Исследование и разработка подхода, методики и алгоритма распределения задач среди участников коллаборативной робототехнической системы в условиях неопределенности и с учетом их состояния

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00690

НазваниеИсследование и разработка подхода, методики и алгоритма распределения задач среди участников коллаборативной робототехнической системы в условиях неопределенности и с учетом их состояния

Руководитель Галин Ринат Романович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-607 - Теория человеко-машинных систем управления

Ключевые слова коллаборативный робот, кобот, коллаборативная робототехническая система, смешанная команда, неоднородная команда, взаимодействие человека и робота, коллаборативное взаимодействие, эффективность взаимодействия

Код ГРНТИ28.23.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из основных научно-практических задач, связанных с повышением эффективности взаимодействия людей и коллаборативных роботов (коботов) в коллаборативных робототехнических системах (КРТС), является разработка новых методов, подходов и алгоритмов для повышения эффективности распределения работ (задач) среди участников подобных систем. Однако анализ ряда исследований и предлагаемых решений по распределению задач между участниками КРТС позволяет выделить следующие основные недостатки авторских методов, подходов, моделей и алгоритмов: 1. Технологический процесс работ не всегда представлен в виде сетевой модели, что не позволяет анализировать взаимозависимости операций и формировать последовательности действия для каждого отдельного участника КРТС. 2. Зачастую натурные эксперименты проводятся на базе одной робототехнической ячейки. Кроме того, результаты некоторых исследований связаны с задействованием КРТС исключительно на производственных линиях по сборке/разборке изделий. Таким образом, невозможно сделать вывод о возможности масштабирования предложенных решений на КРТС более сложного состава или их применимости для других, более комплексных задач. 3. Не всегда учитывается снижение эффективности работы операторов при накоплении усталости, а также возможные непредвиденные ситуации (в том числе ошибки оператора), увеличивающие время выполнения как отдельных операции, так и всей работы в целом. 4. Разделение операций по сложности может приводить к тому, что на их выполнение будут назначаться только люди или только коботы. Это может приводить к снижению уровня коллаборации в КРТС (т.е. к таким ситуациям, когда человек и кобот выполняют последовательности операций практически независимо друг от друга). В результате формируются отдельные, практически непересекающиеся контуры выполнения работ. Для устранения данных недостатков предлагается разработать авторские методику, подход и алгоритм по распределению задач между участников КРТС для работ, а также соответствующее программное обеспечение (ПО) для моделирования. Предполагается следующая научная новизна планируемых результатов работы: 1. Авторские методика, подход и алгоритм распределения задач в КРТС будут отвечать всем вышеуказанным требованиям, что позволит сформировать единую (универсальную) среду для моделирования выполнения работ участниками КРТС, получать субоптимальные решения по распределению задач между участниками на основании одного или нескольких критериев. Кроме того, возможность решения обратной задачи позволит использовать предлагаемое решение для составления рационального плана выполнения работ в рамках технологического процесса за максимальное заданное время, за максимально задаваемую стоимость работ (финансовые затраты) или минимально возможным составом участников КРТС. 2. В разрабатываемом ПО будет реализован весь вышеуказанный функционал, в том числе возможность задавать объем работ, требуемых к выполнению, в виде технологического процесса, задавать количество и состав КРТС, а также осуществлять воздействие на ход выполнения работ (за счет изменения значений характеристик участников КРТС, переопределения местоположения рабочих мест и т.д.). Кроме того, в предлагаемом ПО будет реализована возможность решения обратной задачи (моделирование выполнимости, временных и финансовых затрат на выполнение технологического процесса с различным составом КРТС).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Галин Р.Р., Галина С.Б. Approach to Efficient Task Allocation in a Collaborative Robotic System Using Modified Cost Functions IEEE, P. 568-573 (год публикации - 2023)
10.1109/SmartIndustryCon57312.2023.10110787

2. Галина С.Б., Галин Р.Р. Approach to Efficient Task Allocation and Cost Minimization in Collaborative Robotic Systems IEEE, P. 574-579 (год публикации - 2023)
10.1109/SmartIndustryCon57312.2023.10110790

3. Галин Р.Р., Мамченко М.В., Галина С.Б. Task Allocation Methodology in Collaborative Robotic Systems IEEE, P. 1004-1009 (год публикации - 2023)
10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272788

4. Мамченко М.В. Программное обеспечение для минимизации времени выполнения работ участниками коллаборативной робототехнической системы Юго-Западный государственный университет, Программная инженерия: современные тенденции развития и применения (ПИ-2023): Сборник материалов VII-й Всероссийской научно-практической конференции (16 октября 2023 года), Юго-Зап. гос. ун-т., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2023, - 251 с. (год публикации - 2023)

5. Галин Р.Р., Галина С.Б., Мамченко М.В. Подход к распределению работ в коллаборативной робототехнической системе с учетом модели рабочего пространства и динамического переназначения исполнителей Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, Галин Р.Р., Галина С.Б., Мамченко М.В. Подход к распределению работ в коллаборативной робототехнической системе с учетом модели рабочего пространства и динамического переназначения исполнителей // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2023. № 6(116). С. 21-32. (год публикации - 2023)
10.35330/1991-6639-2023-6-116-21-32

6. Галин Р.Р., Галина С.Б. Numerical Modeling Results of Work Allocation Algorithm in Collaborative Robotic System 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), R. R. Galin and S. B. Galina, "Numerical Modeling Results of Work Allocation Algorithm in Collaborative Robotic System," 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 843-848, DOI: 10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694487. (год публикации - 2024)
10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694487

7. Галин Р.Р., Мамченко М.В., Галина С.Б., Зорин В.А. Подход к распределению задач технологического процесса среди неоднородных участников КРТС с учетом их состояния Управление большими системами, Галин Р. Р., Мамченко М. В., Галина С. Б., Зорин В.А. Подход к распределению задач технологического процесса среди неоднородных участников КРТС с учетом их состояния // Управление большими системами. – 2024. – Вып. 112. – С. 233-256. (год публикации - 2024)

8. Мамченко М.В., Галина С.Б. Modified Algorithm and Simulation Tool for Task Allocation and Work Distribution in Collaborative Robotic Systems for Technological Processes 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), M. V. Mamchenko and S. B. Galina, "Modified Algorithm and Simulation Tool for Task Allocation and Work Distribution in Collaborative Robotic Systems for Technological Processes," 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 691-696, DOI: 10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694017. (год публикации - 2024)
10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694017

9. Мамченко М.В., Галина С.Б. Simulation Tool Requirements for Modeling the Execution of Technological Process Operations by Collaborative Robotic System Participants 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), M. V. Mamchenko and S. B. Galina, "Simulation Tool Requirements for Modeling the Execution of Technological Process Operations by Collaborative Robotic System Participants," 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 1169-1174, DOI: 10.1109/ICIEAM60818.2024.10553694. (год публикации - 2024)
10.1109/ICIEAM60818.2024.10553694

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработаны набор требований и функциональных возможностей моделирующего комплекса (единой универсальной среды для апробации, верификации и моделирования), а также требования к графическому интерфейсу; выбран стек разработки. Определен перечень функциональных возможностей в моделирующем комплексе на этапе задания исходных данных, на этапе выбора режима работы и функционирования алгоритма/методики и на этапе вывода и интерпретации результатов. Сформированы требования к графическому интерфейсу пользователя моделирующего комплекса. Для моделирующего комплекса была выбрана среда моделирования MATLAB. 2. Доработан алгоритм, реализующий предложенный подход к распределению работ (операций технологического процесса) среди участников КРТС и методику назначения людей и коботов на выполнение операций. В частности, дополнительно реализован следующий функционал: - возможность постановки задачи (минимизация времени, финансовых/энергетических затрат для технологического процесса, минимизация состава КРТС для выполнения технологического процесса) и алгоритма оптимизации (генетический, многокритериальная оптимизация и пр.); - возможность задания способа формирования значений эффективности людей и коботов; - модифицирована функция построения временной последовательности выполнения операций на основе графа – осуществлен переход от перебора по вершинам к перебору по ребрам (длительности операций) графа; - подбор количества назначаемых исполнителей на операции при решении оптимизационной задачи; - подсчет минимального количества исполнителей для параллельно выполняемых операций и всего технологического процесса; - построение диаграммы Ганта до и после оптимизации технологического процесса; - визуализация рабочего пространства КРТС. Кроме того, осуществлен перевод доработанного алгоритма в вид, пригодный для использования в моделирующем комплексе в среде MATLAB. 3. В соответствии со сформированными требования разработан моделирующий комплекс в среде MATLAB для апробации и верификации работоспособности и эффективности предложенных подхода, методики и реализующих их алгоритмов распределения задач среди участников КРТС, моделирования сценариев распределения работ среди участников КРТС, численных и натурных экспериментов с использованием коллаборативных робототехнических систем и ячеек. Вышеуказанная среда моделирования функционирует в виде прикладного программного обеспечения (модуля (скрипта) среды моделирования MATLAB). 4. Проведено численное моделирование в разработанном моделирующем комплексе для сценариев: - минимизации количества задействуемых коботов и/или людей при заданных значениях временных и/или финансовых затрат на выполнение операций; - минимизации времени на выполнение всех операций в рамках технологического процесса; - минимизации затрат, требуемых для выполнения операций технологического процесса. В сценарии минимизации количества задействуемых коботов и/или людей при заданных значениях временных и/или финансовых затрат на выполнение операций удалось снизить требуемое количество людей и коботов в среднем на 21% (при условии непревышения значений времени и затрат). В сценарии минимизации времени на выполнение всех операций для сетевой модели технологического процесса удалось сократить время выполнения в среднем до двух раз (при условии возможности задействования максимально доступного количества людей и коботов). Максимальное сокращение времени выполнения технологического процесса возможно при его изначальной слабой оптимизированности, в других случаях сокращение времени выполнения возможно в среднем на 20-27%. В сценарии минимизации затрат, требуемых для выполнения операций технологического процесса удалось достичь результат снижения затрат на 15-32%. При этом в среднем 15% сокращения затрат возможно при наличии ограничений на непревышение времени выполнения технологического процесса, в ином случае возможно сокращение затрат в среднем на 32%. 5. На основе выявленных показателей оценки эффективности функционирования КРТС (учитывая взаимодействие людей и коботов в едином рабочем пространстве и эффективность распределения задач между участниками при минимизации времени выполнения задач, состава исполнителей и затрат) и критериев подбора состава исполнителей на выполнение задачи проведен сравнительный анализ результатов вычислительных экспериментов, полученных в рамках цикла работ по проекту (гранту), с аналогичными данными, полученными другими авторами. В результате сравнения установлено, что результаты моделирования для минимизации состав исполнителей, времени выполнения технологического процесса и затрат соответствуют существующим решениям других авторов. При этом авторская постановка задач распределения работ в КРТС по сравнению с другими работами обладает комплексностью. В частности, во всех моделируемых задачах обязательно проверяется требование коллаборации людей и коботов (совместное выполнение любой задачи хотя бы одним коботом и одним человеком), ведется учет степени задействования каждого участника. Кроме того, осуществляется верификация выполнимости технологического процесса расчетным составом участников при подборе оптимального количества людей и коботов из состава КРТС. 6. Опубликованы 4 научные публикации, из них 3 научные публикации в изданиях, индексируемых в базе данных «Скопус» (Scopus), и 1 научная публикация RSCI. 7. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ по тематике проекта (программное обеспечение, реализующее единую универсальную среду для апробации, верификации и моделирования).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Предлагаемое решение (методика, подход и алгоритмы) по распределению задач и назначения исполнителей в КРТС, а также соответствующее программное обеспечения для моделирования может использоваться на производственных объектах и предприятиях Российской Федерации, в состав которых входят КРТС, для повышения эффективности коллаборации людей и роботов, получения субоптимальных решений по распределению задач между участниками на основании одного или нескольких критериев, составления рационального плана выполнения работ в рамках технологического процесса за заданное время, за задаваемую стоимость работ или минимально возможным составом людей и коботов. Ожидаемые результаты исследовательской работы позволят: - расширить функциональные возможности и области применения коллаборативных роботов на производственных объектах за счет упрощения процессов планирования их использования для решения требуемых задач; - упростить оценку выполнимости технологического процесса производственных работ, а также расчета количества и состава участников КРТС, времени и финансовых средств (энергетических затрат), необходимых для выполнения работ; - снизить время, операционные и энергетические затраты и/или количество людей и/или коботов, требуемых для выполнения коллаборативных производственных задач, за счет повышения эффективности распределения работ среди участников КРТС; - повысить эффективности взаимодействия человека и робота в целом на производственных объектах.