Collaborative robotics for improving workplace ergonomics: a case study in the automotive industry

Borges, Guilherme Deola

Collaborative robotics for improving workplace ergonomics: a case study in the automotive industry

Borges, Guilherme Deola

Published: 2022-05-03
Repository: repositorium.sdum.uminho.pt
Language: en

Abstract

A quarta revolução industrial desenvolveu sistemas inteligentes, nos quais os robôs colaborativos têm um papel principal. Os trabalhadores sofrem fadiga quando expostos aos fatores de risco que causam as lesões musculoesqueléficas relacionados ao trabalho (WMSD). Como os postos de trabalho manuais muitas vezes conduzem a más posturas e movimentos repetitivos, a implementação de sistemas de Colaboração Humano-Robô (HRC) é frequentemente escolhida como uma solução para melhorar a ergonomia no ambiente de trabalho. O Nivel de Colaboração (LoC) significa quais tarefas o robô é capaz de executar como um colega de equipe, o que varia desde o Nivel O ao Nivel 4. Os fatores fisicos, cognitivos e organizacionais interagem diretamente em questões relacionadas com as relações laborais em sistemas complexos. Dependendo do LoC para executar uma tarefa, esperam-se diferentes cargas de trabalho físicas e mentais sobre o ser humano. A Dinâmica de Sistemas (SD) é um método para abordar tais problemas com uma visão sistêmica, modelando, simulando e ajudando a tomada de decisões. Investigações prévias sobre postos de trabalho HRC não qualificam e quantificam os riscos ergonômicos variando com o LoC. Por isso, esta tese propõe um modelo de simulação computacional como parte de uma estrutura para tomada de decisões com objetivos de produtividade e redução do risco de WMSD ao implementar um HRC. Além disso, foi realizado um estudo de caso em um posto de trabalho para comparar resultados com as simulações computacionais. Foi escolhido o tempo de ciclo para medir a produtividade, o método ergonômico Rapid Upper Limb Assessment (RULA) para a avaliação da carga de trabalho fisico, e o questionário NASA Task Load Index (NASA-TU() para a avaliação da carga de trabalho mental. Os resultados mostram que a produtividade aumentou mais de 20% em média, as posturas e a carga de trabalho global melhoraram tanto em simulações computacionais como em simulações reais. Também indica que um LoC mais elevado não garante os melhores resultados em termos de produtividade e ergonomia. A conclusão foi que a estrutura para tomada de decisões baseada em SD, que também inclui avaliações técnicas e económicas, é fundamental para compreender o sistema e obter dados confiáveis. Os trabalhos futuros pretendem desenvolver ainda mais o modelo e aplicar esta estrutura em outras linhas de montagem que considerem a implementação de um sistema HRC.

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Guilherme Deola Borges July 2022 UMinho | 2022 Collaborative robotics for improving workplace ergonomics: a case study in the automotive industry University of Minho School of Engineering Guilherme Deola Borges Collaborative robotics for improving workplace ergonomics: a case study in the automotive industry July 2022 Doctoral Thesis Doctoral Program in Industrial ans Systems Engineering Work carried out under the supervision of Prof. Pedro Miguel Ferreira Martins Arezes Prof. Paula Machado de Sousa Carneiro Guilherme Deola Borges Collaborative robotics for improving workplace ergonomics: a case study in the automotive industry University of Minho School of Engineering                             𝑆𝑡𝑜𝑐𝑘(𝑡)=[𝐼𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑡)−𝑂𝑢𝑡𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑡)]𝑑𝑡+𝑆𝑡𝑜𝑐𝑘(0) 𝑂𝑢𝑡𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑡)=𝐼𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑡− 𝐴𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒 𝐷𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑇𝑖𝑚𝑒)   Literature review Factors in HRC systems Variables definition for the model Causal Loop Diagram design Table 4-4 Table 4-4 𝐿𝑟 = ( 𝑃 ℎ 𝐿 ∗ 𝑀𝐿 ) 𝑇𝐷𝐼 ⁄ .         a . b . a b a . b . a . b .    ab                  𝑊𝐹𝑃 =  [ 𝑃𝐴𝑟 − 𝑃𝑆𝑟 ] 𝑑𝑡 + 𝑊𝐹𝑃      𝑊𝐼𝑃 =  [ 𝑃𝑆𝑟 − 𝑃𝑟 ] 𝑑𝑡 + 𝑊𝐼𝑃      𝑃𝑟 = 𝑊𝐼𝑃 𝑀𝐶𝑇 𝑃𝑆𝑟 = 𝑊𝐹𝑃 PCt 𝐷𝑃𝑆𝑟 = DPr