title: System design for optimized operations of a fleet of autonomous urban service robots
Creators: name: Gupta, Abhishek
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: robot-infrastructure systems
subject: smart products engineering
subject: PSS
subject: product-service systems
subject: digital prototyping
subject: requirements management
subject: responsible consumption of resources in automation

description: Smart service robots, equipped with artificial intelligence and internet of things based technologies, are a result of the evolution from basic machines to complex automated products and related services. The integration of products and services, known as product-service systems (PSS), merges physical products with services to meet specific customer needs. However, developing a PSS for robotic systems often requires infrastructure changes and involves its own demands, such as time, energy, and costs. Existing design process models either support the design of service robots as standalone product or initiate the related service conceptualization in later realization phase of the product. These models do not support a co-existing conceptualization and development of service robots and their services from the PSS perspective. Within the PSS, the service robot, necessary changes or additional assistance infrastructure (AAI), and the service system should co-exist as service elements within a robot-infrastructure service system, each with its own but interrelated and co-existing lifecycle. Based on this limitation, the first research focus of this dissertation is establishing and managing the co-existing lifecycles of elements within a robot-infrastructure service system through a design process model. Second research focus has been laid on redesigning standalone autonomous robots to function within a co-existing robot-infrastructure service system, based on the new to be developed design process model. To address the first research focus, the CLAPS (Co-existing Lifecycle initiation and management for Autonomous Product-infrastructure and Service) methodology has been developed. CLAPS enables the co-existence of the lifecycles of all service elements within an autonomous product-infrastructure system, promoting service automation through collaboration rather than relying on a single autonomous product. The CLAPS methodology comprises eight phases to enable the co-existence of the lifecycles of service elements within autonomous product-infrastructure systems. In Phase 1, the current service process is analyzed, focusing on socio-technical aspects. It focuses on identifying potential shortcomings in the existing manual services and provides solutions that could benefit the development of the autonomous service robot. This ensures that the robot does not encounter the same issues faced by the manual service providers. Phase 2 involves identifying stakeholders, gathering requirements, and establishing value propositions for autonomous robots and services within the service event area (SEA), as well as determining the need for AAI. It also focuses on designing or redesigning existing standard physical prototypes (SPP) as digital prototypes. Phase 3 focuses on designing the service system with the help of system architecture and PSS framework to achieve service goals by integrating the functionalities and characteristics of autonomous robots and AAI. Simulations are used to assess compatibility of service elements. If required, based on the assessments phase 4 focuses on enhancing digital prototypes and refining the requirements as well as value propositions established in earlier phases to ensure the effective functioning of the service elements. Phase 5 then further develops the autonomous products, AAI, and services, building on these enhancements. Furthermore phase 6, the realization/production phase, divides into two synchronous phases for developing autonomous products, AAI, and service systems as elements of a PSS. Phase 7, the use phase, involves the utilization of these service elements. Phase 8, the end-of-life phase, addresses the impact of these interrelated service elements after their usage. The CLAPS methodology ensures a comprehensive approach to service automation, facilitating the co-existence and advancement of lifecycles from beginning to end-of-life. In addition to the process flow involved within the CLAPS methodology, insights are provided on integrating the CLAPS methodology within design process models like VDI (Verein Deutscher Ingenieure e.V.) 2221 and VDI 2206. It has also been outlined how robot-infrastructure service systems can be defined as either product-, use- or result-oriented PSS. To address the second research focus, the CLAPS methodology is applied to the MARBLE (Mobile Autonomous Robot for Litter Emptying) project. The MARBLE project features a fully developed functional prototype of a service robot designed to autonomously empty litter bins deployed by the municipality on the streets of Berlin. Initially developed as a standalone autonomous product, MARBLE serves as an ideal use-case for redesigning as part of an integrated robot-infrastructure service system. Applying the CLAPS methodology to the MARBLE project aimed to reduce energy consumption and service time through the robot-infrastructure system. Applying the first four phases for Berlin's Monbijou park, as a SEA with 51 litter-bins, leads to significant reduction in consumed energy and operation time. By incorporating and simulating MARBLE along with AAI elements like a mothership, smart litter-bins, and various route-planning systems, energy consumption was reduced by up to 48% and service time by up to 87% compared to MARBLE as a standalone product. The CLAPS methodology, applied in another SEA with 220 litter-bins, demonstrated a reduction in energy consumption by up to 69% and operation time by up to 87%. By integrating MARBLE into a robot-infrastructure service system, the initial value propositions of MARBLE as a standalone product were enhanced. In an evaluation workshop, potential future users as external stakeholders confirmed the significant impact of these new value propositions on the perceived value of the system. Within evaluation workshops experts from industry and academia also validated the CLAPS methodology's adaptability and feasibility for various other use-cases. The positive quantitative evaluation supports the conceptualization and design of autonomous robots within integrated service systems with co-existing lifecycles by the application of CLAPS methodology. The positive evaluations from external stakeholders and experts, along with the potential reductions in energy consumption and operation time, indicate that the research focuses have been successfully addressed. These results advocate for the development of service robots as part of a robot-infrastructure system with the generic nature of CLAPS methodology, rather than as standalone products. Future work should validate the CLAPS methodology across all phases for the MARBLE use case and other SEAs. Enhancements should integrate sustainability assessment tools, like ecological, social and economical lifecycle analysis, for comprehensive service scenario evaluation. Early design phases must carefully select the appropriate PSS model, incorporated into CLAPS Phases 2 to 4. The focus should be on the methodology's broad applicability, its impact on sustainability, and analyzing rebound effects across all sustainability dimensions.
description: Intelligente Serviceroboter mit künstlicher Intelligenz und Internet of Things-Technologien sind das Ergebnis der Weiterentwicklung von einfachen Maschinen zu komplexen automatisierten Produkten und Services. Die Integration von Produkten und Services, auch bekannt als Product-Service Systeme (PSS), vereinen physikalische Produkte und Services, um spezifische Kundenbedürfnisse zu erfüllen. Die Entwicklung eines PSS für Robotersysteme erfordert jedoch häufig Änderungen an der Infrastruktur und ist mit eigenen Bedarfen, wie Zeit, Energie und Kosten, verbunden. Bestehende Design-Prozess-Modelle unterstützen entweder die Gestaltung von Servicerobotern als alleinstehende Produkte oder initiieren Roboterserviceentwicklung in späteren Realisierungsphasen. Diese Modelle unterstützen jedoch nicht eine koexistierende Konzeptionierung und Entwicklung von Servicerobtern und ihren Services aus der PSS-Perspektive. Innerhalb des PSS sollten der Serviceroboter, zusätzliche Assistenzinfrastruktur (AAI) und das Servicesystem als Serviceelemente innerhalb eines Roboter-Infrastruktur-Servicesystems koexistent sein können. Jedes Serviceelement sollte seinen eigenen Lebenszyklus haben, der jedoch mit den Lebenszyklen anderer Serviceelemente interagiert und koexistiert. Aufgrund dieser Einschränkung liegt der erste Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit in der Erstellung eines Design-Prozess-Modells für ein Roboter-Infrastruktur-Servicesystem zur Etablierung und Umsetzung von koexistenten Lebenszyklen von Serviceelementen. Der zweite Forschungsschwerpunkt liegt in der Weiterentwicklung alleinstehender autonomer Serviceroboter, die innerhalb eines koexistenten Roboter-Infrastruktur-Service-Systems funktionieren, mittels des neu zu entwickeleden Design-Prozess-Modells. Um den erstgenannten Forschungsschwerpunkt zu unterstützen, wurde die Co-existing Lifecycle initiation and management for Autonomous Product-infrastructure and Service (CLAPS) Methode entwickelt. CLAPS ermöglicht die Koexistenz der Lebenszyklen aller Serviceelemente innerhalb eines autonomen Produkt-Infrastruktur-Systems und fördert die Automatisierung von Services durch das Zusammenwirken dieser, anstatt sich auf einen einzelnen autonomen Roboter zu beschränken. Die CLAPS-Methode legt den Schwerpunkt auf die frühzeitige Koexistenz und das Zusammenwirken der Lebenszyklen von autonomen Produkten, notwendigen AAI und Servicesystemen. Die CLAPS-Methode umfasst acht Phasen, um die Koexistenz der Lebenszyklen von Servicekomponenten in autonomen Produkt-Infrastruktur-Systemen zu ermöglichen. In Phase 1 wird der bestehende Serviceprozess analysiert, wobei sozio-technische Aspekte fokussiert werden. Phase 2 umfasst die Identifizierung von Akteuren, die Erfassung von Anforderungen und die Erstellung von Wertversprechen für autonome Roboter und Services im Servicebereich (SEA) sowie die Ermittlung des Bedarfs an AAI. Sie fokussiert sich auch auf die Konzeptionierung oder Weiterentwicklung bestehender physischer Standard-Prototypen (SPP) als digitale Prototypen. In Phase 3 steht die Konzeptionierung des Servicesystems mit Hilfe von Systemarchitektur- und PSS-Frameworks im Mittelpunkt, um Serviceziele durch die Integration der Funktionalitäten und Merkmale von autonomen Robotern und AAI zu realisieren. Simulationen werden in dieser Phase zur Bewertung der Kompatibilität von Serviceelementen eingesetzt. Falls erforderlich, wird Phase 4 angewendet. Diese konzentriert sich auf die Bewertungen der Erweiterung digitaler Prototypen und die Verfeinerung der Anforderungen sowie der Wertversprechen, welche in früheren Phasen festgelegt wurden. Die Erweiterung und die Verfeinerung dienen der Gewährleistung der effektiven Funktion der Serviceelemente. In Phase 5 werden dann, aufbauend auf diesen Erweiterungen, die autonomen Produkte, AAI und Servicesysteme weiterentwickelt. Phase 6, die Realisierungs-/Produktionsphase, gliedert sich in zwei synchrone Phasen, in denen autonome Produkte, AAI und Service-Systeme als Elemente eines PSS entwickelt werden. In Phase 7, der Anwendungsphase, werden diese Serviceelemente zum Einsatz des Systems gebracht. Phase 8, die End-of-Life-Phase, unterstützt die Auswirkungen dieser zusammenwirkenden Serviceelemente nach deren Nutzung. Die CLAPS-Methode gewährleistet einen umfassenden Lösungsansatz für die Serviceautomatisierung, der die Koexistenz und Weiterentwicklung der Lebenszyklen vom Beginn bis zum Ende des Lebenszyklus ermöglicht. Neben der Einführung der CLAPS-Methode wird ihre Integration in Design-Prozess-Modelle wie VDI 2221 und VDI 2206 ermöglicht. Weiterhin wurde integriert, wie Roboter-Infrastruktur-Service-Systeme entweder als produkt-, anwendungs- oder ergebnisorientierte PSS definiert werden können. Um den zweiten Forschungsschwerpunkt zu unterstützen, wird die CLAPS-Methode auf das Projekt MARBLE (Mobile Autonomous Robot for Litter Emptying) angewendet. Im Rahmen des MARBLE-Projekts wurde ein voll funktionsfähiger Prototyp eines Serviceroboters, zur autonomen Entleerung von Papierkörben in den Straßen Berlins, gestaltet. Ursprünglich als alleinstehendes autonomes Produkt entwickelt, ist MARBLE ein idealer Anwendungsfall für die Weiterentwicklung als Teil eines integrierten Roboter-Infrastruktur-Service-Systems. Die Anwendung der CLAPS-Methode auf das MARBLE-Projekt diente dazu, den Energieverbrauch und die Servicezeiten des Roboter-Infrastruktur-Systems zu reduzieren. Die Umsetzung der ersten vier Phasen für den Berliner Monbijoupark mit 51 Papierkörben führte zu einer erheblichen Reduzierung des Energieverbrauchs und der Betriebszeit. In Simulationen konnte durch Einbeziehung von MARBLE mit AAI-Elementen wie einem Mutterschiff, intelligenten Papierkörben und Routenplanungssystemen gezeigt werden, dass sich der Energieverbrauch um bis zu 48% und die Servicezeit um bis zu 87%, im Vergleich zur Verwendung des MARBLE als alleinstehndes Produkt, reduziert. Die Anwendung der CLAPS-Methode in einer weiteren SEA mit 220 Papierkörben ergab eine Reduktion des Energieverbrauchs um bis zu 69% und der Betriebszeit um bis zu 87%. Durch die Integration von MARBLE in ein Roboter-Infrastruktur-Service-System wurden die frühen Wertversprechen vom alleinstehenden Produkt MARBLE erweitert. In einem Evaluierungsworkshop bestätigten potenzielle künftige NutzerInnen als externe AkteurInnen, dass diese neuen Wertversprechen einen erheblichen Einfluss auf den erkannten Wert des Systems haben. Die ExpertenInnen aus Industrie und Wissenschaft bestätigten auch die Anwendbarkeit und Übertragbarkeit der CLAPS-Methode für verschiedene andere Anwendungsfälle, um die Konzeption und Weiterentwicklung von autonomen Robotern in integrierten Servicesystemen zu unterstützen. Die positiven Bewertungen von externen AkteurInnen und ExpertenInnen, neben der potenziellen Verringerung des Energieverbrauchs und der Betriebszeit, zeigen, dass die Forschungsschwerpunkte erfolgreich adressiert wurden. Diese Erkenntnisse sprechen für die Gestaltung von Servicerobotern als Teil eines Roboter-Infrastruktur-Systems unter Nutzung der CLAPS-Methode und nicht als alleinstehende Produkte. Künftige Untersuchungen sollten die CLAPS-Methode in allen Phasen für den Use Case MARBLE und andere SEAs validieren. Erweiterungen sollten Instrumente zur Bewertung der Nachhaltigkeit, wie z. B. ökologische, soziale und wirtschaftliche Lebenszyklusanalysen, für eine umfassende Bewertung von Serviceszenarien integrieren. In den frühen Phasen der Konzeptionierung muss das geeignete PSS-Modell sorgfältig ausgewählt werden, welches in die CLAPS-Phasen 2 bis 4 einfließt. Der Fokus sollte auf der breiten Anwendbarkeit der Methode, ihren Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit und der Analyse von Reboundeffekten über alle Nachhaltigkeitsdimensionen hinweg liegen.