Quickly changing trends in market demand of mechatronic systems require engineering companies to reduce production costs and time-to-market and to increase the production flexibility and precision of product design. Virtual prototyping aims at fulfilling these requirements, by utilizing virtual prototypes of mechatronic systems, in order to test system design and performance in any phase of the engineering development process. The main objective of this thesis is to develop a generic evaluation framework, that allows product designers and engineering domain experts to efficiently and meaningfully evaluate multiple criteria of virtual prototypes for a variety of model parameters in simulation. Furthermore, two exemplary applications involving the Franka Emika Panda robot arm are implemented, in order to demonstrate the capabilities of the developed framework. In the first scenario, different trajectories for robotic pick and place use cases are evaluated for their energy efficiency. The second scenario models a bin picking process of the Panda robot in an industrial plant and aims at identifying valid and objective-specific optimal robot positions inside the plant. The evaluation framework was designed and implemented by following a top-down approach. Evaluating a mechatronic system was separated into three distinct steps and correspondingly the evaluation framework comprises three main components: (1) Defining the evaluation parameters and objective values of the evaluation from an existing simulation model, i.e. choosing the design alternatives to be tested and the corresponding decision criteria to be evaluated, is implemented in Unity in the C# programming language. (2) The evaluation framework’s second component is implemented in C# as a Microsoft .NET Core solution and uses .NET parallelization methods to efficiently evaluate the executable of the Unity simulation model for all combinations of evaluation parameters. (3) Using Python’s tkinter library, the third component visualizes the resulting point clouds of all decision criteria for all design alternatives in an interactive graphical user interface (GUI). The evaluation results of the pick and place application show that the energy-optimal robot trajectories in the simulated scenario correspond to those, where the robot moves as few joints as possible, showing that the amount of distance covered in joint space constitutes the major fraction of electric energy consumption on a trajectory. Evaluating bin picking with the Panda robot in an industrial plant reveals, there is only very little scope available for positioning the robot such that it is able to successfully perform bin picking. This lies in the fact that the Panda robot’s range of motion is relatively small compared to its workspace in the industrial plant. Furthermore, the results show, that robot positions resulting in trajectories with low execution time concurrently result in short joint distance. In both exemplary scenarios, the complete evaluation framework was applied successfully. The applications showcase the capabilities of the evaluation framework and demonstrate its strength in performing basic, extensive evaluation of virtual prototypes. For future work, the generic nature of the evaluation framework makes it possible to apply it in many different application areas and easily extend it to combine multiple simulation software and integrate multi-objective optimization algorithms.     «

Quickly changing trends in market demand of mechatronic systems require engineering companies to reduce production costs and time-to-market and to increase the production flexibility and precision of product design. Virtual prototyping aims at fulfilling these requirements, by utilizing virtual prototypes of mechatronic systems, in order to test system design and performance in any phase of the engineering development process. The main objective of this thesis is to develop a generic evaluation...     »

Die sich ständig ändernde Nachfrage am Markt für mechatronische Systeme stellt Ingenieurfirmen vor die Herausforderung, Markteinführungszeit und Produktionskosten zu reduzieren, und gleichzeitig präzise und flexible Produktion zu gewährleisten. Durch das stetige Testen verschiedener Produktdesigns und die kontinuierliche Bewertung der Systemperformance virtueller Prototypen, hilft das sogenannte Virtuelle Prototyping Ingenieurfirmen diesen Herausforderungen gerecht zu werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines generischen Auswertungsframeworks, das es Produktdesignern und Domänenexperten erlaubt, virtuelle Prototypen über eine Vielzahl von Modellparametern für bestimmte Zielfunktionen effizient auszuwerten. Darüber hinaus wurden zwei Beispielanwendungen mit dem Franka Emika Panda Roboterarm implementiert, die die Fähigkeiten des Auswertungsframeworks demonstrieren. Im ersten der beiden Szenarien wird die Energieeffizienz verschiedener Trajektorien in einer Pick and Place Anwendung evaluiert. Das zweite Szenario modelliert einen robotischen Bin Picking Prozess in einer industriellen Anlage mit dem Ziel, kriterien-spezifische optimale Roboterpositionen zu identifizieren. Entsprechend der klassischen Top-Down Vorgehensweise wurde das Auswertungsframework in drei Komponenten aufgeteilt: (1) Die Definition der zu testenden Designalternativen und auszuwertenden Zielfunktionen eines existierenden Simulationsmodells ist in C# und der Game Engine Unity implementiert. (2) Die zweite Komponente des Frameworks ist als Microsoft .NET Core Anwendung realisiert und nutzt Parallelisierungsmethoden, um das Simulationsmodell in Unity für alle definierten Designalternativen effizient zu evaluieren. (3) Mithilfe von Python’s tkinter Bibliothek visualisiert die dritte Frameworkkomponente die Punktwolken im Auswertungsraum in einer interaktiven graphischen Benutzeroberfläche. Die Evaluierungsergebnisse der Pick and Place Anwendung zeigen, dass für eine energieoptimale Trajektorie so wenig Bewegung im Gelenkraum wie möglich stattfinden muss. Dies zeigt, dass die Länge der Distanz, die im Gelenkraum zurückgelegt wird, den größten Einfluss auf den Energieverbrauch des Roboters hat. Die Auswertung des Bin Picking Szenarios für verschiedene Roboterpositionen in der industriellen Anlage zeigt, dass nur ein sehr kleiner Spielraum für die Positionierung des Roboters zur Verfügung steht. Dies liegt daran, dass die Bewegungsreichweite des Panda Roboterarms im Vergleich zum Arbeitsraum in der Industrieanlage relativ klein ist. Darüber hinaus führen bestimmte Roboterpositionen gleichzeitig zu geringer Ausführungsdauer und Distanz im Gelenkraum. Beide Szenarien demonstrieren die erfolgreiche Anwendung des kompletten Auswertungsframeworks und verdeutlichen die Möglichkeiten und Stärken des Frameworks in breiter und tiefgreifender Evaluierung virtueller Prototypen. Aufgrund der generischen Umsetzung kommen in Zukunft unzählige weitere Anwendungsbereiche für das Auswertungsframework in Frage. Darüber hinaus ist es möglich, das Framework durch Integration weiterer Simulationssoftware und Implementierung von multi-kriteriellen Optimierungsalgorithmen zu erweitern.     «

Die sich ständig ändernde Nachfrage am Markt für mechatronische Systeme stellt Ingenieurfirmen vor die Herausforderung, Markteinführungszeit und Produktionskosten zu reduzieren, und gleichzeitig präzise und flexible Produktion zu gewährleisten. Durch das stetige Testen verschiedener Produktdesigns und die kontinuierliche Bewertung der Systemperformance virtueller Prototypen, hilft das sogenannte Virtuelle Prototyping Ingenieurfirmen diesen Herausforderungen gerecht zu werden. Ziel dieser Arbeit...     »