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穿戴式人機(jī)界面在汽車(chē)柔性生產(chǎn)中的運(yùn)用

2018-11-21 22:05:52·  來(lái)源：DSA 電動(dòng)化智能化汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)  
　
穿戴式人機(jī)界面在汽車(chē)柔性生產(chǎn)中的運(yùn)用基于工業(yè)4.0的高效作業(yè)和專(zhuān)注工業(yè)互聯(lián)的生產(chǎn)系統(tǒng)摘要工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（LLOT）致力于變革數(shù)據(jù)、機(jī)器和操作人員的互動(dòng)方
穿戴式人機(jī)界面在汽車(chē)柔性生產(chǎn)中的運(yùn)用
基于工業(yè)4.0的高效作業(yè)和專(zhuān)注工業(yè)互聯(lián)的生產(chǎn)系統(tǒng)
 
摘要
工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（LLOT）致力于變革數(shù)據(jù)、機(jī)器和操作人員的互動(dòng)方式，從而使之更加透明和提高生產(chǎn)效率，一個(gè)關(guān)鍵的部分就是操作人員與高度動(dòng)態(tài)和靈活的生產(chǎn)流程的高度融合。
在數(shù)字化的進(jìn)程中，人機(jī)界面（HMI）的形式和質(zhì)量是過(guò)程性能、操作人員接受度和操作人員安全的關(guān)鍵組成部分。DSA一直致力于在汽車(chē)生產(chǎn)制造中探索和嘗試使用另外一種便攜穿戴式的人接界面（HMI），目的是為每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景確立最佳方案，并通過(guò)更好的人機(jī)工程學(xué)提升用戶的接受程度。
本文介紹了一些關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)：
 
1 介紹和背景
如今的汽車(chē)工業(yè)面臨著不斷增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，現(xiàn)代汽車(chē)構(gòu)造的復(fù)雜性，加上頻繁的汽車(chē)設(shè)計(jì)變化導(dǎo)致了對(duì)生產(chǎn)要求頻繁的改動(dòng)。而且，客戶持續(xù)增長(zhǎng)的個(gè)性化需求需要生產(chǎn)流程具備高度的靈活性。
在裝配線上工作的員工不僅需要特定的技術(shù)知識(shí)，而且還必須能夠處理汽車(chē)構(gòu)造里多樣化的零部件和工序，而且時(shí)間壓力越來(lái)越大。因此，他們必須在合適的時(shí)間獲取所有必要的信息 – 并且最好是用最不顯眼的方式。
新技術(shù)為工作人員的數(shù)字化作業(yè)提供了幾種可能的選擇，包括可視化、操作流程互動(dòng)和文檔。
圖1： 員工數(shù)字化的技術(shù)方案選擇
  • 視覺(jué)化: 為安裝人員提供當(dāng)前和下一步作業(yè)信息（比如：安裝手冊(cè)），潛在的警報(bào)（質(zhì)量管理），和狀態(tài)信息等。
  • 控制: 允許操作人員提供反饋信息和給相關(guān)系統(tǒng)提供輸入，比如確認(rèn)操作或輸入所需數(shù)據(jù)。
  • 執(zhí)行:對(duì)車(chē)輛狀態(tài)、正確車(chē)輛裝配所需的任務(wù)以及相關(guān)的測(cè)試程序進(jìn)行追蹤。
1.1 當(dāng)前生產(chǎn)的挑戰(zhàn)
目前只有30%的制造工廠能夠?qū)崟r(shí)看到所有產(chǎn)品的狀態(tài)。此外，超過(guò)33%的質(zhì)量問(wèn)題可以歸因于裝配工人缺乏經(jīng)驗(yàn) (Ubisense, 2014)。
傳統(tǒng)的生產(chǎn)支持系統(tǒng)如按燈揀貨、打印的安裝指示、紙質(zhì)的校對(duì)清單、甚至以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的固定信息站不再足以達(dá)到最高效率和最小化錯(cuò)誤。全自動(dòng)的系統(tǒng)和機(jī)器人可以降低錯(cuò)誤率，但是它們不能足夠靈活的分配到許多各自高度獨(dú)立的任務(wù)中去。
除此之外，控制生產(chǎn)所需的系統(tǒng)間的不一致（生產(chǎn)執(zhí)行、產(chǎn)線診斷、物流等）造成了信息間的簡(jiǎn)倉(cāng)，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)產(chǎn)品和質(zhì)量信息進(jìn)行全面評(píng)估。
2 可穿戴技術(shù)
可穿戴技術(shù)可以用來(lái)為工廠里的產(chǎn)線工人提供任何所需的信息。顯示的信息可以通過(guò)配置進(jìn)行特殊過(guò)濾，并且結(jié)果可以自動(dòng)地傳輸?shù)揭粋€(gè)中央的數(shù)據(jù)中心。
但是，數(shù)字信息迭代會(huì)讓用戶信息超載，為了選擇正確的設(shè)備，必須平衡操作時(shí)間和完成工作所需的最少信息量。
圖2 顯示了工人操作速度和可傳遞數(shù)據(jù)信息量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖2：隨身攜帶技術(shù)的方案領(lǐng)域
DSA在多個(gè)研究和示范項(xiàng)目中對(duì)以下幾類(lèi)可穿戴技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估，其背景是可穿戴技術(shù)在汽車(chē)(汽車(chē)、卡車(chē)、特種機(jī)械)生產(chǎn)中的不同類(lèi)型和不同任務(wù)中的適用性:
  • 頭部顯示設(shè)備: ? 抬頭顯示屏、輔助實(shí)現(xiàn)、增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)、虛擬實(shí)現(xiàn)
  • 手臂顯示設(shè)備: ? 智能手表、智能手環(huán)、臂帶顯示顯示器
  • 配件: ? 手環(huán)掃描儀、控制器
3 方案需求和挑戰(zhàn)
可穿戴式人機(jī)界面在生產(chǎn)過(guò)程中的整合具有很多優(yōu)勢(shì)——對(duì)新功能的評(píng)估包括以下幾個(gè)方面:
  • 模塊化，包括適當(dāng)?shù)某橄髮拥目捎眯?，以便輕松地移植到新的硬件
  • 靈活性，尤其是支持不同類(lèi)型設(shè)備和配件的能力
  • 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和分析能力
  • 實(shí)時(shí)反饋，即所有操作人員和主管都會(huì)獲得實(shí)時(shí)、最新的信息，包括質(zhì)量和報(bào)警信息
  • 可擴(kuò)展性 – 增加新用戶和系統(tǒng)都簡(jiǎn)單明了
  • 適應(yīng)性和無(wú)障礙：為操作員提供的信息必須和他們的經(jīng)驗(yàn)水平、能力和注意力匹配
大規(guī)模用可穿戴人機(jī)界面的使用還需克服一些挑戰(zhàn)，包括用戶位置跟蹤的法務(wù)問(wèn)題(Ajunwa, Crawford， & Schultz, 2017)、用戶接受程度(Schuster, 2014)和性價(jià)比考慮，然而，可穿戴式人機(jī)界面技術(shù)的不斷進(jìn)步表明，常規(guī)的挑戰(zhàn)將很快被克服。
(Gartner, 2017) 預(yù)測(cè)到2021年，頭部顯示設(shè)備將成為主流產(chǎn)品。
4 應(yīng)用實(shí)例: 下線 /測(cè)試臺(tái)架人機(jī)界面
以下將描述在下線 / 測(cè)試臺(tái)架人機(jī)界面的應(yīng)用，展示可穿戴式人機(jī)界面在汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用性。
目的： 在測(cè)試臺(tái)架的測(cè)試執(zhí)行過(guò)程中，提高操作工的靈活性
目標(biāo)： 測(cè)試工位的操作人員
一旦車(chē)輛離開(kāi)生產(chǎn)線，它們就會(huì)被送往多個(gè)測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。在這個(gè)過(guò)程中，技術(shù)人員需要若干種類(lèi)的指導(dǎo)信息以順利完成測(cè)試。
4.1 特定要求
最適合這類(lèi)操作的顯示和輸入設(shè)備就是可穿戴人機(jī)界面設(shè)備，它們不僅可以作為用戶界面，而且可以作為基礎(chǔ)的控制單器。可穿戴設(shè)備顯示的信息必須簡(jiǎn)單明了，技術(shù)人員只有在必要的時(shí)候才收到必須信息。操作工必須能夠解放雙手，遠(yuǎn)程控制測(cè)試設(shè)備，并能夠以高效的方式與車(chē)輛或試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行互動(dòng)作業(yè)。
用戶界面視覺(jué)限制包括生產(chǎn)線上照明水平的變化、背景位移、用戶視覺(jué)敏感度和安全因素。一個(gè)理想的用戶界面解決方案包括：
  • 文字、圖表和背景之間的高對(duì)比度
  • 幾乎沒(méi)有文本，以減少理解下一個(gè)活動(dòng)所需的時(shí)間
  • 選擇符號(hào)的大型圖形元素，或者專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的圖標(biāo)
  • 用戶視野無(wú)障礙
  • 適合長(zhǎng)時(shí)間穿著
  • 電池供電時(shí)間超過(guò)一個(gè)作業(yè)班
理想的輸入解決方案應(yīng)只有少量的按鍵，具備如下的特性：
  • 各種姿勢(shì)下都容易使用 (站立、坐下、彎腰、查看車(chē)底等等)，不需
  • 干預(yù)或限制動(dòng)作
  • 按壓時(shí)的觸覺(jué)反饋，即使使用厚手套或厚衣服也能正確傳遞到身體
  • 按鈕方位只能通過(guò)觸摸來(lái)確定，不需要看設(shè)備
4.2 舉例: 轉(zhuǎn)轂測(cè)試臺(tái)
轉(zhuǎn)轂測(cè)試臺(tái)在下線區(qū)域，對(duì)前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)車(chē)實(shí)施駕駛動(dòng)態(tài)檢測(cè)，同時(shí)執(zhí)行控制器的參數(shù)設(shè)置。下面的可穿戴人機(jī)界面屏幕的實(shí)例展示了汽車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)試中駕駛員的屏幕設(shè)計(jì)。
圖3：可攜帶人機(jī)界面屏幕的設(shè)計(jì)實(shí)例和原則
屏幕被分為“目標(biāo)狀態(tài)”和“當(dāng)前狀態(tài)”兩個(gè)部分。目標(biāo)狀態(tài)顯示駕駛員必須達(dá)到的指標(biāo)，當(dāng)前狀態(tài)則顯示車(chē)輛或轉(zhuǎn)轂臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)。
盡量減少文本(1)的內(nèi)容，快速識(shí)別期望的狀態(tài)，并突出顯示。另外兩個(gè)圖標(biāo)(2)表示期望的齒輪檔位和所期望的方向盤(pán)狀態(tài)。在左側(cè)，一個(gè)大的圖形欄(3)顯示當(dāng)前速度與期望的任務(wù)，并用一個(gè)大的數(shù)字表示。實(shí)際限值將作為參考會(huì)顯示，操作工不需要去讀取極限，因?yàn)樗俣鹊脑黾訒?huì)立即反映出來(lái)，目前的檔位信息也會(huì)顯示。
由于臺(tái)架測(cè)試臺(tái)的主要測(cè)試是“加速度和速度”，因此圖形欄顯示一個(gè)方向，表明運(yùn)行向前。
下面的圖片顯示了在轉(zhuǎn)轂測(cè)試臺(tái)上雙手解放的操作工運(yùn)用可穿戴人機(jī)界面的操作。
工作人員可以在動(dòng)態(tài)下獲取所有需要的信息和操作指令。可穿戴人機(jī)界面 (如圖：谷歌眼鏡) 與DSA PRODIS服務(wù)器和車(chē)輛進(jìn)行了通訊連接，同時(shí)通過(guò)一款無(wú)顯示屏幕的高性能車(chē)輛通訊卡（VCI）與車(chē)輛建立通訊，VCI是DSA 的smartMDI，通過(guò)OBD口與車(chē)輛連接。
圖4：可攜帶人機(jī)界面（圖：谷歌眼鏡）應(yīng)用；和DSA PRODIS服務(wù)器連接，并通過(guò)高性能DSA smartMDI和車(chē)輛連接
5 結(jié)論
通過(guò)是無(wú)縫的“數(shù)字化”和把操作工融合到靈活的生產(chǎn)流程中，智能穿戴設(shè)備在汽車(chē)制造中的運(yùn)用可以從靈活性、性能、質(zhì)量和，操作舒適度和安全性等方面帶來(lái)顯著的提升。主要受益的幾個(gè)方面有:
  • 低成本
  •  降低產(chǎn)品變更時(shí)生產(chǎn)線的重組耗費(fèi)
  • 降低技術(shù)任務(wù)的間接成本
  • 增加的測(cè)量和控制
  • 對(duì)生產(chǎn)線中問(wèn)題的快速反應(yīng)
  • 收集的數(shù)據(jù)可以用來(lái)提供統(tǒng)計(jì)信息
  • 改善的溝通
  • 提供實(shí)時(shí)信息
  • 領(lǐng)域間的直接溝通
  • 集中化的存檔和分析
  • 自動(dòng)化提示流程
更多詳情請(qǐng)見(jiàn)DSA白皮書(shū) “Smart Wearable HMI Devices for a Flexible Vehicle Production”，可以通過(guò)書(shū)面聯(lián)系 sales@dsa.de 進(jìn)行索取。
參考文獻(xiàn)
Ajunwa, I., Crawford, K., & Schultz, J. (2017). Limitless Worker Surveillance. California Law Review Vol. 105, No. 3, 735-776.
Billinghurst, M., & Starner, T. (1999). Wearable devices: new ways to manage information. Computer Volume 32, Issue 1, 57-64.
Gartner. (24. 08 2017). Gartner Says Worldwide Wearable Device Sales to Grow 17 Percent in 2017. Von Newsroom: https://www.gartner.com/newsroom/id/3790965 abgerufen
Lee, J., Bagheri, B., & Kao, H.-A. (2015). A Cyber-Physical Systems
architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems.
Manufacturing Letters, 18-23.
Schuster, D. (14. 07 2014). The revolt against Google "Glassholes". New York Post.
Ubisense. (2014). 2014 Smart Manufacturing Technologies Survey.
作者：
Mario Ortegón, Johanna Sachtleben, Tobias Katz 
DSA Daten- und Systemtechnik
GmbH
湯華 – DSA-China Electronic Technology Co., Ltd 
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