Experiences and Perspectives from Applying MBSE in - - PowerPoint PPT Presentation
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Experiences and Perspectives from Applying MBSE in Manufacturing Martin Trngren Professor in Embedded Control Systems, ICES Director Division of Mechatronics
04/05/15 ¡ 2 ¡
Presentation ¡Outline ¡ w ¡ ¡Introduction ¡to ¡Manufacturing ¡ w ¡ ¡Life ¡Cycle ¡Data ¡Integration ¡ w ¡ ¡Cyber-‑ ¡and ¡Cloud-‑based ¡Applications ¡
- Remote ¡Monitoring ¡and ¡Control ¡
- Remote ¡Assembly ¡
- Human-‑Robot ¡Collaboration ¡
w ¡ ¡Conclusions ¡
Manufacturing ¡in ¡a ¡Nutshell ¡
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Craft Production Production
Mfg. Systems
1913 1955 1850
Product Volume More Competitive Less Competitive
Market
Volatile demand Steady demand Supply > Demand Supply
<
Demand
System Architecture
Modular reconfigurable Unified architecture
Push Pull
Product Variety Homogenous Low Cost Products Heterogeneous Products
Society Needs
…
1980 2000
(Jovane, Koren and Boër, CIRP Annals, 52/2, 483-695, 2003)
Mass
Dedicated Lines
FMS RMS
General-Purpose
machines
Current ¡Focus: ¡
n Cyber-‑physical ¡
systems ¡
n Cloud ¡
manufacturing ¡
n Human-‑robot ¡
collaboration ¡
n Programming-‑free ¡
machine ¡control ¡
n Additive ¡
manufacturing ¡
n MBSE ¡
1913 1960 1980 2000 2010 Mass Production Lean Manufacturing Mass Customisation Reconfigurable Manufacturing Sustainable Manufacturing Cost Quality Variety Responsiveness Sustainability Criteria of manufacturing paradigms Interchangeable parts Scientific knowledge Computers Operations management Nano/bio materials
Manufacturing ¡Paradigms ¡
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(Adapted from Koren and Ulsoy, “Reconfigurable manufacturing systems,” ERC/RMS, University of Michigan, 1997)
Model-based Systems Engineering
Model-‑based ¡Engineering ¡
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“Computerized ¡models ¡used ¡to ¡support ¡engineering ¡ throughout ¡the ¡life-‑cycle” ¡
- Purposes: ¡communication, ¡documentation, ¡
analysis ¡and ¡synthesis ¡
- Drivers: ¡Complexity, ¡”Criticality” ¡and ¡”Reuse” ¡
- Requires ¡appropriate ¡methodology ¡and ¡strategy ¡
– Formalization ¡comes ¡at ¡a ¡cost ¡ MANY ¡INSTANCES ¡AND ¡FLAVOURS ¡OF ¡MBD!!! ¡
Viewpoints ¡and ¡Interrelations ¡
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1010001101001110010100111010
0011010011100101 0011101000110100 111001010011 ¡ 1010001101001110 0010011 ¡
¡
Production/ ¡ parameterization ¡ Project ¡ management ¡ Sensing, ¡ ¡estimation ¡ and ¡control ¡ Integration ¡tests ¡ CAD, ¡PDM ¡ ECU/electronics ¡ Quality ¡ Architecture ¡ Networking ¡ CAN ¡database ¡ Diagnostics, ¡ Support ¡tools ¡ Safety ¡ Maintenance, ¡ After-‑market ¡ Vehicle ¡ dynamics ¡ Software ¡
- Power ¡
- Propulsion ¡
- Thermal ¡
Mechanical ¡ ¡ components ¡
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Presentation ¡Outline ¡ w ¡ ¡Introduction ¡to ¡Manufacturing ¡ w ¡ ¡Life ¡Cycle ¡Data ¡Integration ¡ w ¡ ¡Cyber-‑ ¡and ¡Cloud-‑based ¡Applications ¡
- Remote ¡Monitoring ¡and ¡Control ¡
- Remote ¡Assembly ¡
- Human-‑Robot ¡Collaboration ¡
w ¡ ¡Conclusions ¡
Product ¡related ¡“Information ¡Mountain” ¡
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Design information Manufacturing information Maintenance information
Information Time
Concept Design Prototype Production Delivery Maintenance
Fragmented ¡storage ¡in ¡various ¡speci]ic ¡IT ¡systems ¡(PLM, ¡ALM, ¡ERP, ¡ CRM ¡etc.), ¡resulting ¡in ¡“Inconsistency ¡management” ¡
Factory ¡layout ¡ Product ¡ design ¡ Flow ¡design ¡ Process ¡planning ¡
Example ¡case ¡study: ¡Information ¡ sharing ¡in ¡factory ¡design ¡
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¡ ¡
Information ¡
Model ¡Integration ¡and ¡Decoupling ¡
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Basic ¡relations: ¡Coupled ¡systems; ¡Model ¡Equivalence; ¡ ¡ Model ¡abstraction/re]inement ¡
- But ¡much ¡more ¡concerns ¡involved! ¡
¡
Multiple ¡integration ¡scenarios; ¡Problems ¡and ¡Opportunities! ¡
¡
Challenge: ¡Ef]icienctly ¡dealing ¡with ¡change ¡management, ¡reuse, ¡ ¡ consistency, ¡and ¡ ¡leveraging ¡added ¡value ¡services ¡
¡
Approach: ¡ ¡
- Architecting ¡engineering ¡environments ¡
- DSLs ¡and ¡code ¡generators ¡for ¡data ¡integration
- Viewpoint ¡contracts ¡and ¡dependency ¡modelling ¡
- OSLC ¡based ¡integration ¡and ¡data ¡warehousing ¡
Multi-‑level ¡Approach ¡for ¡Dealing ¡with ¡ Viewpoint ¡Interrelations ¡
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Example ¡Contracts: ¡
Control-‑Embedded ¡SW ¡with ¡Timing ¡Constraints ¡
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Basis ¡for ¡communication ¡and ¡agreements ¡ ¡ Targets ¡speci]ic ¡scenarios ¡ Support ¡for ¡modelling ¡and ¡simulation ¡
Example ¡contracts: ¡ Ø ’ZET’ ¡~ ¡the ¡synchronous ¡approach ¡ Ø ’LET’ ¡~ ¡the ¡PLC ¡/ ¡Giotto ¡approach ¡ Ø ’BET’ ¡~ ¡interpretation ¡of ¡FPS ¡ Ø ’DET’ ¡~ ¡deadline ¡monotonic ¡scheduling ¡ Ø ’TOL’ ¡~ ¡Tolerances ¡on ¡time ¡variations ¡
Agreement ¡and ¡obligations ¡regarding ¡functionalities ¡and ¡timing ¡properties ¡
- SW ¡engineers: ¡execute ¡functions; ¡meet ¡timing ¡requirements ¡
- Control ¡engineers: ¡ensure ¡correct ¡closed-‑loop ¡behaviour ¡
Dependency ¡ Model ¡ Example ¡
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Courtesty of Ahsan Qamar (KTH PhD)
04/05/15 ¡ 14 ¡
Highlighting ¡Selected ¡ Interrelations ¡
Federated ¡Tools ¡and ¡Data ¡Exchange ¡
04/05/15 ¡ 15 ¡
Lifecycle
Configuration Management Change Impact Analysis
Traceability tool
An Integration Platform
Repository Traceability
Non iFEST Compliant tool
DOORS IRQA
UML tool
Simulink
HW/SW co-design tool
Test tool
Analysis
Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter Resources Tool Adapter ResourcesProcess Management Tool Authentication Tool Transformation Engine
Basic services R&A D&I V&V
Data Data Data Data Data Data Data Data Data
Over Internet
Tool Integration Framework
- Open Services for Life Cycle
Collaboration (OSLC)
iFEST ¡ARTEMIS ¡project ¡
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Architecture ¡ ¡ Browser ¡ ¡
for ¡Automotive ¡ Embedded ¡SW ¡
¡
Espresso ¡Project ¡ Demonstrator ¡
(Scania ¡and ¡KTH) ¡
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Presentation ¡Outline ¡ w ¡ ¡Introduction ¡to ¡Manufacturing ¡ w ¡ ¡Life ¡Cycle ¡Data ¡Integration ¡ w ¡ ¡Cyber-‑ ¡and ¡Cloud-‑based ¡Applications ¡
- Remote ¡Monitoring ¡and ¡Control ¡
- Remote ¡Assembly ¡
- Human-‑Robot ¡Collaboration ¡
w ¡ ¡Conclusions ¡
Cyber ¡vs. ¡Cloud ¡Manufacturing ¡
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¡
Intelligent ¡Sensors ¡/ ¡Open ¡Architecture ¡Controllers ¡
Application ¡Server ¡
Distributed ¡Process ¡Planning ¡ Dynamic ¡Scheduling ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Real-‑Time ¡Monitoring ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Remote ¡Control ¡
Web-based Integrated Sensor-driven e-ShopFloor
Wise-ShopFloor Operators ¡ Engineers ¡ Managers ¡
Real ¡World ¡ Control ¡ Monitoring ¡ Cyber ¡World ¡
Planning ¡ Monitoring ¡ Control ¡ Sensing ¡
Cyber-‑Physical ¡→ ¡Dynamic ¡→ ¡Adaptive ¡
Service ¡Levels ¡in ¡the ¡Cloud ¡
04/05/15 ¡ 19 ¡
Infrastructure
(as a Service)
Storage Servers Networking O/S Middleware Virtualisation Data Applications Runtime
Managed by vendor You manage
Platform
(as a Service)
Managed by vendor You manage
Storage Servers Networking O/S Middleware Virtualisation Applications Runtime Data
Software
(as a Service)
Managed by vendor
Storage Servers Networking O/S Middleware Virtualisation Applications Runtime Data Storage Servers Networking O/S Middleware Virtualisation Data Applications Runtime
You manage
Typical computing applications
BeneWits ¡of ¡Using ¡Cloud ¡
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Cloud ¡Manufacturing ¡Concept ¡
04/05/15 ¡ 21 ¡
à Cloud ¡computing ¡– ¡provides ¡ services ¡(IaaS, ¡PaaS, ¡SaaS, ¡AssS) ¡ with ¡high ¡reliability, ¡dynamic ¡ scalability, ¡and ¡availability ¡over ¡ the ¡Internet ¡ à Cloud ¡manufacturing ¡– ¡is ¡ based ¡on ¡cloud ¡computing ¡and ¡
- ffers ¡adaptive, ¡secure ¡and ¡on-‑
demand ¡manufacturing ¡services ¡
- ver ¡the ¡Internet ¡of ¡Things ¡
Cloud ¡Manufacturing
M
- n
i t
- r
i n g E x e c u t i
- n
S i m u l a t i
- n
P r
- c
e s s ¡ P l a n n i n g
What ¡Is ¡Cloud ¡Manufacturing? ¡
04/05/15 ¡ 22 ¡
n “is ¡an ¡integrated ¡cyber-‑physical ¡system ¡that ¡can ¡provide ¡on-‑demand ¡manufacturing ¡ services ¡digitally ¡and ¡physically ¡to ¡best ¡utilise ¡manufacturing ¡resources.” ¡
¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡L. ¡Wang ¡et ¡al., ¡“A ¡cloud-‑based ¡approach ¡for ¡WEEE ¡remanufacturing,” ¡CIRP ¡Annals ¡– ¡Manufacturing ¡Technology, ¡ Vol.63, ¡No.1, ¡pp.409-‑412, ¡2014 ¡
Cloud ¡Computing ¡
Suppliers Engineering Production Sales Distributors Customer
Manufacturing Cloud
Cloud ¡Manufacturing ¡ Cyber-‑Physical ¡System ¡
Virtual ¡to ¡Real ¡via ¡Cloud ¡
04/05/15 ¡ 23 ¡
¡
Pushlet Publisher Event Pull Source Machine Controller Machine Application Server Postlet Postlet Wrapper User-2 User-n Robot Controller Robot
Internet Factory Network
Device Adapter User-1
Publish ¡ Subscribe ¡
Model-‑based ¡Remote ¡Monitoring ¡
04/05/15 ¡ 24 ¡ Simple Universe
View
View Platform
TG
Branch Group Locale Virtual Universe Branch Group
TG
Scene Graph
- f Shop Floor
View
Side View
TG
Branch Group
Camera Behavior
TG TG
Top View Front View
TG: Transform Group
n Java ¡3D ¡uses ¡scene ¡graphs ¡to ¡
represent ¡models. ¡
A ¡scene ¡graph ¡must ¡have ¡a ¡
virtual ¡universe ¡as ¡a ¡base ¡to ¡ hold ¡graphical ¡components. ¡
n It ¡may ¡have ¡many ¡branches. ¡ n Three ¡scene ¡graph ¡branches ¡are ¡used ¡to ¡
generate ¡a ¡Wise-‑ShopFloor. ¡
A ¡Mini ¡Robotic ¡Assembly ¡Cell ¡
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¡
Joints ¡2-‑5 ¡ Joints ¡2-‑5 ¡ Joints ¡2-‑5 ¡
Virtual Universe
Background ¡ Lights ¡
T BG
Viewpoint Control
Base ¡ Platform ¡
¡
A
¡
A
¡
G
¡
A
Joint-1 Behaviour Control
T T T T T
Joint-‑1 ¡
T
Joints ¡2-‑5 ¡
Gripper Behaviour Control
Gripper ¡
¡
A Appearance ¡
¡
G Geometry ¡ User ¡defined ¡codes ¡ TransformGroup ¡node ¡ T Behaviour ¡node ¡
¡
B BG BranchGroup ¡node ¡
¡
B
¡
B
¡
B
¡
B
A ¡mini ¡robotic ¡assembly ¡cell ¡ ¡
Joint-2 Joint-1 Joint-3 Joint-4 Joint-5 Gripper
Remote ¡Robotic ¡Assembly ¡
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(L. Wang et al., "A Sensor-Driven 3D Model-Based Approach to Remote Real-Time Monitoring," CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol.60, No.1, pp.493-496, 2011.)
Data ¡Size ¡Comparison ¡
04/05/15 ¡ 27 ¡
An ¡8-‑bit ¡VGA ¡Camera ¡Image ¡ 640×480 ¡(307,200 ¡bytes) ¡ One ¡Scene ¡in ¡Java ¡3D ¡ Any ¡size ¡(52 ¡bytes) ¡
100% 0.017%
1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡ 9 ¡ 10 ¡ 11 ¡ 12 ¡ 13 ¡
Relative ¡position ¡of ¡6 ¡joints ¡ Absolute ¡position ¡of ¡6 ¡joints ¡ CW ¡
Needs ¡of ¡Remote ¡Assembly ¡
04/05/15 ¡ 28 ¡
¡
Process ¡ Planning Machine ¡Status ¡ Monitoring Execution ¡ Control Sensor ¡Network ¡
Adaptive ¡ Decision ¡ Making
§ Resource ¡selection ¡ § Job ¡dispatching ¡ § Remote ¡machining ¡ § Remote ¡assembly ¡ § Execution ¡control ¡ § Status ¡monitoring ¡ § Machine ¡availability ¡ checking ¡ § Abnormal ¡event ¡ detection ¡ § Unit ¡process ¡modelling ¡ § Process-‑feature ¡mapping ¡ § Adaptive ¡machining ¡process ¡planning ¡ § Reconfigurable ¡assembly ¡planning ¡ § Intelligent ¡algorithm ¡embedding ¡ § Real-‑time ¡data ¡acquisition ¡ § Data ¡analysis ¡and ¡feature ¡extraction ¡
Distributed ¡and ¡Dynamic ¡Manufacturing ¡Processes ¡
C Cy yb be er r-
- P
Ph hy ys si ic ca al l L Li in nk k
W Wi ir re el le es ss s S Sh ho
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p F Fl lo
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r
System ¡ConWiguration ¡
04/05/15 ¡ 29 ¡
¡
Oracle ¡ Application ¡ Server 3D ¡Model-‑Driven ¡Assembly Physical ¡Assembly
3D ¡Online ¡ Modelling Image ¡ Processing Robot ¡ Communication Camera ¡ Communication 3D ¡Models Pinhole ¡Camera ¡Model
Wise-‑ShopFloor ¡Virtual ¡Environment Shop ¡Floor ¡Physical ¡Environment
Real ¡Robot Actual ¡Objects Vision ¡Camera
Monitoring Controlling
Updating ¡Remote ¡Operator
Internet Factory ¡Network
Processing Snapshots Capturing Accessing Optional ¡Local ¡ Operator Accessing Virtual ¡Robot
Shape ¡Approximation ¡by ¡Trimming ¡
04/05/15 ¡ 30 ¡
n The ¡system ¡convert ¡the ¡
silhouettes ¡of ¡the ¡objects ¡in ¡ the ¡top-‑view ¡snapshot ¡to ¡a ¡ set ¡of ¡vertical ¡pillars ¡with ¡a ¡ default ¡height. ¡ ¡
n The ¡camera ¡is ¡then ¡used ¡to ¡
take ¡a ¡sequence ¡of ¡new ¡ snapshots ¡of ¡the ¡objects ¡ from ¡other ¡angles. ¡ Projecting ¡the ¡silhouettes ¡of ¡ each ¡snapshot ¡back ¡to ¡the ¡ 3D ¡scene ¡creates ¡a ¡number ¡
- f ¡trimmed ¡pillars. ¡
C
Snapshot 4
C
Snapshot 3
C
Snapshot 2
C
Snapshot 1 Actual object Silhouette of the object projected on the scene Modelling error
X Z Y
3D ¡ point 2D ¡image ¡ array Camera ¡in ¡ top ¡view ¡ position Camera ¡ coordinate ¡ system Pillar 2D ¡silhouette Projected ¡ 2D ¡point Maximum ¡height
Pillars ¡Construction ¡
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n The ¡]irst ¡snapshot ¡taken ¡by ¡
a ¡camera ¡provides ¡the ¡top ¡ view ¡of ¡the ¡objects. ¡
n The ¡captured ¡image ¡helps ¡
the ¡system ¡to ¡construct ¡an ¡ initial ¡representation ¡of ¡ the ¡3D ¡models ¡based ¡on ¡ the ¡extracted ¡silhouettes ¡of ¡ the ¡objects. ¡
Trimming ¡of ¡the ¡Pillars ¡
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Trimming ¡process: ¡
n Projecting ¡the ¡pillars ¡one ¡by ¡
- ne ¡from ¡the ¡3D ¡space ¡to ¡the ¡
image ¡plane ¡as ¡2D ¡line. ¡ ¡
n Extracting ¡the ¡pixels ¡that ¡are ¡
shared ¡by ¡the ¡projected ¡line ¡ and ¡the ¡silhouette ¡of ¡the ¡object, ¡ which ¡reveals ¡a ¡trimmed ¡line. ¡ ¡
n Projecting ¡back ¡the ¡trimmed ¡
2D ¡line ¡to ¡the ¡3D ¡space ¡to ¡ replace ¡the ¡old ¡pillar, ¡resulting ¡ in ¡a ¡trimmed ¡new ¡pillar. ¡ ¡
❶ ¡Silhouette ¡and ¡initial ¡pillars ❸ ¡Trimming ¡of ¡projected ¡lines ❷ ¡Projected ¡lines ¡on ¡image ¡plane ❹ ¡Trimmed ¡pillars ¡in ¡3D ¡space
3D ¡point ¡
- f ¡a ¡pillar
Pillar For ¡the ¡ease ¡of ¡understanding, ¡the ¡image ¡plane ¡ is ¡placed ¡in ¡parallel ¡of ¡the ¡pillars. ¡The ¡image ¡ plane ¡can ¡be ¡in ¡any ¡pose ¡for ¡trimming. ¡ ¡ ¡ Pillar ¡with ¡ multiple ¡ subsections
Z Y X V U V U
A ¡Recorded ¡Demo ¡
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(L. Wang et al., "Remote Robotic Assembly Guided by 3D Models Linking to a Real Robot," CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol.63, No.1, pp.1-4, 2014.)
Active ¡Collision ¡Avoidance ¡
04/05/15 ¡ 34 ¡
Human-robot co-existing environment Dual-camera for positioning Collecting current robot position Calculating relative distance Making decision / taking action Acquiring depth images of operator Detecting
- perator’s position
Monitoring robot via a 3D model
Safety ¡Policies ¡
04/05/15 ¡ 35 ¡
¡
Monitored area
Active Collision Avoidance
Warning the operator Stopping the robot Moving the robot back Modyfing the path
Monitored area
STOP
Monitored area Monitored area
Image ¡Processing ¡
04/05/15 ¡ 36 ¡
Depth images Data acquisition Background removal Filtering and labeling 3D visualisation Combining with 3D model of robot Depth images without background 3D point cloud of detected operator Active collision detection and avoidance between human and robot Detected operator
Augmented environment
Camera 1 Camera 2
Camera ¡1 ¡RGB ¡ Camera ¡2 ¡RGB ¡
Dual-camera for positioning
Safety ¡without ¡a ¡Fence ¡
04/05/15 ¡ 37 ¡
Conclusions ¡
04/05/15 ¡ 38 ¡
n Models ¡as ¡necessary ¡and ¡intrinsic ¡part ¡of ¡manufacturing ¡
systems ¡life-‑cycle ¡ ¡
n Models ¡of ¡different ¡types ¡(geometrical, ¡kinematic, ¡
dynamic ¡and ¡control) ¡playing ¡important ¡roles ¡in ¡CPS ¡and ¡ cloud ¡manufacturing ¡
n Real-‑time ¡constraint, ¡security ¡and ¡uncertainty ¡ n Viewpoint ¡interrelations ¡ § Architecting ¡and ¡model-‑based ¡approaches ¡to ¡
engineering ¡environments ¡
§ Viewpoint ¡contracts ¡and ¡dependency ¡modelling ¡ § OSLC ¡based ¡integration ¡and ¡data ¡warehousing ¡
04/05/15 ¡ 39 ¡
Further ¡reading ¡if ¡interested: ¡
- Martin ¡Törngren, ¡Ahsan ¡Qamar, ¡Matthias ¡Biehl, ¡Frederic ¡Loiret, ¡Jad ¡Elkhoury. ¡Integrating ¡
Viewpoints ¡in ¡the ¡Development ¡of ¡Mechatronic ¡Products. ¡Journal ¡of ¡Mechatronics, ¡special ¡ issue ¡on ¡Model-‑based ¡mechatronic ¡system-‑design, ¡Elsevier ¡Dec. ¡2013, ¡(http://dx.doi.org/ 10.1016/j.mechatronics.2013.11.013). ¡
- Patricia ¡Derler, ¡Edward ¡Lee, ¡Martin ¡Törngren, ¡Stavros ¡Tripakis. ¡Cyber-‑Physical ¡System ¡
Design ¡Contracts, ¡ICCPS ¡'13: ¡ACM/IEEE ¡4th ¡Int. ¡Conf. ¡on ¡Cyber-‑Physical ¡Systems, ¡2013. ¡
- Matthias ¡Biehl, ¡Jad ¡El-‑Khoury, ¡Frederic ¡Loiret, ¡Martin ¡Törngren. ¡On ¡the ¡Modeling ¡and ¡
Generation ¡of ¡Service-‑Oriented ¡Tool ¡Chains. ¡J. ¡of ¡Software ¡and ¡Systems ¡Modeling, ¡Dec ¡
- 2012. ¡
- L. ¡Wang, ¡A. ¡Mohammed ¡and ¡M. ¡Onori, ¡"Remote ¡Robotic ¡Assembly ¡Guided ¡by ¡3D ¡Models ¡
Linking ¡to ¡a ¡Real ¡Robot," ¡CIRP ¡Annals ¡– ¡Manufacturing ¡Technology, ¡Vol.63, ¡No.1, ¡pp.1-‑4, ¡
- 2014. ¡
- L. ¡Wang, ¡M. ¡Givehchi, ¡G. ¡Adamson ¡and ¡M. ¡Holm, ¡"A ¡Sensor-‑Driven ¡3D ¡Model-‑Based ¡