Loading…
The Working Posture Controller - automated adaptation of the workpiece pose to enable a neutral working posture
Nguyen, The Duy
The human worker plays a vital role on the production line. Although modern automation technology has succeeded in replacing much of the workforce in factories, there are scenarios where full automation cannot be realised. For example, enterprises offering a broad portfolio of varying products can often not afford the reconfiguration costs of frequently changing manufacturing facilities. Moreover, there are still tasks, such as dealing with highly flexible workpieces, which cannot be effectively automatised.
Experienced human workers, in contrast to machinery, are able to adapt to new tasks in a short time and possess cognitive and sensorimotor skills that, at the present time, cannot be imitated by machines. However, maintaining the health of the workforce is a challenge. Work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) are the dominant reason for worker absenteeism, leading to large financial losses for states and companies. One fundamental risk factor for these disorders is work that requires awkward postures.
For this reason, extensive research has been conducted into preventing awkward postures in the workplace. The solutions proposed thus far have achieved a significant improvement of the situation. However, implementing the most effectual solutions is labour-intensive and impairs the flexibility of the production line. In brief, robust solutions must be individualised to the specific task and workplace. Although there are approaches that are able to facilitate automatically adapting to new tasks, they are far less effective. In the present thesis, this dilemma is referred to as the ''effectiveness-flexibility trade-off''.
This thesis strives to bridge this trade-off. Herein, the Working Posture Controller (WPC), a novel type of equipment that imitates the measures performed by workplace designers, was proposed. The WPC automatically monitors the worker's posture when performing a task at hand. In the case of an ergonomically unfavourable situation, the device proposes a re-adjustment of the workplace layout, enabling the worker to perform the same task while maintaining an ergonomically superior posture. The actual re-adjustment can then be realised by an actuator. Here, system concepts and algorithms to produce such a piece of equipment were developed. In detail, the proposed methods can perform posture assessments automatically using a depth camera and optimise posture through workplace layout adjustments. As the computation time needed for these components is just a few seconds, the system is capable of reacting immediately.
The system components were evaluated in isolation as well as in a demonstrator scenario. The experiments revealed that the automated posture assessment results were comparable to a manual assessment. Furthermore, the automated posture optimisation was seemingly able to transform most postures with high physical load into low-load postures.
Apart from their role with the WPC, the fundamental algorithms developed in this thesis can also be applied in other applications in the field of ergonomics and human-robot collaboration.
Der Mensch hat eine prägende Rolle in der Produktion. Moderne Automatisierungstechnik hat schon große Teile der Belegschaft in Fabriken ersetzt. Jedoch gibt es Szenarien, wo eine Vollautomatisierung nicht realisiert werden kann. Zum Beispiel sind die hohen Rekonfigurationskosten der sich ständig ändernden Produktionslinien für Unternehmen, die ein breites Spektrum an Produkten anbieten, oft wirtschaftlich schwer darstellbar. Des Weiteren gibt es immer noch Aufgaben, wie das Handhaben flexibler Bauteile, die noch nicht effektiv automatisiert werden können.
Erfahrene Werker sind im Gegensatz zur Maschine in der Lage, neue Aufgaben in kurzer Zeit zu erlernen. Ausserdem besitzen sie kognitive und sensormotorische Fähigkeiten, die derzeit von keiner Maschine kopiert werden können. Andererseits stellt der Erhalt der Werkergesundheit eine Herausforderung dar. Arbeitsbezogene Muskel- und Skelletterkrankungen sind die vorwiegende Ursache von Fehltagen bei Werkern. Sie führen zu hohen finanziellen Verlusten bei Staat und Unternehmen. Eine wesentliche Ursache dieser Erkrankungen ist, dass die Tätigkeiten das Einnehmen von Zwangshaltungen erfordern.
Aufgrund ihrer großen Bedeutung standen Zwangshaltungen und deren Vermeidung bereits in der Vergangenheit im wissenschaftlichen Fokus. Bisher vorgestellte Lösungen führten zu einer signifikanten Verbesserung der Situation. Jedoch ist die Umsetzung der effektivsten Ansätze aufwändig und schränkt die Flexibilität der Fertigungslinie ein. Mit anderen Worten: Effektive Lösungen müssen an Tätigkeit und Arbeitsplatz angepasst werden. Zwar gibt es Lösungsansätze, die sich automatisch an neue Tätigkeiten anpassen können. Diese sind jedoch wesentlich ineffektiver. In der vorliegenden Arbeit wird dieses geschilderte Dilemma als ''effectiveness-flexibility trade-off'' bezeichnet.
Diese Dissertation versucht den oben beschriebenen Zielkonflikt zu überbrücken. Es wurde der Working Posture Controller (WPC) vorgestellt. Dieses neuartige Arbeitsmittel imitiert die Tätigkeit von Arbeitsplatzgestaltern. Der WPC bewertet automatisch die Körperhaltung des Werkers während der Ausführung der Arbeit. Tritt eine ergonomisch ungünstige Situation auf, schlägt der WPC eine Umgestaltung des Arbeitsplatzes vor, die dem Werker eine Ausführung der gleichen Tätigkeiten in einer ergonomisch besseren Haltung ermöglicht. Der eigentliche Umgestaltungsprozess kann dann mittels einer Aktorik realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Systemkonzept und Basisalgorithmen zur Realisierung eines solchen Systems entwickelt. Im Detail wurden Methoden vorgeschlagen, um automatisch sowohl ergonomische Haltungsbewertungen mit einer Tiefenkamera durchzuführen als auch diese Haltung durch Umgestaltung des Arbeitsplatzes zu optimieren. Da die Rechenzeit nur wenige Sekunden beträgt, kann das System kurz nach Eintreten der Situation reagieren.
Die Systemkomponenten wurden sowohl individuell als auch in einem Demonstratorszenario evaluiert. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ergebnisse der automatischen Haltungsbewertung vergleichbar mit denen der manuellen sind. Des Weiteren war die Methode zur automatischen Haltungsoptimierung in der Lage, die meisten Haltungen mit hoher Belastung in Haltungen mit niedriger Belastung umzuwandeln.
Abgesehen von ihrem Einsatz im WPC können die Grundlagenmethoden, die in dieser Arbeit entwickelt worden sind, auch in anderen Anwendungen im Bereich der Ergonomie und Mensch-Roboter-Kollaboration verwendet werden.
