Virtual Prototyping in Design Concept Selection: A Case Study on a Mobile Robot

Abstract

Concept selection is an important part of the design process. Traditionally concept selection is done based on subjective expert reviews using decision making tools like Pugh charts. However, there has been discussion in the engineering design literature about utilizing simulations very early in the design.

In the field of robotics, new 3D simulation tools allow rapid development of fully functional robot models in realistic environments. This thesis presents a method for using these tools to create virtual prototypes of design concepts and to evaluate their performance. The method aims at finding an optimal design configuration from a set of alternatives, which can be presented as a morphological box also called a Zwicky matrix. Taguchi method is used for design of experiments and numeric performance evaluation.

To test the method, a case study is presented, demonstrating virtual prototype driven concept selection for a Eurobot 2010 competition robot. The case study shows, that virtual prototyping is beneficial in concept selection to rule out faulty design concepts and to identify additional requirements that should be taken to account in the design. However, the numerical performance analysis using the Taguchi-method was found unreliable due to the many uncontrollable or unknown design parameters present in the early design stage.

Suunnitteluprosessin tärkeimpiä vaiheita on konseptinvalinta. Perinteisesti konsepti valitaan subjektiivisten asiantuntija-arvioiden perusteella. käyttäen apuna päätöksentekotyökaluja. kuten Pugh-taulukoita. Kirjallisuudessa on kuitenkin esitetty ajatuksia simulaatioiden käytöstä aivan suunnitteluprosessin alkuvaiheista lähtien. Näin konseptinvalintavaiheen tärkeille päätöksille saadaan objektiivisia perusteita.

Robotiikan alalla uudet, 3-ulotteiset simulointityökalut mahdollistavat robottien toimintojen nopean virtuaalisen mallintamisen realistisessa ympäristössä. Tässä diplomityössä esitetään menetelmä, jolla näitä uusia työkaluja käyttäen luodaan suunnittelukonsepteista virtuaalisia prototyyppejä, joita voidaan käyttää konseptien suorituskyvyn arviointiin. Menetelmän tavoitteena on valita optimaalinen konsepti vaihtoehdoista jotka on esitetty morfologisessa laatikossa eli Zwicky-matriisissa. Taguchi-menetelmää käytetään koesuunnitteluun ja konseptien suorituskyvyn numeeriseen arviointiin.

Esitettyä menetelmää testataan tapaustutkimuksessa. jossa sitä sovelletaan Eurobot:2010 kilpailurobotin konseptinvalintaan. Tapaustutkimus osoittaa, että virtuaalinen prototypointi on käyttökelpoinen työkalu, jolla selvästi vialliset suunnittelukonseptit ja huomaamatta jääneet suunnitteluvaatimukset voidaan tunnistaa. Taguchi-menetelmään perustuva numeerinen suorituskyvyn analysointi osoittautui kuitenkin vain suuntaa antavaksi, sillä konseptinvalintavaiheessa suunnitteluparametreja ei voida hallita riittävästi tai ne ovat tuntemattomia.