-volumes" precedentemente presentata, in grado di gestire le continue variazioni e personalizzazioni delle richieste di mercato. L'obiettivo è, dunque, quello di ottimizzare le decisioni dello scheduler mediante l'implementazione di metodi euristici. Le tecniche di schedulazione sono state validate mediante simulazione con riferimento a una linea di produzione mista uomo-robot in corso di realizzazione.