Development of a framework to integrate mobile manipulators as cyber-physical systems into existing production systems in the context of Industry 4.0 - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech
Thèse Année : 2023

Development of a framework to integrate mobile manipulators as cyber-physical systems into existing production systems in the context of Industry 4.0

Développement d'un cadre pour intégrer les manipulateurs mobiles en tant que systèmes cyber-physiques dans les systèmes de production existants dans le contexte de l'industrie 4.0.

Nooshin Ghodsian
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1483331
  • IdRef : 276533054

Résumé

With the emergence of the Cyber–Physical Systems (CPSs) along with the fourth industrial revolution, the discussion of distributed architecture and coordination and extensive communication between all components of a system was raised. On the other hand, modern industrial manufacturing relies heavily on flexible production. Autonomous Mobile Manipulators (MMs) have the potential to improve the flexibility of existing manufacturing environments. With the advantages associated with this technology, there is an upsurge in the demand for MMs. Thus, adding a new MM as a new CPS into a system following Industry 4.0 requires a framework to help taking all the advantages from it. In this thesis, a framework is proposed to integrate MMs as CPSs into an existing production system. Starting with Objectives and Applications, this phase clearly defines MM roles and ensures their alignment with larger manufacturing goals. The next Infrastructure Readiness phase assesses the current setup, strengths and areas in need of improvement, paves the way for MM operations, and selects the ideal MM. The integration phase is a multi-layered approach: physical integration seamlessly embeds MMs into their environment. Communicational integration enhances the coordinated exchange of data between MM and existing systems. Functional and operational integration aligns MM activities with ongoing tasks.Moreover, Digital Integration puts MM in the digital realm of Industry 4.0 and leverages advanced tools. Powering this, is a modular service-oriented architecture (MSOA) that provides scalability and real-time adaptability. MMs are broken down into standard modules, both hardware such as robotic arms and functional such as communications. Matching modules ensure that this integration is smooth. The service aspect is carefully designed: it defines the MM applications as services. Decomposition of service divides them into standard operations with specified details of the service. In addition, Service Discovery ensures that MMs communicate seamlessly with system components.Furthermore, the framework has been applied to a research production line called Platform 4.0 at Arts et Métiers. An MM from OMRON Company (called MoMa) has been integrated into the existing production system. Results from this real-world demonstration show that MoMa is capable of successfully increasing the flexibility, autonomy, and efficiency of a production system using command signals from the Manufacturing Execution System (MES).
Avec l'émergence des Systèmes Cyber-Physiques (SCP) conjointement avec la quatrième révolution industrielle, le débat sur l'architecture distribuée, la coordination et la communication extensive entre tous les composants d'un système a été soulevé. D'un autre côté, la fabrication industrielle moderne repose fortement sur la production flexible. Les Manipulateurs Mobiles Autonomes (MM) ont le potentiel d'améliorer la flexibilité des environnements de fabrication existants. Avec les avantages associés à cette technologie, il y a une montée de la demande pour les MM. Ainsi, ajouter un nouveau MM en tant que nouveau SCP dans un système suivant l'Industrie 4.0 nécessite un cadre pour profiter pleinement de ses avantages. Dans cette thèse, un cadre est proposé pour intégrer les MM en tant que SCP dans un système de production existant. Commencant par les Objectifs et Applications, cette phase définit clairement les rôles des MM et assure leur alignement avec les objectifs de fabrication plus larges. La phase suivante, Préparation de l'Infrastructure, évalue la configuration actuelle, les points forts et les domaines nécessitant des améliorations, prépare le terrain pour les opérations des MM et sélectionne le MM idéal. La phase d'intégration est une approche à plusieurs niveaux : l'intégration physique incorpore sans heurt les MM dans leur environnement. L'intégration communicationnelle renforce l'échange coordonné de données entre le MM et les systèmes existants. L'intégration fonctionnelle et opérationnelle aligne les activités des MM avec les tâches en cours. De plus, l'Intégration Digitale place le MM dans le domaine numérique de l'Industrie 4.0 et exploite des outils avancés. La propulsant, est une architecture orientée service modulaire (AOSM) qui offre une scalabilité et une adaptabilité en temps réel. Les MM sont décomposés en modules standards, tant matériels tels que les bras robotiques, que fonctionnels tels que les communications. Des modules adaptés assurent que cette intégration est fluide. L'aspect service est soigneusement conçu : il définit les applications des MM en tant que services. La décomposition de service les divise en opérations standards avec des détails spécifiés du service. De plus, la Découverte de Service garantit que les MM communiquent sans heurt avec les composants du système. En outre, le cadre a été appliqué à une ligne de production de recherche appelée Plateforme 4.0 à Arts et Métiers. Un MM de la société OMRON (appelé MoMa) a été intégré dans le système de production existant. Les résultats de cette démonstration réelle montrent que MoMa est capable d'augmenter avec succès la flexibilité, l'autonomie et l'efficacité d'un système de production en utilisant des signaux de commande du Système d'Exécution de la Fabrication (MES)."
Fichier principal
Vignette du fichier
ENSAM_GHODSIAN_2023_archivage.pdf (58.29 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04861170 , version 1 (02-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04861170 , version 1

Citer

Nooshin Ghodsian. Development of a framework to integrate mobile manipulators as cyber-physical systems into existing production systems in the context of Industry 4.0. Automatic. HESAM Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023HESAE088⟩. ⟨tel-04861170⟩
0 Consultations
0 Téléchargements

Partager

More