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穿戴式人机界面在汽车柔性生产中的运用

2018-11-21 22:05:52·  来源：DSA 电动化智能化汽车动力系统  
　
穿戴式人机界面在汽车柔性生产中的运用基于工业4.0的高效作业和专注工业互联的生产系统摘要工业4.0和工业互联网（LLOT）致力于变革数据、机器和操作人员的互动方
穿戴式人机界面在汽车柔性生产中的运用
基于工业4.0的高效作业和专注工业互联的生产系统
 
摘要
工业4.0和工业互联网（LLOT）致力于变革数据、机器和操作人员的互动方式，从而使之更加透明和提高生产效率，一个关键的部分就是操作人员与高度动态和灵活的生产流程的高度融合。
在数字化的进程中，人机界面（HMI）的形式和质量是过程性能、操作人员接受度和操作人员安全的关键组成部分。DSA一直致力于在汽车生产制造中探索和尝试使用另外一种便携穿戴式的人接界面（HMI），目的是为每个应用场景确立最佳方案，并通过更好的人机工程学提升用户的接受程度。
本文介绍了一些关键的发现：
 
1 介绍和背景
如今的汽车工业面临着不断增长的挑战，现代汽车构造的复杂性，加上频繁的汽车设计变化导致了对生产要求频繁的改动。而且，客户持续增长的个性化需求需要生产流程具备高度的灵活性。
在装配线上工作的员工不仅需要特定的技术知识，而且还必须能够处理汽车构造里多样化的零部件和工序，而且时间压力越来越大。因此，他们必须在合适的时间获取所有必要的信息 – 并且最好是用最不显眼的方式。
新技术为工作人员的数字化作业提供了几种可能的选择，包括可视化、操作流程互动和文档。
图1： 员工数字化的技术方案选择
  • 视觉化: 为安装人员提供当前和下一步作业信息（比如：安装手册），潜在的警报（质量管理），和状态信息等。
  • 控制: 允许操作人员提供反馈信息和给相关系统提供输入，比如确认操作或输入所需数据。
  • 执行:对车辆状态、正确车辆装配所需的任务以及相关的测试程序进行追踪。
1.1 当前生产的挑战
目前只有30%的制造工厂能够实时看到所有产品的状态。此外，超过33%的质量问题可以归因于装配工人缺乏经验 (Ubisense, 2014)。
传统的生产支持系统如按灯拣货、打印的安装指示、纸质的校对清单、甚至以计算机为基础的固定信息站不再足以达到最高效率和最小化错误。全自动的系统和机器人可以降低错误率，但是它们不能足够灵活的分配到许多各自高度独立的任务中去。
除此之外，控制生产所需的系统间的不一致（生产执行、产线诊断、物流等）造成了信息间的简仓，导致无法对产品和质量信息进行全面评估。
2 可穿戴技术
可穿戴技术可以用来为工厂里的产线工人提供任何所需的信息。显示的信息可以通过配置进行特殊过滤，并且结果可以自动地传输到一个中央的数据中心。
但是，数字信息迭代会让用户信息超载，为了选择正确的设备，必须平衡操作时间和完成工作所需的最少信息量。
图2 显示了工人操作速度和可传递数据信息量的对应关系。
图2：随身携带技术的方案领域
DSA在多个研究和示范项目中对以下几类可穿戴技术进行了评估，其背景是可穿戴技术在汽车(汽车、卡车、特种机械)生产中的不同类型和不同任务中的适用性:
  • 头部显示设备:  抬头显示屏、辅助实现、增强实现、虚拟实现
  • 手臂显示设备:  智能手表、智能手环、臂带显示显示器
  • 配件:  手环扫描仪、控制器
3 方案需求和挑战
可穿戴式人机界面在生产过程中的整合具有很多优势——对新功能的评估包括以下几个方面:
  • 模块化，包括适当的抽象层的可用性，以便轻松地移植到新的硬件
  • 灵活性，尤其是支持不同类型设备和配件的能力
  • 实时数据传输和分析能力
  • 实时反馈，即所有操作人员和主管都会获得实时、最新的信息，包括质量和报警信息
  • 可扩展性 – 增加新用户和系统都简单明了
  • 适应性和无障碍：为操作员提供的信息必须和他们的经验水平、能力和注意力匹配
大规模用可穿戴人机界面的使用还需克服一些挑战，包括用户位置跟踪的法务问题(Ajunwa, Crawford， & Schultz, 2017)、用户接受程度(Schuster, 2014)和性价比考虑，然而，可穿戴式人机界面技术的不断进步表明，常规的挑战将很快被克服。
(Gartner, 2017) 预测到2021年，头部显示设备将成为主流产品。
4 应用实例: 下线 /测试台架人机界面
以下将描述在下线 / 测试台架人机界面的应用，展示可穿戴式人机界面在汽车生产中的应用性。
目的： 在测试台架的测试执行过程中，提高操作工的灵活性
目标： 测试工位的操作人员
一旦车辆离开生产线，它们就会被送往多个测试台架进行进一步测试。在这个过程中，技术人员需要若干种类的指导信息以顺利完成测试。
4.1 特定要求
最适合这类操作的显示和输入设备就是可穿戴人机界面设备，它们不仅可以作为用户界面，而且可以作为基础的控制单器。可穿戴设备显示的信息必须简单明了，技术人员只有在必要的时候才收到必须信息。操作工必须能够解放双手，远程控制测试设备，并能够以高效的方式与车辆或试验台进行互动作业。
用户界面视觉限制包括生产线上照明水平的变化、背景位移、用户视觉敏感度和安全因素。一个理想的用户界面解决方案包括：
  • 文字、图表和背景之间的高对比度
  • 几乎没有文本，以减少理解下一个活动所需的时间
  • 选择符号的大型图形元素，或者专门设计的图标
  • 用户视野无障碍
  • 适合长时间穿着
  • 电池供电时间超过一个作业班
理想的输入解决方案应只有少量的按键，具备如下的特性：
  • 各种姿势下都容易使用 (站立、坐下、弯腰、查看车底等等)，不需
  • 干预或限制动作
  • 按压时的触觉反馈，即使使用厚手套或厚衣服也能正确传递到身体
  • 按钮方位只能通过触摸来确定，不需要看设备
4.2 举例: 转毂测试台
转毂测试台在下线区域，对前驱、后驱和四驱车实施驾驶动态检测，同时执行控制器的参数设置。下面的可穿戴人机界面屏幕的实例展示了汽车动态测试中驾驶员的屏幕设计。
图3：可携带人机界面屏幕的设计实例和原则
屏幕被分为“目标状态”和“当前状态”两个部分。目标状态显示驾驶员必须达到的指标，当前状态则显示车辆或转毂台的测试数据。
尽量减少文本(1)的内容，快速识别期望的状态，并突出显示。另外两个图标(2)表示期望的齿轮档位和所期望的方向盘状态。在左侧，一个大的图形栏(3)显示当前速度与期望的任务，并用一个大的数字表示。实际限值将作为参考会显示，操作工不需要去读取极限，因为速度的增加会立即反映出来，目前的档位信息也会显示。
由于台架测试台的主要测试是“加速度和速度”，因此图形栏显示一个方向，表明运行向前。
下面的图片显示了在转毂测试台上双手解放的操作工运用可穿戴人机界面的操作。
工作人员可以在动态下获取所有需要的信息和操作指令。可穿戴人机界面 (如图：谷歌眼镜) 与DSA PRODIS服务器和车辆进行了通讯连接，同时通过一款无显示屏幕的高性能车辆通讯卡（VCI）与车辆建立通讯，VCI是DSA 的smartMDI，通过OBD口与车辆连接。
图4：可携带人机界面（图：谷歌眼镜）应用；和DSA PRODIS服务器连接，并通过高性能DSA smartMDI和车辆连接
5 结论
通过是无缝的“数字化”和把操作工融合到灵活的生产流程中，智能穿戴设备在汽车制造中的运用可以从灵活性、性能、质量和，操作舒适度和安全性等方面带来显著的提升。主要受益的几个方面有:
  • 低成本
  •  降低产品变更时生产线的重组耗费
  • 降低技术任务的间接成本
  • 增加的测量和控制
  • 对生产线中问题的快速反应
  • 收集的数据可以用来提供统计信息
  • 改善的沟通
  • 提供实时信息
  • 领域间的直接沟通
  • 集中化的存档和分析
  • 自动化提示流程
更多详情请见DSA白皮书 “Smart Wearable HMI Devices for a Flexible Vehicle Production”，可以通过书面联系 sales@dsa.de 进行索取。
参考文献
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
汤华 – DSA-China Electronic Technology Co., Ltd 
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