Ambiente colaborativo baseado no altruísmo: Simulação e análise baseada em ROS

Abstract

Este trabalho de dissertação aborda a criação de um ambiente colaborativo no sistema de fabricação inteligente, explorando conceitos centrais da Indústria 4.0, produção flexível e a biologicalização. O foco principal incide no desenvolvimento de comportamentos altruístas entre robôs autónomos, permitindo que colaborem mutuamente para superar dificuldades, como falhas simples ou necessidades de energia, com o objetivo de manter o ritmo produtivo. Foram investigadas questões como a possibilidade de os robôs se ajudarem uns aos outros e como o altruísmo pode ser aplicado no contexto da fabricação colaborativa. A necessidade de aplicação do conceito de altruísmo entre os robôs baseia-se na redução ou eliminação do tempo de paragem das máquinas das indústrias, provocado pela falta de energia e pelo tempo de carregamento dos robôs autónomos. A solução apresentada inclui a implementação do comportamento altruísta por meio do ROS2, a criação de uma arquitectura para a aplicação do altruísmo, o desenvolvimento de um algoritmo específico para testar o comportamento do altruísmo entre os robôs, a apresentação de um caso de estudo para realçar a sua aplicação prática e a realização de simulações com o algoritmo para demonstrar a sua eficiência e medir o tempo necessário para realizar tarefas de partilha de energia. Os resultados deste trabalho demonstraram que robôs altruístas podem partilhar informações, como localização, energia e pedidos de ajuda, para superar desafios como falta de energia ou avarias, reduzindo interrup- ções na produção. A validação dos resultados destacou uma maior eficiência em relação aos processos manuais, com poupança financeira significativa e melhor aproveitamento dos perí- odos de inatividade dos robôs. Esta abordagem contribui para a evolução do conceito de fa- bricação inteligente (Smart Manufacturing), promovendo maior continuidade e eficiência nos processos produtivos.

This dissertation addresses the creation of a collaborative environment in the intelligent manufacturing system, exploring core concepts of Industry 4.0, flexible manufacturing, and biologicalization. The main focus lies in the development of altruistic behaviors among auton- omous robots, enabling them to collaborate mutually to overcome difficulties, such as simple failures or energy needs, with the aim of maintaining the production pace. Questions were investigated, such as the possibility of robots helping each other and how altruism can be ap- plied in the context of collaborative manufacturing. The need for applying the concept of al- truism among robots is based on reducing or eliminating downtime in industrial machines, caused by a lack of energy and the charging time of autonomous robots. The proposed solution includes the implementation of altruistic behavior using ROS2, the creation of an architecture for the application of altruism, the development of a specific algorithm for testing the behavior of altruism among robots, the presentation of a case study to highlight its practical application, and the execution of algorithm simulations to demonstrate its efficiency and measure the time required to perform energy-sharing tasks. The results of this project showed that altruistic robots can share information, such as location, energy and help requests, to overcome chal- lenges like energy shortages or breakdowns, reducing production interruptions. The valida- tion of the results highlighted greater efficiency compared to manual processes, with signifi- cant financial savings and better use of the robots' idle periods. This approach contributes to the evolution of the concept of intelligent manufacturing (Smart Manufacturing), promoting greater continuity and efficiency in production processes.