Referência de Eficiência do Processo de Manipulação (MPE)

Referência para tecnologia de manipulação

O benchmark é projetado para avaliar a eficácia do uso de um complexo robótico (RTC) nas tarefas de manipulação de objetos em comparação com o uso de trabalho humano manual.



O benchmark contém o seguinte conjunto de métricas (coeficientes):



ω _a K _a - coeficiente de autonomia ponderado,

ω _l K _l - coeficiente ponderado de tempo de aprendizagem para completar a tarefa,

ω _w K _w - coeficiente de capacidade de carga ponderado,

ω _c K _cÉ o coeficiente de colisão ponderado da cena de trabalho,

ω _d K _d é o coeficiente ponderado de condições de trabalho difíceis,

ω _p K _p é o coeficiente ponderado de rejeições,

ω _o K _o é o coeficiente ponderado da taxa média diária de operação atômica,

ω _e K _e é o coeficiente de entropia ponderado.



Fórmula generalizada para calcular o benchmark:



Onde ω _i K _i- um coeficiente ponderado de um conjunto de métricas.



Cada métrica considera a característica de utilização de um complexo robótico em relação a uma característica semelhante no caso do trabalho manual e é adimensional. O significado de cada métrica é interpretado em relação à pessoa:

• se o valor for menor que um, o uso do RTK para a tarefa medida é menos eficaz do que o uso de trabalho humano.
• se for mais de um, então o uso de RTK é mais efetivo em relação ao uso de mão de obra.

A estimativa generalizada calculada pela fórmula (1) é interpretado da mesma forma, e para o valor de cada métrica de K _i seu peso ω _i é determinado , o que indica a contribuição da métrica para o resultado global.



O peso de uma métrica é determinado pelo grau de sua criticidade para realizar tarefas individuais e, por padrão, o peso dos coeficientes é o mesmo (igual a 1).



No caso de comparar o RTK com uma metralhadora ou outro RTK, o valor de benchmark é calculado para eles separadamente em relação a uma pessoa e comparado. Um RTK mais eficiente receberá um valor de referência mais alto.

Coeficiente de autonomia do robô

Essa métrica é usada para avaliar os custos adicionais da participação humana no sistema. O valor do coeficiente está na faixa [0 ... 1], onde 0 - o sistema resultante não é autônomo, a manutenção exige a presença constante de pessoal, 1 - o sistema resultante é totalmente autônomo, não exige pessoal de manutenção.

Modelo matemático da métrica

Para determinar o coeficiente de autonomia, propõe-se usar a probabilidade de transição do robô para um estado que requeira interação com o operador.

Propõe-se dividir as classes de estados em vários grupos:

• e - Estados diretamente relacionados ao manipulador e seu software.
• c - Estados associados aos equipamentos do cliente.
• f – , .

Para cada uma das classes de estados, propõe-se introduzir a probabilidade da transição do sistema para este estado como a razão entre o número de observações de cada classe de eventos e o número total de operações realizadas de acordo com a fórmula:





Onde p _i é a probabilidade da classe i de eventos (e, c, f), n _i é o número de eventos classe i, n _a - o número de operações realizadas pelo robô. Sob n _a propõe-se usar o número de operações atômicas do robô que afetam o ambiente.



Para determinar o coeficiente de autonomia, propõe-se a utilização da seguinte fórmula:





Onde p _e , p _c, p _f - probabilidades de eventos das classes (e, c, f).



Para estimar a proporção do tempo gasto na manutenção do robô, propõe-se a introdução da seguinte métrica:





Onde p _i é a probabilidade da origem da classe i de eventos, n _o é o número de operações atômicas do robô por turno t _i é o tempo normalizado para eliminar a retirada do robô do estado que requer intervenção externa. Então, a razão



Onde t _sh é o tempo de deslocamento pode ser usada para calcular o número de operadores para o número de robôs.

Coeficiente de tempo de aprendizagem para uma nova tarefa

, . [0, +∞), 0 , , 1 , , , 2 , , .

Uma pessoa aprende por um certo tempo. Para tarefas complexas, pode levar meses, para tarefas simples, pode levar horas e minutos. Para calcular o coeficiente de tempo de treinamento para uma nova tarefa, é proposta uma métrica





onde t _h é o tempo de treinamento de uma pessoa para uma nova tarefa, t _rai é o tempo de treinamento de um agente robô inteligente em uma nova tarefa.

O parâmetro t _rai é calculado como:



Onde t _mh é a intensidade de trabalho dos processos necessários para treinar um agente de robô inteligente, incluindo, mas não se limitando a:

• O tempo de construção da cena em que o sistema está rodando, incluindo o tempo de integração do modelo de captura, no caso de utilizar uma captura especializada.
• O tempo de preparação para o planejador de trajetória trabalhar na cena.
• O tempo que Ai aprende a resolver o problema.

O parâmetro t _hum consiste em um conjunto de ações de treinamento humano.





Onde t _int é o tempo do plano para colocar uma pessoa para trabalhar (instrução inicial do funcionário), t _hi é o tempo i do programa de treinamento durante o período necessário para treinar uma pessoa ao receber uma nova tarefa, que inclui, n _yi é o número de vezes por ano, n _s - o número de funcionários treinados.

Capacidade de levantamento de robô para pessoa

. (0...+∞), 0 – , 1 – , 2 – .

Para determinar o coeficiente de capacidade de levantamento de um robô para uma pessoa, propõe-se usar a seguinte fórmula:





Onde k _r é a capacidade de levantamento do robô, k _h é a capacidade de levantamento de uma pessoa.



Para determinar a capacidade de carga do robô, é proposto o uso da fórmula:





onde mi é a massa transferida durante o tempo t, n é o número de cargas transportadas.

Para determinar o coeficiente da capacidade de carga de uma pessoa, deve-se ser guiado pela legislação da Federação Russa, em particular [1]. Levando em consideração a presença do peso máximo permitido para levantamento por um homem, propõe-se usar a seguinte fórmula:





Onde m _iÉ a massa transferida durante o tempo t, n é o número de cargas transportadas, k _l é o multiplicador levando em consideração a carga padrão para 1 pessoa, que é calculada como





Onde k _m é o coeficiente dependendo do peso máximo do objeto transportado pela pessoa por unidade de tempo, k _A é o coeficiente trabalho dinâmico realizado por uma pessoa por turno. Para calcular o coeficiente k _m, propõe-se a utilização da seguinte fórmula:





Onde m _norma é a massa admissível de acordo com os padrões de trabalho, m _i é a massa da unidade de carga transferida.







Onde _euÉ a massa da unidade de carga transferida, l é a distância média de transferência de cada carga.



Tabela 1: Massa da carga levantada e movida manualmente, kg



Tabela 2: Carga física dinâmica - unidades de trabalho mecânico externo por dia de trabalho (turno), kg * m



Lista de fontes utilizadas:

1. Carta do Ministério do Trabalho da Rússia de 22.06.2016 N 15-2 / OOG-2247 "Sobre trabalhos relacionados com levantamento e movimentação de pesos"
2. 20 , 24 2014 . N 33

, - .

Para avaliar essas características, vamos introduzir o coeficiente de colisão da fase de trabalho:





Onde K _c - o fator de colisão da cena de trabalho; _c - coeficiente de colisão da cena de trabalho do robô; _c - coeficiente de colisão na cena de trabalho de uma pessoa.



Se este coeficiente for menor que 1, o robô é inferior ao humano; se for maior que 1, o robô ultrapassa uma pessoa na velocidade da operação; se igual a 1, então o humano e o robô fazem o trabalho da mesma maneira.



Pelo coeficiente de colisão da cena de trabalho do robô K _KR queremos dizer a razão:





Onde K _{DOI R}- coeficiente de alcançabilidade das áreas de interesse do robô; - o tempo médio de operação do robô.



Sob o coeficiente de atingibilidade das áreas de interesse da área de trabalho do robô K _{DOI R} entendemos a razão:







Onde V _SPL - o volume das áreas de interesse para as quais foi possível planejar a trajetória; V _ROI - o volume total das áreas de interesse.



Uma área de interesse é uma área do espaço de trabalho de um robô manipulador, que é, por exemplo, um paralelepípedo no qual o robô interage com objetos do mundo externo no âmbito de uma tarefa de manipulação específica.



A trajetória do robô é planejada para uma determinada posição e orientação do corpo de trabalho no espaço. Uma vez que, mesmo em um volume infinitamente pequeno, há um número infinitamente grande de combinações de posições e orientações possíveis do corpo de trabalho, é uma tarefa não trivial bastante difícil avaliar o volume da região de interesse para a qual foi possível planejar a trajetória do movimento no espaço contínuo.



Portanto, passamos do espaço contínuo para o discreto. Para fazer isso, vamos dividir a área de interesse em células separadas. Vamos colocar as áreas de interesse em correspondência com o conjunto de orientações do corpo de trabalho. O conjunto de orientações do corpo de trabalho do robô-manipulador pode conter, por exemplo, a orientação do corpo de trabalho ao longo do eixo vertical, bem como orientações ao longo dos eixos desviados do eixo vertical nos ângulos especificados pelo usuário. O conjunto de orientações depende das especificações da tarefa de manipulação. Essas orientações, junto com as coordenadas dos centros das células, são usadas como posições e orientações de destino ao resolver o problema da cinemática inversa.



Deixe a região de interesse ser dividida em células M, e a região de interesse corresponde a Qpossíveis orientações do corpo de trabalho. Então, o coeficiente de alcançabilidade de áreas de interesse da área de trabalho (3) para um espaço discreto pode ser representado na forma da seguinte relação:







Onde M * Q - o número total de posições e orientações do corpo de trabalho, para o qual é necessário planejar trajetórias, para uma dada área de interesse; N _SPL - o número de posições e orientações do corpo de trabalho, para as quais se decidiu planejar as trajetórias.



O tempo médio para um robô realizar uma operação _é calculado a partir da razão:







Onde T _Σ- o tempo total gasto no planejamento de trajetórias para os centros das células das regiões de interesse com todas as orientações possíveis do corpo de trabalho, que é calculado pela fórmula:







Onde _ij é o tempo de planejamento da trajetória para o centro da i-ésima célula com a j-ésima orientação do corpo de trabalho; T _VYPij - Runtime planejado para o centro das células i-j com a orientação da trajetória do corpo de trabalho.



Levando em consideração (4) e (5), a fórmula (2) para calcular o coeficiente de colisão do estágio de trabalho do robô terá a forma:







Pelo coeficiente de colisão do cenário de trabalho de uma pessoa K _KCH queremos dizer a razão:







Onde K _{DOI W}- coeficiente de alcançabilidade das áreas de interesse de uma pessoa; T _{SR H} - o tempo médio de operação por pessoa.



A tarefa de manipulação é realizada por uma pessoa utilizando equipamentos especiais, por exemplo, em uma linha de transporte, cujos locais de trabalho são especialmente projetados no que diz respeito à ergonomia. Portanto, o coeficiente de alcançabilidade das áreas de interesse da área de trabalho será igual a um, uma vez que se sabe que uma pessoa possui a habilidade de manipular objetos dentro da área de interesse. Levando isso em consideração, a expressão para cálculo do coeficiente de colisão do cenário de trabalho de uma pessoa (7) terá a forma:







Tempo médio de uma operação por uma pessoa T _{SR H}pode ser conhecido a partir do processo tecnológico ou dos padrões estabelecidos. Caso contrário, é encontrado empiricamente medindo diretamente o tempo de execução de uma série de operações do mesmo tipo e dividindo esse tempo pelo número de operações em uma série usando a fórmula:







Onde T _{Σ H} é o tempo de execução medido de uma série de operações atômicas semelhantes, m é o número de operações atômicas em uma série.



Levando em consideração (6) e (8), o coeficiente de colisão do estágio de trabalho é determinado pela fórmula:

Proporção de condições de trabalho severas

. 1 — ; 1 — ; 1 — .

A lista de fatores de produção perigosos e prejudiciais (HCPF) é fornecida em GOST 12.0.003-74 “Fatores de produção perigosos e prejudiciais. Classificação". A presença de um ou outro DPF pode impor uma limitação da duração do trabalho contínuo na forma de pausas para descanso obrigatórias, jornadas mais curtas e pausas para substituição do equipamento de proteção individual. Além disso, o HHPF impõe um limite para o número de horas de trabalho por semana e garante ao trabalhador um aumento nas férias remuneradas.



Dentre os fatores de produção que atuam no RTC, destacam-se os seguintes:

1. o nível de poeira e gás contido no ar na área de trabalho;
2. nível de temperatura do ar da área de trabalho;
3. nível de vibração;
4. o nível de pressão barométrica na área de trabalho e sua variação brusca;
5. nível de umidade do ar;
6. ;
7. ;
8. ;
9. ;
10. ;
11. ;
12. ;
13. ;
14. ;
15. ;
16. ;
17. ;
18. , .

Se os níveis dos fatores das condições de trabalho se enquadrarem na faixa das condições de operação do RTK, interrupções significativas na operação contínua do complexo serão associadas à manutenção programada. Se os níveis de fatores de condições de trabalho não estiverem dentro da faixa de condições de operação do RTK, então o equipamento adicional do complexo será usado, por exemplo, na forma de capas de proteção, ou o RTK é reconhecido como inaplicável na configuração atual para essas condições de trabalho, e uma decisão é tomada para substituir seus componentes. Se equipamento adicional for incluído no RTK, as interrupções na operação contínua também podem ser devido à substituição deste equipamento.



Condições de trabalho adversas afetam os tempos de turno reais. Usaremos esse valor para avaliar a gravidade das condições de trabalho.







Onde K _FR - coeficiente de trabalho real; t _FR - tempo total de trabalho efetivo; t _CM - duração do turno.



O coeficiente de severidade do parto será o seguinte:







Onde K _d - o coeficiente de severidade do parto; K _{FR P} - coeficiente do trabalho real do robô; K _{FR CH} - coeficiente do trabalho efetivo de uma pessoa.

Coeficiente (medida) de entropia do objeto

, , .

Por entropia de um objeto, queremos dizer a quantidade de informações conhecidas sobre esse objeto. O objeto é caracterizado pela posição (x, y, z), orientação (R, P, Y), massa m, posição do centro de massa (xc, yc, zc), dimensões (l, w, h), forma (s). Uma pessoa manipula livremente um grande número de objetos com diferentes características físicas, mesmo que alguns deles sejam desconhecidos para ela. Portanto, para ele, a entropia de qualquer objeto é 0. Suponhamos que a entropia do objeto seja 0 se tudo é conhecido sobre o objeto e 1 se nada for conhecido. A entropia do objeto será determinada pela fórmula:





Onde S é a entropia do objeto; S _x , S _y , S _z - entropia da posição do objeto; S _R , S _P, S _Y - entropia da orientação do objeto; S _m é a entropia da massa do objeto; S _xc , S _yc , S _zc - entropia da posição do centro de massa do objeto; S _l , S _w , S _h - a entropia das dimensões do objeto, S _s - a entropia da forma do objeto.



A estimativa da entropia do objeto é reduzida ao estabelecimento do valor da entropia dos parâmetros usados ​​na expressão (1). Vamos considerar alguns casos especiais relacionados a esses parâmetros.



Entropia de posição e orientação de um objeto:

1. , . S_x = 0, S_y = 0, S_z = 0, S_R = 0, S_P = 0, S_Y = 0.
2. , , , . S_x = 0, S_y = 0, S_z = 1, S_R = 0, S_P = 0, S_Y = 0.
3. , , . S_x = 0, S_y = 0, S_z = 0, S_R = 1, S_P = 1, S_Y = 1.
4. , , , . S_x = 1, S_y = 1, S_z = 0, S_R = 1, S_P = 1, S_Y = 1.
5. Se o objeto estiver localizado em uma superfície plana, cuja altura não é conhecida, e o robô estiver equipado com hardware e software que permite determinar a posição e orientação do objeto, então a entropia será proporcional ao erro relativo no cálculo de uma ou outra coordenada δ. Nesse caso, S _x = | δ _x | / 100, S _y = | δ _y | / 100, S _z = | δ _z | / 100, S _R = | δ _R | / 100, S _P = | δ _P | / 100, S _Y = | δ _Y | / cem.

Entropia de massa de um objeto:

1. Se a massa do objeto não for conhecida com antecedência, então S _m = 1.
2. Se a massa dos objetos é conhecida com antecedência e não muda entre objetos semelhantes, então S _m = 0.
3. Se a massa média m dos objetos é conhecida de antemão, mas muda de um objeto do mesmo tipo para outro pelo valor máximo Δ _m , então S _m = | Δ _m | / 2m.

Entropia da posição do centro de massa do objeto:

1. Se o objeto é um corpo sólido e determinar a posição de seu centro de massa não é difícil ou conhecido, então S _xc = 0, S _yc = 0, S _zc = 0.
2. Se o objeto for um tubo oco de parede fina, parcialmente preenchido com líquido, então podemos assumir que o centro de massa deste objeto está em algum lugar no eixo de simetria deste objeto. Neste caso, S _xc = 1, S _yc = 1, S _zc = 0.
3. Se o objeto é um corpo deformável, mas a posição de seu centro de massa não afeta o sucesso da tarefa de manipulação, então S _xc = 0, S _yc = 0, S _zc = 0.
4. Se o objeto é um corpo deformável e a posição de seu centro de massa afeta significativamente o sucesso da tarefa de manipulação, então S _xc = 1, S _yc = 1, S _zc = 1.

Entropia das dimensões do objeto:

1. , . S_l = 0, S_w = 0, S_h = 0.
2. , , , , S_l = 0, S_w = 0, S_h = 1.
3. Se um objeto é deformável, sua forma muda no decorrer da realização de uma operação de manipulação e o robô é equipado com hardware e software que torna possível determinar as dimensões do objeto, então a entropia será proporcional ao erro relativo no cálculo das dimensões ao longo de uma ou outra coordenada δ. Nesse caso, S _l = | δ _l | / 100, S _w = | δ _w | / 100, S _h = | δ _h | / cem.

Entropia da forma do objeto:

1. Se a forma do objeto permanecer inalterada, então S _s = 0;
2. Se a forma do objeto mudar, então S _s = 1.

Todos esses parâmetros são definidos pela inspeção visual da área de trabalho, um conjunto de objetos a serem manipulados, medindo sua massa, dimensões e estudando as características técnicas dos componentes do RTK.



A entropia do objeto permite estimar a complexidade do problema a ser resolvido usando o RTK. Quanto menor a entropia do objeto, mais informações o complexo conhece sobre o objeto e maior a probabilidade de execução bem-sucedida da operação de manipulação. O coeficiente de entropia Ke do objeto é determinado a partir da razão:

Taxa de rejeição

Essa métrica permite comparar as estimativas quantitativas de casos de casamento para RTC e trabalho manual na solução do problema de manipulação. Os valores métricos podem variar de 0 a + ∞.

Modelo matemático da métrica

O defeito é o resultado do trabalho do processo tecnológico que não cumpre as normas e não é aplicável no futuro ou sem operações corretivas adicionais. Para RTK, um casamento pode ser considerado uma situação ou uma série de operações atômicas concluídas sem sucesso.

Por exemplo:

• várias tentativas de pegar um objeto, o que levou à impossibilidade de trabalho posterior (looping);
• várias tentativas malsucedidas de capturar um objeto em movimento, durante as quais ele sai do alcance;
• captura com dano ao objeto.

O número relativo de refugo é calculado como:



Onde N _d é o número de unidades de refugo, N _a é o número de unidades de todas as operações / produtos.



Em seguida, a métrica final será expressa em termos da proporção do número de casamentos produzidos pelo RTK em relação à pessoa é calculada como:





Onde DPU _{h é a} quantidade relativa de casamento produzida pela pessoa, DPU _{r é a} quantidade relativa de casamento produzida pelo RTK.

Taxa média diária de tempo de execução para uma operação atômica

Essa métrica determina a duração média de uma operação RTK atômica em comparação com a norma diária média de uma pessoa realizando as mesmas operações.



Uma operação atômica é uma parte logicamente indivisível do processo tecnológico de execução de uma tarefa mais geral. Por exemplo: aperte o parafuso, agarre a bolsa.

Modelo matemático

Chamemos a proporção da taxa média diária de execução de uma operação atômica de proporção do tempo que uma pessoa realiza o trabalho e o tempo que o complexo robótico opera.



Onde T _h é o tempo médio para completar uma operação atômica por uma pessoa, T _r é o tempo médio para completar uma operação atômica.



O tempo médio de operações atômicas é calculado como:





Onde t _w- o tempo total gasto em uma operação específica sem levar em consideração o tempo de inatividade associado a motivos independentes (por exemplo, o fornecimento de bens), mas incluindo o tempo para eliminar situações excepcionais; N é o número estimado de processos tecnológicos para o tempo de operação medido (o cálculo é feito para uma pessoa e um robô, respectivamente).



Assim, o tempo de execução de uma operação atômica consiste em:





Onde ∑t _{o é o} tempo total de todas as operações atômicas que compõem o processo tecnológico, incluindo as operações preparatórias e finais; ∑t _{f o} tempo total de todo _o tempo de inatividade devido a motivos internos, por exemplo, uma exceção devido a processamento incorreto.