快速评估人机协作潜力

A Quick-Check评估装配系统人机协作潜力

1 引言

型号多样性增加、小批量生产以及更短的产品生命周期使制造企业面临诸多挑战[1, 2]。完全手动或全自动装配系统都无法完全满足异构需求配置文件的要求。因此，混合系统解决方案（如人机交互（HRI））的实施正变得越来越重要[3]。这一发展趋势增加了装配系统设计的复杂性。此外，关于选择何种（子）流程中实施人机协作系统潜力最大的环节是一项挑战。

快速检查是一种工具，可对现有工作场所进行快速、客观且可靠的评估，专门用于识别集成轻型机器人的潜力。该工具特别针对中小型企业（SMEs）开发，这些企业通常具有较高的人机协作潜力，但由于缺乏经验，难以将其引入装配系统[4]。

本文概述了快速检查的开发与应用，该方法是协作装配系统研究项目的一部分。文章首先介绍了关于人机协作潜力评估的研究现状，随后阐述了快速检查的结构，包括所选标准及开发过程。最后，描述了通过在大学和工业环境中的应用对快速检查进行验证，并将其集成到人机交互装配系统的规划系统中的过程。

2 研究现状

迄今为止，仅有少数工具可用于支持识别装配系统中的人机协作潜力，并估算人工作业与机器人之间的最佳任务分配。相关内容简要概述见[5]。针对混合工作环境中合适的任务分配，最早的方法由[6–8]的研究提出。然而，这些人机协作尚未依据当今的定义进行考虑。

因此，Hengstebeck 等人[9], Ranz 等人[10]以及 Schröter 等人[11]发布新的评价标准以及用于更好地建模包含人员与机器人的协作装配过程的扩展方法。

Thomas[12]开发了一种针对人机协作应用的独特的决策支持系统。该系统能够对装配场景进行整体评估，并通过五个基本类别——人员、技术条件、零件、装配过程和生产过程——建议对所考虑工作场所的手动、混合或全自动解决方案进行比较。

Linsinger 等人[1]提出了一种用于人机交互装配系统潜力分析的五步自上而下方法。该集成方法基于对现有方法的分析（例如[6]中的标准列表），并考虑了此前手工装配过程中节拍时间、技术及经济因素。与许多以往的潜力分析方法不同，[1]中的方法针对工序子任务逐一评估其人机协作潜力。其目标是估算装配子任务在人工操作员与机器人之间的最优分配。

弗劳恩霍夫IAO研究所[13]开发了一种基于简单且结构化标准的快速潜力检查，用于识别在人机协作领域具有经济和技术可行性的应用。该方法基于逐步选择程序，考虑了三个不同的选择层级（1. 装配系统，2. 工作场所，3. 工艺和零件）。只有具备最高潜力的元素才能进入下一级，在该层级中将评估更多且更详细的标准。其目的是减少所收集数据的总量，并兼顾企业的个体目标。

截至目前，针对所开发的系统尚无相应的培训和指导概念，通常也未区分自动化潜力与人机协作潜力的确定。这些创新将在后续章节中进行讨论。

3 概念与开发

本节概述了用于在快速检查中评估装配系统人机协作潜力的标准的开发过程。此外，还解释了该工具的应用、其结果及解释。快速检查的概念与开发包含三个主要要素，将在3.1、3.2和3.3节中详细阐述。首先，需要确定合适的标准以评估人机协作的潜力。随后，开发针对已定义标准的评估方法。最后，基于统计方法对结果进行描述。

尽管快速检查本身大多不言自明，但对标准的评分以及结果的解读进行简短培训仍然很有帮助。因此，已开发出包含人机协作和快速检查模块的培训概念，面向规划人员。通过结合文本、视频和练习的方式，使规划人员熟悉人机协作相关的基础技术和法律知识，并了解快速检查的各项标准及其应用流程。此外，还提供了针对操作人员的进一步资格认证材料。这使得尤其是那些在人机协作领域缺乏经验、且在早期规划阶段不具备条件或动机去进行昂贵而耗时资格认证过程的中小企业，也能够评估其装配系统。

3.1 快速检查标准

根据 Bender 等人进行的一项研究，企业考虑引入人机协作的主要原因是提高运营效率[14]。第二和第三位的原因分别是希望引入技术创新（例如新型轻型机器人）以及改进人体工程学。

对于中小企业而言，经济效益和人体工程学是引入人机协作最重要的原因，因为对于资源有限的中小企业来说，测试没有直接效益的新技术是不可行的。

此外，技术挑战以及安全问题也阻碍了在有限资源的中小企业中引入人机协作。

这四个方面（经济性、技术可行性、人体工程学、安全）应在人机协作系统的完整规划中予以考虑。然而，对于如快速检查所预期的首次快速简便的人机协作潜力评估而言，技术可行性这一方面尤为适用。对其他因素的全面评估始终依赖于特定的技术解决方案，而在此规划阶段尚不存在此类方案，或需要复杂的分析。特别是人体工程学和安全方面的考量通常需要借助仿真[15]支持，而这些仿真往往耗时较长。尽管如此，对这些因素进行初步评估仍是可能的，并已纳入快速检查中，以发现这些领域中的明显不足。

考虑到这一点，已开发出五个类别，每个类别最多包含五个标准。这些类别被标记为“组件”、“部件传输”、“潜力改进”、“安全”和“其他”，这些在接下来的段落中进行说明。表格1列出了这些标准，并将其与引入原因和引入障碍进行比较。

表1：HRI潜在分析标准

类别	标准
组件	组件数量 x 重量 x 易碎性 x 几何稳定性 x 处理 x
组件运输	范围 x 所提供部件的方位状态 x 物料供应 x
潜力改进	人体工程学 x 节省时间 x
安全	切割/挤压危险 x 碰撞风险 x
其他	任何其他标准评估 x x x x

第一个类别“组件”用于评估过程的技术可行性。装配操作主要由组件和工具处理组成，因此对人机协作而言，机器人能够处理必要的组件至关重要。此处不考虑工具的使用，因为假设工具通常需要为机器人使用而进行调整。机器人处理装配组件的能力取决于需要处理的零件数量、组件重量（受机器人技术规格限制）、易碎性、几何稳定性和安全抓取区域的可用性，这些即为“组件”类别中所考察的五个标准。

关于装配系统自动化的另一个关键点是物料运输的适应性，这被确定为第二个类别。这包括到达所有组件所需的范围，以及零件当前运送到工作站时的取向状态。此外，还需评估在人机交互场景中，人工需要干预自动化过程以向机器人提供物料的间隔。在供应过程中频繁的人工参与会降低实现的工作时间节省，增加劳动力成本，从而降低成本效益。

第三类评估装配系统的改进潜力。如上所述，通过引入人机协作可以挖掘多种潜力。在后续规划过程中，提高运营效率是一个主要方面，而创新以及新装配工艺的引入本质上属于人机交互场景的一部分。因此，改善的人体工学和缩短装配时间作为标准，至少需要在第三类中进行部分考察。

第四类涉及企业在人机协作方面的一个重要关切：工作场所安全及对相应安全标准的遵守[16]。本节中的标准，即切割/挤压风险和碰撞风险，对应于根据DIN ISO/TS 15066:2016（DIN SPEC 5306）定义的人与机器人之间可能发生的两种接触形式：准静态和瞬态[17]。因此，该类别表明在装配系统中实现安全的人机协作是可行的。

由于企业在装配场景中数量众多，所开发的快速检查无法考虑所有可能的意外情况。为了使规划人员能够根据自身需求调整该工具，并纳入与其实际情况相关的标准，引入了名为“其他”的第五类。在这一类别中，企业可以添加一个个性化标准，以涵盖尚未在标准快速检查中体现的各种突发情况。

3.2 应用方法

对于装配系统的评估，快速检查用户需要识别工作过程中的子过程。然后根据标准对这些子过程进行评估，从而确定每个子过程的人机协作潜力。快速检查的应用设计不超过一小时。调查表明，目前人机协作应用通常基于现有的手动装配系统[14]开发。因此，快速检查评估的是装配系统的当前状态。为了使快速检查尽可能简单易用，无需考虑对系统进行可能使其更适合人机协作的改动，例如引入物料供给技术。快速检查可以使用打印版、Excel文件或应用程序来完成。

尽管企业可以自行选择识别这些子过程的方法，但建议每个子过程应包含不超过一到两个动作。一个可能的参考是MTM‐UAS方法中提供的动作模块。

一旦确定，子过程将根据标准进行评估。通常情况下，当包含所有标准时，快速检查的结果会更加精确。然而，在某些特定情况下，某些方面可能不符合企业的实际需求。在这种情况下，可以从评估过程中排除一个或多个标准。

对于每个准则，都会提供简短的描述以及示例或进一步说明。根据准则所描述的特征，子工序将按零到四分的评分标准进行评估。该评分范围可在用户友好性与准确性之间实现最佳平衡。例如，对于“重量”属性，当最重的组件重量小于3 kg时，子工序得四分，3至8 kg得三分，8–10 kg得两分，10–12 kg得一分，且超过12公斤得零分。在此示例中，评分源自关于轻型机器人有效载荷的市场调研。

对于第五类“其他”，用户必须决定是否引入一个针对公司情况的附加标准。为了考虑这一特征的可能重要性，用户可以选择将其作为独立的否决标准。这意味着零分的评分将导致整个子流程获得零百分比评分，表明该子流程无法以合理支出来实现自动化。

3.3 结果与解释

当所有子过程都被评估后，结果将被汇总并计算。根据专家调查的结果，所有标准在这些计算中权重相等。

子过程的排序表明将相应任务委派给机器人的难易程度。除了“其他”类别外，尽管没有设置独立的淘汰标准，但当三个或更多标准被评分为零分时，该百分比将设为零。由于近四分之一的标准表明该子过程的自动化困难，因此可以得出结论：对于没有HRI经验的公司而言，成功自动化将非常复杂。然而，仍会给出该子过程的总分，以便更有经验的规划人员能够推翻这一结论。

除了每个子工序的百分比以及子工序考虑自动化的顺序外，还会计算两个总体数值。第一个数值是装配系统的总体评估，可用于比较不同工位的可自动化程度，其计算方式为所有子过程评分的平均评分。第二个数值是人机协作潜力的总体评价。与要求每个子工序都具有高可自动化性的所有装配步骤的自动化不同，某些任务评分非常高而其他任务评分非常低的系统非常适合人机协作。在这些场景中，评分较高的子过程可以转移给机器人，而评估较低的活动则保持手动。因此，人机协作潜力的计算通过对评分范围加权以及将确定的标准差相对于最大可能标准差以百分比形式各占50%进行计算。

需要注意的是，快速检查是对装配过程人机协作潜力的初步评估，仍需进行进一步检查才能确定轻型机器人是否为装配系统的最佳选择。然而，该结果可为企业是否应启动更复杂的规划过程提供方向，这对于缺乏HRI先前知识的企业尤其重要。

4 验证

发布的初始版本的快速检查已在工业环境中的装配系统上得到应用。为了检验快速检查的功能以及结果的有效性，针对大量用户使用手动工作站进行了验证。

有两个属性对于确认快速检查是重要的：
- 结果应反映有经验的人机协作或自动化专家的评估。
- 不同用户的子过程排序必须具有可比性。无论用户是谁，子过程的排序应保持相似，这一点非常重要。

为了确认该快速检查是否满足这些目标，将其应用于一个简单的两级齿轮装置的手工装配过程。在第一个子工序中，拾取轴和开关套管，进行装配并放置到夹持装置中。在第二步中，将两个齿轮安装到轴上。然后安装滚动轴承（过渡配合，两侧使用相同的轴承）。在第四个子工序中，将装配件从夹具中取出并放入存放区。图1显示了自动化专家使用快速检查对工作站的总体评估结果。在此案例中，无需处理锋利或重型工具，因此“切割/挤压危险”这一标准被认为不相关，故未进行评估。由于材料定向、人机工程学改进以及附加标准“工具操作复杂性”的评分较低，导致第三个子工序的总体评分为零百分比。

子工序的排序与专家此前预期的结果一致。第四个子工序简单的拾取放置任务相比之前体力要求更高的装配任务具有明显更高的潜力。正如预期的，由于多个标准（物料供应无序、在安全性和人体工程学方面无改善、配合时的装配力），轴承安装被评定为不适合采用机器人自动化。由于该子工序实现自动化需要付出极大的努力，导致整个工作场所的自动化潜力较低。结合最后一个易于自动化的子工序，显示出较高的人机协作潜力，这一点已通过快速检查的结果得到验证。为了确认可比性，其他自动化技术专家、工业工程师以及具有工业背景的用户（具备混合的人机协作经验）对相同的装配过程（包含给定的子工序）进行了评估。图2展示了评分结果的对比情况，

图3显示，子过程四和一在其位置上是明确的。然而，特别是对于子过程三，无法识别出明显的趋势，这也影响了第二个子过程的顺序。第二个和第三个子过程在实际工作场所中相似，所获得的百分比非常接近。因此，即使评分过程中的微小差异也可能对顺序产生影响。连接滚动轴承所需的力尤其难以评估。

可以看出，快速检查在所有用户中对子过程的顺序提供了始终一致的趋势。然而，子过程中的特殊特征和挑战可能导致结果出现波动，因此在评估和进一步使用过程中必须对其进行批判性审视。

一项调查表明，快速检查可在少于三十分钟内完成（有时在少于十五分钟内），外加一个少于十五分钟的简短熟悉阶段，无论是否具备先验知识均可完成。此外，快速检查的所有类别均被评估为相关，但“安全”和“其他”标准被认为表述不清。这一点将在快速检查的进一步修订中受到批判性质疑。总体而言，快速检查已通过工业流程和专家意见得到验证，但也发现了进一步改进的潜力。

5 展望

快速检查是开发用于装配系统中人机协作的社会技术规划系统的一项研究项目的组成部分。该规划系统的设计使得即使经验不足且资源有限的企业也能成功引入协作工作系统，并长期经济地运行这些系统，尽管产量波动较大且型号多样性高，该术语仍适用。整体规划系统包括工效学方面（如人体工程学和经济效益）以及自动化方面（如机器人路径规划和安全考虑）。在规划过程初期，必须识别出具有人机协作潜力的现有工作场所和子过程。为此任务，采用所开发并提出的快速检查方法。识别出的工作场所将在数字化规划工具中进行建模和仿真。在迭代的建模与仿真过程中，子过程将被分配给人类和机器人。快速检查结果，结合现有手动工作站子过程的人体工程学分析（EAWS）、时间记录以及简要的经济效率评估结果，作为分配的基础。

数字化规划工具还包括可行性分析、碰撞检测和机器人路径规划。随后进行详细的场景评估，涵盖经济性、人体工程学和安全等方面。

应用快速检查可以单独且对比地评估装配工作站的人机协作潜力。此外，还可评估子过程的自动化潜力。快速检查无需轻型机器人技术领域的专业知识即可使用，尤其为中小企业提供了易于入门的人机协作主题介绍。