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穿戴式人機界面在汽車柔性生產(chǎn)中的運用

2018-11-21 22:05:52·  來源：DSA 電動化智能化汽車動力系統(tǒng)  
　
穿戴式人機界面在汽車柔性生產(chǎn)中的運用基于工業(yè)4.0的高效作業(yè)和專注工業(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)、機器和操作人員的互動方
穿戴式人機界面在汽車柔性生產(chǎn)中的運用
基于工業(yè)4.0的高效作業(yè)和專注工業(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)、機器和操作人員的互動方式，從而使之更加透明和提高生產(chǎn)效率，一個關(guān)鍵的部分就是操作人員與高度動態(tài)和靈活的生產(chǎn)流程的高度融合。
在數(shù)字化的進程中，人機界面（HMI）的形式和質(zhì)量是過程性能、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），目的是為每個應(yīng)用場景確立最佳方案，并通過更好的人機工程學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
如今的汽車工業(yè)面臨著不斷增長的挑戰(zhàn)，現(xiàn)代汽車構(gòu)造的復(fù)雜性，加上頻繁的汽車設(shè)計變化導致了對生產(chǎn)要求頻繁的改動。而且，客戶持續(xù)增長的個性化需求需要生產(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，而且還必須能夠處理汽車構(gòu)造里多樣化的零部件和工序，而且時間壓力越來越大。因此，他們必須在合適的時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、操作流程互動和文檔。
圖1： 員工數(shù)字化的技術(shù)方案選擇
  • 視覺化: 為安裝人員提供當前和下一步作業(yè)信息（比如：安裝手冊），潛在的警報（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，比如確認操作或輸入所需數(shù)據(jù)。
  • 執(zhí)行:對車輛狀態(tài)、正確車輛裝配所需的任務(wù)以及相關(guān)的測試程序進行追蹤。
1.1 當前生產(chǎn)的挑戰(zhàn)
目前只有30%的制造工廠能夠?qū)崟r看到所有產(chǎn)品的狀態(tài)。此外，超過33%的質(zhì)量問題可以歸因于裝配工人缺乏經(jīng)驗 (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)的校對清單、甚至以計算機為基礎(chǔ)的固定信息站不再足以達到最高效率和最小化錯誤。全自動的系統(tǒng)和機器人可以降低錯誤率，但是它們不能足夠靈活的分配到許多各自高度獨立的任務(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）造成了信息間的簡倉，導致無法對產(chǎn)品和質(zhì)量信息進行全面評估。
2 可穿戴技術(shù)
可穿戴技術(shù)可以用來為工廠里的產(chǎn)線工人提供任何所需的信息。顯示的信息可以通過配置進行特殊過濾，并且結(jié)果可以自動地傳輸?shù)揭粋€中央的數(shù)據(jù)中心。
但是，數(shù)字信息迭代會讓用戶信息超載，為了選擇正確的設(shè)備，必須平衡操作時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)信息量的對應(yīng)關(guān)系。
圖2：隨身攜帶技術(shù)的方案領(lǐng)域
DSA在多個研究和示范項目中對以下幾類可穿戴技術(shù)進行了評估，其背景是可穿戴技術(shù)在汽車(汽車、卡車、特種機械)生產(chǎn)中的不同類型和不同任務(wù)中的適用性:
  • 頭部顯示設(shè)備: ? 抬頭顯示屏、輔助實現(xiàn)、增強實現(xiàn)、虛擬實現(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)
可穿戴式人機界面在生產(chǎn)過程中的整合具有很多優(yōu)勢——對新功能的評估包括以下幾個方面:
  • 模塊化，包括適當?shù)某橄髮拥目捎眯?，以便輕松地移植到新的硬件
  • 靈活性，尤其是支持不同類型設(shè)備和配件的能力
  • 實時數(shù)據(jù)傳輸和分析能力
  • 實時反饋，即所有操作人員和主管都會獲得實時、最新的信息，包括質(zhì)量和報警信息
  • 可擴展性 – 增加新用戶和系統(tǒng)都簡單明了
  • 適應(yīng)性和無障礙：為操作員提供的信息必須和他們的經(jīng)驗水平、能力和注意力匹配
大規(guī)模用可穿戴人機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)問題(Ajunwa, Crawford， & Schultz, 2017)、用戶接受程度(Schuster, 2014)和性價比考慮，然而，可穿戴式人機界面技術(shù)的不斷進步表明，常規(guī)的挑戰(zhàn)將很快被克服。
(Gartner, 2017) 預(yù)測到2021年，頭部顯示設(shè)備將成為主流產(chǎn)品。
4 應(yīng)用實例: 下線 /測試臺架人機界面
以下將描述在下線 / 測試臺架人機界面的應(yīng)用，展示可穿戴式人機界面在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用性。
目的： 在測試臺架的測試執(zhí)行過程中，提高操作工的靈活性
目標： 測試工位的操作人員
一旦車輛離開生產(chǎn)線，它們就會被送往多個測試臺架進行進一步測試。在這個過程中，技術(shù)人員需要若干種類的指導信息以順利完成測試。
4.1 特定要求
最適合這類操作的顯示和輸入設(shè)備就是可穿戴人機界面設(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?？纱┐髟O(shè)備顯示的信息必須簡單明了，技術(shù)人員只有在必要的時候才收到必須信息。操作工必須能夠解放雙手，遠程控制測試設(shè)備，并能夠以高效的方式與車輛或試驗臺進行互動作業(yè)。
用戶界面視覺限制包括生產(chǎn)線上照明水平的變化、背景位移、用戶視覺敏感度和安全因素。一個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比度
  • 幾乎沒有文本，以減少理解下一個活動所需的時間
  • 選擇符號的大型圖形元素，或者專門設(shè)計的圖標
  • 用戶視野無障礙
  • 適合長時間穿著
  • 電池供電時間超過一個作業(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：
  • 各種姿勢下都容易使用 (站立、坐下、彎腰、查看車底等等)，不需
  • 干預(yù)或限制動作
  • 按壓時的觸覺反饋，即使使用厚手套或厚衣服也能正確傳遞到身體
  • 按鈕方位只能通過觸摸來確定，不需要看設(shè)備
4.2 舉例: 轉(zhuǎn)轂測試臺
轉(zhuǎn)轂測試臺在下線區(qū)域，對前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)車實施駕駛動態(tài)檢測，同時執(zhí)行控制器的參數(shù)設(shè)置。下面的可穿戴人機界面屏幕的實例展示了汽車動態(tài)測試中駕駛員的屏幕設(shè)計。
圖3：可攜帶人機界面屏幕的設(shè)計實例和原則
屏幕被分為“目標狀態(tài)”和“當前狀態(tài)”兩個部分。目標狀態(tài)顯示駕駛員必須達到的指標，當前狀態(tài)則顯示車輛或轉(zhuǎn)轂臺的測試數(shù)據(jù)。
盡量減少文本(1)的內(nèi)容，快速識別期望的狀態(tài)，并突出顯示。另外兩個圖標(2)表示期望的齒輪檔位和所期望的方向盤狀態(tài)。在左側(cè)，一個大的圖形欄(3)顯示當前速度與期望的任務(wù)，并用一個大的數(shù)字表示。實際限值將作為參考會顯示，操作工不需要去讀取極限，因為速度的增加會立即反映出來，目前的檔位信息也會顯示。
由于臺架測試臺的主要測試是“加速度和速度”，因此圖形欄顯示一個方向，表明運行向前。
下面的圖片顯示了在轉(zhuǎn)轂測試臺上雙手解放的操作工運用可穿戴人機界面的操作。
工作人員可以在動態(tài)下獲取所有需要的信息和操作指令?？纱┐魅藱C界面 (如圖：谷歌眼鏡) 與DSA PRODIS服務(wù)器和車輛進行了通訊連接，同時通過一款無顯示屏幕的高性能車輛通訊卡（VCI）與車輛建立通訊，VCI是DSA 的smartMDI，通過OBD口與車輛連接。
圖4：可攜帶人機界面（圖：谷歌眼鏡）應(yīng)用；和DSA PRODIS服務(wù)器連接，并通過高性能DSA smartMDI和車輛連接
5 結(jié)論
通過是無縫的“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)備在汽車制造中的運用可以從靈活性、性能、質(zhì)量和，操作舒適度和安全性等方面帶來顯著的提升。主要受益的幾個方面有:
  • 低成本
  •  降低產(chǎn)品變更時生產(chǎn)線的重組耗費
  • 降低技術(shù)任務(wù)的間接成本
  • 增加的測量和控制
  • 對生產(chǎn)線中問題的快速反應(yīng)
  • 收集的數(shù)據(jù)可以用來提供統(tǒng)計信息
  • 改善的溝通
  • 提供實時信息
  • 領(lǐng)域間的直接溝通
  • 集中化的存檔和分析
  • 自動化提示流程
更多詳情請見DSA白皮書 “Smart Wearable HMI Devices for a Flexible Vehicle Production”，可以通過書面聯(lián)系 sales@dsa.de 進行索取。
參考文獻
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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