Tolok Ukur Efisiensi Proses Manipulasi (MPE)

Tolok ukur untuk teknologi manipulasi

Tolok ukur dirancang untuk menilai keefektifan penggunaan kompleks robotik (RTC) dalam tugas-tugas memanipulasi objek dibandingkan dengan penggunaan tenaga kerja manual.



Tolok ukur berisi seperangkat metrik (koefisien) berikut:



ω _a K _a - koefisien bobot otonomi,

ω _l K _l - koefisien bobot waktu belajar untuk menyelesaikan tugas,

ω _w K _w - koefisien bobot daya dukung,

ω _c K _cAdalah koefisien tertimbang dari tumbukan tempat kerja,

ω _d K _d adalah koefisien tertimbang dari kondisi kerja yang sulit,

ω _p K _p adalah koefisien tertimbang yang ditolak,

ω _o K _o adalah koefisien tertimbang dari rata-rata laju harian operasi atom,

ω _e K _e adalah koefisien bobot entropi.



Rumus umum untuk menghitung benchmark:



Dimana ω _i K _i- koefisien tertimbang dari satu set metrik.



Setiap metrik mempertimbangkan karakteristik penggunaan kompleks robotik dalam kaitannya dengan karakteristik serupa dalam kasus kerja manual dan tidak berdimensi. Arti setiap metrik ditafsirkan dalam kaitannya dengan orang:

• jika nilainya kurang dari satu, maka penggunaan RTK untuk tugas yang diukur kurang efektif dibandingkan dengan menggunakan tenaga manusia.
• Jika lebih dari satu, maka penggunaan RTK lebih efektif dalam kaitannya dengan penggunaan tenaga kerja manual.

Perkiraan tersebut digeneralisasi dihitung menurut rumus (1) ditafsirkan dengan cara yang sama, dan untuk nilai setiap metrik K _i berat ω _i ditentukan , yang menunjukkan kontribusi metrik untuk hasil keseluruhan.



Bobot metrik ditentukan oleh tingkat kekritisannya untuk melakukan tugas individu, dan secara default bobot koefisiennya sama (sama dengan 1).



Dalam kasus membandingkan RTK dengan senapan mesin atau RTK lainnya, nilai tolok ukur dihitung untuk mereka secara terpisah dalam kaitannya dengan seseorang dan dibandingkan. RTK yang lebih efisien akan menerima nilai benchmark yang lebih tinggi.

Koefisien otonomi robot

Metrik ini digunakan untuk menilai biaya tambahan dari partisipasi manusia dalam sistem. Nilai koefisien berada dalam kisaran [0 ... 1], di mana 0 - sistem yang dihasilkan tidak otonom, pemeliharaan memerlukan kehadiran personel yang konstan, 1 - sistem yang dihasilkan sepenuhnya otonom, tidak memerlukan personel pemeliharaan.

Model matematika dari metrik

Untuk menentukan koefisien otonomi, diusulkan untuk menggunakan kemungkinan transisi robot ke keadaan yang membutuhkan interaksi dengan operator.

Diusulkan untuk membagi kelas-kelas negara bagian menjadi beberapa kelompok:

• e - States yang berhubungan langsung dengan manipulator dan perangkat lunaknya.
• c - Status yang terkait dengan peralatan klien.
• f – , .

Untuk masing-masing kelas keadaan, diusulkan untuk memperkenalkan probabilitas transisi sistem ke keadaan ini sebagai rasio jumlah pengamatan setiap kelas peristiwa dengan jumlah total operasi yang dilakukan sesuai dengan rumus:





Di mana p _i adalah probabilitas kelas peristiwa i (e, c, f), n _i adalah jumlah peristiwa i class, n _a - jumlah operasi yang dilakukan oleh robot. Di bawah n _a diusulkan untuk menggunakan nomor operasi atom dari robot yang mempengaruhi lingkungan.



Untuk menentukan koefisien otonomi digunakan rumus sebagai berikut:





Dimana p _e , p _c, p _f - probabilitas peristiwa kelas (e, c, f).



Untuk memperkirakan proporsi waktu yang dihabiskan untuk melayani robot, diusulkan untuk memperkenalkan metrik berikut:





Di mana p _i adalah probabilitas asal mula kejadian kelas i, n _o adalah jumlah operasi atom robot per shift t _i adalah waktu yang dinormalisasi untuk menghilangkan penarikan robot dari keadaan yang membutuhkan intervensi eksternal. Kemudian rasio



dimana t _sh adalah waktu shift dapat digunakan untuk menghitung jumlah operator terhadap jumlah robot.

Koefisien waktu belajar untuk tugas baru

, . [0, +∞), 0 , , 1 , , , 2 , , .

Seseorang belajar untuk jangka waktu tertentu. Untuk tugas yang kompleks bisa jadi berbulan-bulan, untuk tugas sederhana bisa berjam-jam. Untuk menghitung koefisien waktu pelatihan untuk tugas baru, sebuah metrik diusulkan di





mana t _h adalah waktu pelatihan seseorang untuk tugas baru, _rai adalah waktu pelatihan untuk agen robot cerdas dalam tugas baru.

Parameter t _rai dihitung sebagai:



Di mana t _mh adalah intensitas tenaga kerja dari proses yang diperlukan untuk melatih agen robot cerdas, termasuk namun tidak terbatas pada:

• Waktu untuk membangun suasana tempat sistem berjalan, termasuk waktu integrasi model pengambilan, dalam kasus penggunaan pengambilan khusus.
• Waktu persiapan bagi perencana lintasan untuk bekerja di tempat kejadian.
• Saatnya belajar Ai untuk memecahkan masalah.

Parameter t _hum terdiri dari serangkaian tindakan pelatihan manusia.





Dimana t _int adalah waktu rencana untuk menempatkan seseorang untuk bekerja (instruksi awal karyawan), t _hi adalah waktu i program pelatihan selama periode yang diperlukan untuk melatih seseorang ketika menerima tugas baru, yang meliputi, n _yi adalah berapa kali per tahun, n _s - jumlah karyawan yang terlatih.

Kapasitas angkat robot-ke-orang

. (0...+∞), 0 – , 1 – , 2 – .

Untuk menentukan koefisien kapasitas angkat robot terhadap seseorang, maka digunakan rumus sebagai berikut:





Dimana k _r - kapasitas angkat robot, k _h - kapasitas angkat seseorang.



Untuk menentukan daya dukung robot, diusulkan menggunakan rumus: di





mana mi adalah massa yang ditransfer selama waktu t, n adalah jumlah beban yang dibawa.

Untuk menentukan koefisien daya dukung seseorang, seseorang harus berpedoman pada undang-undang Federasi Rusia, khususnya [1]. Mempertimbangkan adanya berat maksimum yang diizinkan yang diizinkan untuk diangkat oleh seorang pria, diusulkan untuk menggunakan rumus berikut:





Dimana m _iApakah massa yang ditransfer selama waktu t, n adalah jumlah beban yang diangkut, k _l adalah pengali dengan mempertimbangkan beban standar untuk 1 orang, yang dihitung sebagai





Dimana k _m adalah koefisien tergantung pada berat maksimum benda yang diangkut oleh orang per satuan waktu, k _A adalah koefisien pekerjaan dinamis yang dilakukan oleh seseorang per shift. Untuk menghitung koefisien k _m, diusulkan untuk menggunakan rumus berikut:





Dimana m _norma adalah massa yang diperbolehkan menurut standar kerja, m _i adalah massa unit muatan yang dipindahkan.







Dimana _sayaAdalah massa unit kargo yang ditransfer, l adalah jarak rata-rata transfer setiap kargo.



Tabel 1: Massa kargo yang diangkat dan dipindahkan secara manual, kg



Tabel 2: Beban dinamis fisik - unit kerja mekanis eksternal per hari kerja (shift), kg * m



Daftar sumber yang digunakan:

1. Surat Kementerian Tenaga Kerja Rusia tertanggal 22 Juni 2016 N 15-2 / OOG-2247 "Tentang pekerjaan yang terkait dengan mengangkat dan memindahkan beban"
2. 20 , 24 2014 . N 33

, - .

Untuk menilai karakteristik ini, mari kita perkenalkan koefisien tumbukan dari tahap kerja:





Dimana K _c - faktor tabrakan dari tempat kerja; _c - koefisien tabrakan tempat kerja robot; _c - koefisien tabrakan tempat kerja seseorang.



Jika koefisien ini kurang dari 1, maka robot lebih rendah dari manusia; jika lebih besar dari 1, maka robot tersebut melampaui kecepatan operasi seseorang; jika sama dengan 1, maka manusia dan robot melakukan pekerjaan dengan cara yang sama.



Yang dimaksud dengan koefisien tumbukan adegan kerja robot K _KR adalah rasio:





Dimana K _{DOI R}- Koefisien jangkauan area yang diminati robot - waktu rata-rata operasi oleh robot.



Di bawah koefisien pencapaian area minat area kerja robot K _{DOI R yang} kami maksud adalah rasio:







Dimana V _SPL - volume area yang diminati yang memungkinkan untuk merencanakan lintasan; V _ROI adalah volume total area yang diminati.



Area minat adalah area ruang kerja manipulator robot, yang, misalnya, paralelepiped di mana robot berinteraksi dengan objek dunia luar dalam kerangka tugas manipulasi tertentu.



Lintasan robot direncanakan untuk posisi dan orientasi tertentu dari tubuh kerja di luar angkasa. Karena bahkan dalam volume yang sangat kecil terdapat sejumlah besar kombinasi posisi dan orientasi yang mungkin dari badan kerja yang tak terhingga banyaknya, ini adalah tugas nontrivial yang agak sulit untuk menilai volume wilayah yang diminati di mana lintasan pergerakan direncanakan dalam ruang kontinu.



Oleh karena itu, kita berpindah dari ruang kontinu ke ruang diskrit. Untuk melakukan ini, mari kita pisahkan area yang diinginkan menjadi sel terpisah. Mari kita letakkan bidang minat dalam korespondensi dengan himpunan orientasi badan kerja. Himpunan orientasi badan kerja manipulator-robot dapat berisi, misalnya, orientasi badan kerja sepanjang sumbu vertikal, serta orientasi sepanjang sumbu yang menyimpang dari sumbu vertikal pada sudut yang ditentukan oleh pengguna. Kumpulan orientasi bergantung pada spesifikasi tugas manipulasi. Orientasi ini, bersama dengan koordinat pusat sel, digunakan sebagai posisi dan orientasi target saat menyelesaikan masalah kinematik terbalik.



Biarkan kawasan yang diinginkan dibagi menjadi sel M, dan kawasan yang diinginkan sesuai dengan Qorientasi yang mungkin dari badan kerja. Kemudian koefisien pencapaian area kepentingan dari area kerja (3) untuk ruang diskrit dapat direpresentasikan dalam bentuk hubungan berikut:







Dimana M * Q - jumlah total posisi dan orientasi badan kerja, yang perlu merencanakan lintasan, untuk area kepentingan tertentu; N _SPL - jumlah posisi dan orientasi badan kerja, yang ternyata merencanakan lintasannya.



Waktu rata-rata robot untuk melakukan operasi dihitung dari rasio:







Where T _Σ- total waktu yang dihabiskan untuk merencanakan lintasan ke pusat sel di wilayah yang diminati dengan semua kemungkinan orientasi badan kerja, yang dihitung dengan rumus:







Dimana _ij - waktu perencanaan lintasan ke pusat sel ke-i dengan orientasi ke-j badan kerja; T _VYPij - Runtime direncanakan ke tengah sel i-j dengan orientasi lintasan tubuh yang bekerja.



Memperhatikan (4) dan (5), rumus (2) untuk menghitung koefisien tumbukan tahap kerja robot akan mengambil bentuk:







Di bawah koefisien tumbukan adegan kerja seseorang K _{KCH yang} kami maksud adalah rasio:







Dimana K _{DOI W}- Koefisien pencapaian bidang minat seseorang; T _{SR H} - waktu rata-rata operasi oleh seseorang.



Tugas manipulasi dilakukan oleh seseorang dengan menggunakan peralatan khusus, misalnya, di jalur konveyor, yang tempat kerjanya dirancang khusus untuk bidang ergonomis. Oleh karena itu, koefisien keterjangkauan bidang minat wilayah kerja akan sama dengan satu, karena diketahui bahwa seseorang memiliki kemampuan untuk memanipulasi objek dalam wilayah yang diminati. Mempertimbangkan hal ini, ekspresi untuk menghitung koefisien tabrakan dari tempat kerja seseorang (7) akan berbentuk:







Waktu rata-rata operasi oleh seseorang T _{SR H}dapat diketahui dari proses teknologi atau standar yang ditetapkan. Jika tidak, hal ini ditemukan secara empiris dengan mengukur langsung waktu eksekusi rangkaian operasi sejenis dan membaginya dengan jumlah operasi dalam rangkaian menggunakan rumus:







Di mana T _{Σ H} adalah waktu eksekusi terukur dari rangkaian operasi atom serupa, m adalah jumlah operasi atom dalam satu rangkaian.



Mempertimbangkan (6) dan (8), koefisien tumbukan tahap kerja ditentukan oleh rumus:

Rasio kondisi kerja yang parah

. 1 — ; 1 — ; 1 — .

Daftar faktor produksi berbahaya dan berbahaya (HCPF) diberikan di GOST 12.0.003-74 “Faktor produksi yang berbahaya dan berbahaya. Klasifikasi". Kehadiran satu atau beberapa DPF dapat membatasi durasi kerja berkelanjutan dalam bentuk istirahat wajib, waktu shift yang lebih pendek, dan istirahat untuk penggantian alat pelindung diri. Selain itu, DIAF memberlakukan batasan jumlah jam kerja per minggu dan menjamin karyawan mendapatkan liburan berbayar yang lebih tinggi.



Di antara faktor-faktor produksi yang bekerja di RTC, berikut ini dapat dibedakan:

1. tingkat kandungan debu dan gas udara di wilayah kerja;
2. tingkat suhu udara wilayah kerja;
3. tingkat getaran;
4. tingkat tekanan barometrik di area kerja dan perubahannya yang tajam;
5. tingkat kelembaban udara;
6. ;
7. ;
8. ;
9. ;
10. ;
11. ;
12. ;
13. ;
14. ;
15. ;
16. ;
17. ;
18. , .

Jika tingkat faktor kondisi kerja berada dalam kisaran kondisi operasi RTK, maka gangguan yang signifikan terhadap operasi berkelanjutan kompleks akan dikaitkan dengan pemeliharaan terjadwal. Jika tingkat faktor kondisi kerja tidak termasuk dalam kisaran kondisi operasi RTK, maka peralatan tambahan kompleks akan digunakan, misalnya, dalam bentuk penutup pelindung, atau RTK dianggap tidak dapat diterapkan dalam konfigurasi saat ini untuk kondisi kerja ini, dan keputusan dibuat untuk mengganti komponennya. Jika peralatan tambahan termasuk dalam RTK, gangguan dalam operasi berkelanjutan mungkin juga disebabkan oleh penggantian peralatan ini.



Kondisi kerja yang keras mempengaruhi waktu shift aktual. Kami akan menggunakan nilai ini untuk menilai tingkat keparahan kondisi kerja.







Dimana K _FR - koefisien pekerjaan aktual; t _FR - total waktu kerja aktual; t _CM - durasi shift.



Koefisien keparahan persalinan adalah sebagai berikut:







Dimana K _d - koefisien keparahan persalinan; K _{FR P} - koefisien pekerjaan sebenarnya dari robot; K _{FR CH} - koefisien pekerjaan aktual seseorang.

Koefisien (ukuran) entropi benda

, , .

Yang kami maksud dengan entropi suatu objek adalah jumlah informasi yang diketahui tentang objek ini. Objek dicirikan oleh posisi (x, y, z), orientasi (R, P, Y), massa m, posisi pusat massa (xc, yc, zc), dimensi (l, w, h), bentuk (s). Seseorang dengan bebas memanipulasi sejumlah besar objek dengan karakteristik fisik yang berbeda, meskipun beberapa di antaranya tidak diketahui olehnya. Oleh karena itu, untuk itu entropi benda apapun adalah 0. Mari kita asumsikan bahwa entropi benda adalah 0 jika segala sesuatu tentang benda itu diketahui, dan 1 jika tidak ada yang diketahui. Entropi benda akan ditentukan dengan rumus:





Dimana S adalah entropi benda; S _x , S _y , S _z - entropi posisi objek; S _R , S _P, S _Y - entropi orientasi objek; S _m adalah entropi massa benda; S _xc , S _yc , S _zc - entropi posisi pusat massa benda; S _l , S _w , S _h - entropi dimensi benda, S _s - entropi bentuk benda.



Memperkirakan entropi suatu objek direduksi menjadi menetapkan nilai entropi dari parameter yang digunakan dalam ekspresi (1). Mari kita pertimbangkan sejumlah kasus khusus yang terkait dengan parameter ini.



Entropi posisi dan orientasi suatu objek:

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. Jika objek terletak pada permukaan datar yang ketinggiannya tidak diketahui, dan robot dilengkapi dengan perangkat keras dan lunak yang memungkinkan penentuan posisi dan orientasi objek, maka entropi akan sebanding dengan kesalahan relatif dalam menghitung satu atau beberapa koordinat δ. Dalam hal ini 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 | / seratus.

Entropi massa suatu benda:

1. Jika massa benda tidak diketahui terlebih dahulu, maka S _m = 1.
2. Jika massa benda diketahui sebelumnya dan tidak berubah di antara benda sejenis, maka S _m = 0.
3. Jika massa rata-rata m suatu benda diketahui sebelumnya, tetapi berubah dari satu benda berjenis sama ke benda lain dengan nilai maksimum Δ _m , maka S _m = | Δ _m | / 2m.

Entropi posisi pusat massa objek:

1. Jika benda berupa benda padat dan penentuan posisi pusat massanya tidak sulit atau tidak diketahui, maka S _xc = 0, S _yc = 0, S _zc = 0.
2. Jika benda tersebut adalah tabung berlubang berdinding tipis, sebagian berisi cairan, maka dapat diasumsikan bahwa pusat massa benda ini berada di suatu tempat pada sumbu simetri benda tersebut. Dalam hal ini, S _xc = 1, S _yc = 1, S _zc = 0.
3. Jika benda tersebut merupakan benda yang dapat dideformasi, tetapi posisi pusat massanya tidak mempengaruhi keberhasilan tugas manipulasi, maka S _xc = 0, S _yc = 0, S _zc = 0.
4. Jika benda tersebut adalah benda yang dapat dideformasi, dan posisi pusat massanya secara signifikan memengaruhi keberhasilan tugas manipulasi, maka S _xc = 1, S _yc = 1, S _zc = 1.

Entropi dimensi objek:

1. , . S_l = 0, S_w = 0, S_h = 0.
2. , , , , S_l = 0, S_w = 0, S_h = 1.
3. Jika objek dapat dideformasi, bentuknya berubah selama melakukan operasi manipulasi, dan robot dilengkapi dengan perangkat keras dan perangkat lunak yang memungkinkan untuk menentukan dimensi objek, maka entropi akan sebanding dengan kesalahan relatif dalam menghitung dimensi di satu atau beberapa koordinat lain δ. Dalam hal ini S _l = | δ _l | / 100, S _w = | δ _w | / 100, S _h = | δ _h | / seratus.

Entropi bentuk objek:

1. Jika bentuk benda tidak berubah, maka S _s = 0;
2. Jika bentuk benda berubah, maka S _s = 1.

Semua parameter ini ditetapkan dengan inspeksi visual area kerja, sekumpulan objek yang akan dimanipulasi, mengukur massa, dimensi, dan mempelajari karakteristik teknis komponen RTK.



Entropi suatu objek memungkinkan kita memperkirakan kompleksitas masalah yang diselesaikan dengan bantuan RTK. Semakin rendah entropi objek, semakin banyak informasi yang diketahui kompleks tentang objek tersebut dan semakin tinggi kemungkinan keberhasilan pelaksanaan operasi manipulasi. Koefisien entropi Ke benda ditentukan dari rasio:

Tingkat penolakan

Metrik ini memungkinkan Anda untuk membandingkan estimasi kuantitatif kasus pernikahan RTC dan kerja manual dalam menyelesaikan masalah manipulasi. Nilai metrik dapat berkisar dari 0 hingga + ∞.

Model matematika dari metrik

Cacat adalah hasil kerja proses teknologi yang tidak sesuai dengan standar dan tidak berlaku sama sekali di masa depan atau tanpa operasi perbaikan tambahan. Bagi RTK, pernikahan dapat dianggap sebagai situasi atau rangkaian operasi atom yang gagal diselesaikan.

Sebagai contoh:

• beberapa upaya untuk mengambil objek, yang menyebabkan ketidakmungkinan pekerjaan lebih lanjut (perulangan);
• beberapa upaya yang gagal untuk menangkap objek bergerak, selama ia meninggalkan jangkauan;
• menangkap dengan kerusakan pada objek.

Jumlah relatif dari skrap dihitung sebagai:



Dimana N _d adalah jumlah unit memo, N _a adalah jumlah unit dari semua operasi / produk.



Kemudian metrik terakhir akan dinyatakan dalam rasio jumlah perkawinan yang dihasilkan oleh RTK terkait dengan orang tersebut dihitung sebagai:





Dimana DPU _{h adalah} jumlah relatif perkawinan yang dihasilkan oleh orang tersebut, DPU _{r adalah} jumlah relatif perkawinan yang dihasilkan oleh RTK.

Laju harian rata-rata waktu eksekusi operasi atom

Metrik ini menentukan durasi rata-rata operasi atomic RTK dibandingkan dengan norma harian rata-rata orang yang melakukan operasi yang sama.



Operasi atom adalah bagian yang tidak terpisahkan secara logis dari proses teknologi untuk melakukan tugas yang lebih umum. Misalnya: kencangkan sekrupnya, pegang tasnya.

Model matematika

Mari kita sebut rasio rata-rata tarif harian dalam melakukan operasi atom sebagai rasio waktu seseorang melakukan pekerjaan dengan waktu kompleks robotik beroperasi.



Dimana T _h adalah waktu rata-rata untuk menyelesaikan sebuah operasi atom oleh seseorang, T _r adalah waktu rata-rata untuk menyelesaikan sebuah operasi atom.



Waktu rata-rata operasi atom dihitung sebagai:





Dimana t _w- total waktu yang dihabiskan untuk operasi tertentu tanpa memperhitungkan waktu henti yang terkait dengan alasan independen (misalnya, pasokan barang), tetapi termasuk waktu untuk menghilangkan situasi luar biasa; N adalah perkiraan jumlah proses teknologi untuk waktu operasi yang diukur (penghitungan dilakukan masing-masing untuk seseorang dan robot).



Jadi, waktu pelaksanaan operasi atom terdiri dari:





Di mana ∑t _{o adalah} total waktu semua operasi atom yang menyusun proses teknologi, termasuk operasi persiapan dan akhir; ∑t _f total waktu dari semua waktu henti karena alasan internal, misalnya, pengecualian karena pemrosesan yang salah.