Benchmark d'efficacité des processus de manipulation (MPE)

Benchmark pour la technologie de manipulation

Le benchmark est conçu pour évaluer l'efficacité de l'utilisation d'un complexe robotique (RTC) dans les tâches de manipulation d'objets par rapport à l'utilisation du travail manuel humain.



Le benchmark contient l'ensemble de métriques (coefficients) suivant:



ω _a K _a - coefficient d'autonomie pondéré,

ω _l K _l - coefficient pondéré de temps d'apprentissage pour terminer la tâche,

ω _w K _w - coefficient pondéré de capacité de charge,

ω _c K _cEst le coefficient pondéré de collision de la phase de travail,

ω _d K _d est le coefficient pondéré des conditions de travail difficiles,

ω _p K _p est le coefficient pondéré des rejets,

ω _o K _o est le coefficient pondéré du taux journalier moyen de fonctionnement atomique,

ω _e K _e est le coefficient d'entropie pondéré.



Formule généralisée de calcul du benchmark:



Où ω _i K _i- un coefficient pondéré à partir d'un ensemble de métriques.



Chaque métrique considère la caractéristique de l'utilisation d'un complexe robotique par rapport à une caractéristique similaire dans le cas du travail manuel et est sans dimension. La signification de chaque métrique est interprétée par rapport à la personne:

• si la valeur est inférieure à un, l'utilisation du RTK pour la tâche mesurée est moins efficace que l'utilisation du travail humain.
• s'il y en a plusieurs, l'utilisation du RTK est plus efficace par rapport à l'utilisation du travail manuel.

L'estimation généralisée calculée par la formule (1) est interprétée de la même manière, et pour la valeur de chaque métrique K _i son poids ω _i est déterminé , qui dénote la contribution de la métrique au résultat global.



Le poids d'une métrique est déterminé par le degré de sa criticité pour l'exécution de tâches individuelles, et par défaut le poids des coefficients est le même (égal à 1).



Dans le cas de la comparaison du RTK avec une mitrailleuse ou un autre RTK, la valeur de référence est calculée pour eux séparément par rapport à une personne et comparée. Un RTK plus efficace recevra une valeur de référence plus élevée.

Coefficient d'autonomie du robot

Cette métrique est utilisée pour évaluer les coûts supplémentaires de la participation humaine au système. La valeur du coefficient est dans la gamme [0 ... 1], où 0 - le système résultant n'est pas autonome, la maintenance nécessite la présence constante de personnel, 1 - le système résultant est complètement autonome, ne nécessite pas de personnel de maintenance.

Modèle mathématique de la métrique

Pour déterminer le coefficient d'autonomie, il est proposé d'utiliser la probabilité de transition du robot vers un état nécessitant une interaction avec l'opérateur.

Il est proposé de diviser les classes d'états en plusieurs groupes:

• e - États directement liés au manipulateur et à son logiciel.
• c - États associés à l'équipement client.
• f – , .

Pour chacune des classes d'états, il est proposé d'introduire la probabilité de transition du système vers cet état comme le rapport du nombre d'observations de chaque classe d'événements au nombre total d'opérations effectuées selon la formule:





où p _i est la probabilité de la i classe d'événements (e, c, f), n _i est le nombre d'événements i class, n _a - le nombre d'opérations effectuées par le robot. Sous n _{a il est} proposé d'utiliser le nombre d'opérations atomiques du robot qui affectent l'environnement.



Pour déterminer le coefficient d'autonomie, il est proposé d'utiliser la formule suivante:





Où p _e , p _c, p _f - probabilités d'événements des classes (e, c, f).



Pour estimer la proportion du temps consacré à l'entretien du robot, il est proposé d'introduire la métrique suivante:





où p _i est la probabilité de l'origine de la i classe d'événements, n _o est le nombre d'opérations atomiques du robot par quart de travail t _i est le temps normalisé pour éliminer le retrait du robot de l'état nécessitant une intervention externe. Ensuite, le rapport



où t _sh est le temps de décalage peut être utilisé pour calculer le nombre d'opérateurs sur le nombre de robots.

Coefficient de temps d'apprentissage pour une nouvelle tâche

, . [0, +∞), 0 , , 1 , , , 2 , , .

Une personne apprend pendant un certain temps. Pour des tâches complexes, cela peut prendre des mois, pour des tâches simples, cela peut prendre des heures et des minutes. Pour calculer le coefficient du temps de formation pour une nouvelle tâche, une métrique est proposée





où t _h est le temps de formation d'une personne à une nouvelle tâche, t _rai est le temps de formation d'un agent robot intelligent à une nouvelle tâche.

Le paramètre t _rai est calculé comme _suit :



Où t _mh est l'intensité de travail des processus nécessaires à la formation de l'agent robot intelligent, y compris mais sans s'y limiter:

• Le temps de construction de la scène dans laquelle le système s'exécute, y compris le temps d'intégration du modèle de capture, dans le cas de l'utilisation d'une capture spécialisée.
• Le temps de préparation du planificateur de trajectoire pour travailler dans la scène.
• Le moment où Ai apprend à résoudre le problème.

Le paramètre t _{hum se} compose d'un ensemble d'actions d'entraînement humain.





Où t _int est le moment du plan de mise au travail d'une personne (instruction initiale du salarié), t _hi est le temps i du programme de formation pendant la période nécessaire à la formation d'une personne lors de la réception d'une nouvelle tâche, qui comprend, n _yi est le nombre de fois par an, n _s - le nombre d'employés formés.

Capacité de levage de robot à personne

. (0...+∞), 0 – , 1 – , 2 – .

Pour déterminer le coefficient de capacité de levage d'un robot à une personne, il est proposé d'utiliser la formule suivante:





Où k _r - capacité de levage du robot, k _h - capacité de levage d'une personne.



Pour déterminer la capacité de charge du robot, il est proposé d'utiliser la formule:





où mi est la masse transférée pendant le temps t, n est le nombre de charges transportées.

Pour déterminer le coefficient de la capacité de charge d'une personne, il faut être guidé par la législation de la Fédération de Russie, en particulier [1]. Compte tenu de la présence du poids maximal autorisé pour le levage par un homme, il est proposé d'utiliser la formule suivante:





Où m _iEst la masse transférée pendant le temps t, n est le nombre de charges transportées, k _l est le multiplicateur prenant en compte la charge standard pour 1 personne, qui est calculé comme





où k _m est le coefficient dépendant du poids maximum de l'objet porté par la personne par unité de temps, k _A est le coefficient travail dynamique effectué par une personne par équipe. Pour calculer le coefficient k _{m, il est} proposé d'utiliser la formule suivante:





où m _norme est la masse admissible selon les normes de travail, m _i est la masse de l'unité de fret transférée.







Où suis- _jeEst la masse de l'unité de fret transférée, l est la distance moyenne de transfert de chaque cargaison.



Tableau 1: Masse de la cargaison soulevée et déplacée manuellement, kg



Tableau 2: Charge dynamique physique - unités de travail mécanique externe par jour ouvrable (équipe), kg * m



Liste des sources utilisées:

1. Lettre du ministère du Travail de la Russie datée du 22 juin 2016 N 15-2 / OOG-2247 "Sur les travaux liés au levage et au déplacement de poids"
2. 20 , 24 2014 . N 33

, - .

Pour évaluer ces caractéristiques, introduisons en considération le facteur de collision de l'étape de travail:





où K _c - le facteur de collision de la scène de travail; _c - coefficient de collision de la scène de travail du robot; _c - coefficient de collision de la scène de travail d'une personne.



Si ce coefficient est inférieur à 1, alors le robot est inférieur à la personne; s'il est supérieur à 1, alors le robot dépasse un humain dans la vitesse d'exécution de l'opération; s'il est égal à 1, l'humain et le robot font le travail de la même manière.



Par le coefficient de collision de la scène de travail du robot K _KR on entend le rapport:





Où K _{DOI R}- coefficient d'atteinte des zones d'intérêt du robot; - le temps moyen de l'opération par le robot.



Sous le coefficient d'atteinte des zones d'intérêt de la zone de travail du robot K _{DOI R,} nous entendons le rapport:







Où V _SPL - le volume de zones d'intérêt pour lequel il était possible de planifier la trajectoire; V _ROI - le volume total des zones d'intérêt.



Une zone d'intérêt est une zone de l'espace de travail d'un robot manipulateur, qui est, par exemple, un parallélépipède, dans laquelle le robot interagit avec des objets du monde extérieur dans le cadre d'une tâche de manipulation spécifique.



La trajectoire du robot est prévue pour une certaine position et orientation du corps de travail dans l'espace. Étant donné que même dans un volume infiniment petit, il existe un nombre infiniment grand de combinaisons de positions et d'orientations possibles du corps de travail, il est une tâche non triviale plutôt difficile d'évaluer le volume de la région d'intérêt pour laquelle il était possible de planifier la trajectoire du mouvement dans un espace continu.



On passe donc d'un espace continu à un espace discret. Pour ce faire, divisons la zone d'intérêt en cellules séparées. Mettons les centres d'intérêt en correspondance avec l'ensemble des orientations du corps de travail. L'ensemble des orientations du corps de travail du robot-manipulateur peut contenir, par exemple, l'orientation du corps de travail le long de l'axe vertical, ainsi que des orientations le long des axes déviés de l'axe vertical aux angles spécifiés par l'utilisateur. L'ensemble des orientations dépend des spécificités de la tâche de manipulation. Ces orientations, ainsi que les coordonnées des centres des cellules, sont utilisées comme positions et orientations cibles lors de la résolution du problème de cinématique inverse.



Laissez la région d'intérêt être divisée en M cellules, et la région d'intérêt correspond à Qorientations possibles du corps de travail. Ensuite, le coefficient d'atteinte des zones d'intérêt de la zone de travail (3) pour un espace discret peut être représenté sous la forme de la relation suivante:







Où M * Q - le nombre total de positions et d'orientations du corps de travail, pour lequel il est nécessaire de planifier des trajectoires, pour une zone d'intérêt donnée; N _SPL - le nombre de positions et d'orientations du corps de travail, pour lequel il s'est avéré de planifier les trajectoires.



Le temps moyen pendant _lequel un robot effectue une opération _est calculé à partir du rapport:







Où T _Σ- le temps total passé à planifier des trajectoires vers les centres des cellules des régions d'intérêt avec toutes les orientations possibles du corps de travail, qui est calculé par la formule:







où _ij est le temps de planification de la trajectoire vers le centre de la i-ème cellule avec la j-ème orientation du corps de travail; T _VYPij - Runtime planifié au centre des i-j-cells avec l'orientation de la trajectoire du corps de travail.



Compte tenu de (4) et (5), la formule (2) de calcul du coefficient de collision de l'étape de travail du robot prendra la forme:







Par le coefficient de collision de la scène de travail d'une personne K _KCH, nous entendons le rapport:







Où K _{DOI W}- coefficient d'atteinte des domaines d'intérêt d'une personne; T _{SR H} - la durée moyenne de l'opération par une personne.



La tâche de manipulation est effectuée par une personne sur un équipement spécial, par exemple sur une ligne de convoyage, dont les postes de travail sont spécialement conçus en tenant compte de l'ergonomie. Par conséquent, le rapport d'accessibilité des zones d'intérêt de la zone de travail sera égal à un, car il est connu qu'une personne a la capacité de manipuler des objets dans la zone d'intérêt. En tenant compte de cela, l'expression de calcul du coefficient de collision de la scène de travail d'une personne (7) prendra la forme:







Temps moyen de l'opération par une personne T _{SR H}peuvent être connus à partir du processus technologique ou des normes établies. Sinon, on le trouve empiriquement en mesurant directement le temps d'exécution d'une série d'opérations du même type et en divisant cette fois par le nombre d'opérations d'une série en utilisant la formule:







Où T _{Σ H} est le temps d'exécution mesuré d'une série d'opérations atomiques similaires, m est le nombre d'opérations atomiques dans une série.



Compte tenu de (6) et (8), le coefficient de collision de l'étape de travail est déterminé par la formule:

Ratio conditions de travail sévères

. 1 — ; 1 — ; 1 — .

La liste des facteurs de production dangereux et nocifs (HCPF) est donnée dans GOST 12.0.003-74 «Facteurs de production dangereux et nocifs. Classification". La présence de l'un ou l'autre DPF peut imposer une limitation de la durée du travail continu sous la forme de pauses obligatoires, de temps de travail plus courts et de pauses pour le remplacement des équipements de protection individuelle. De plus, la DIAF impose une limite au nombre d'heures de travail par semaine et garantit au salarié une augmentation des vacances payées.



Parmi les facteurs de production agissant au RTC, on peut distinguer:

1. le niveau de poussière et la teneur en gaz de l'air dans la zone de travail;
2. niveau de température de l'air de la zone de travail;
3. niveau de vibration;
4. le niveau de pression barométrique dans la zone de travail et son changement brusque;
5. niveau d'humidité de l'air;
6. ;
7. ;
8. ;
9. ;
10. ;
11. ;
12. ;
13. ;
14. ;
15. ;
16. ;
17. ;
18. , .

Si les niveaux de facteurs des conditions de travail tombent dans la plage des conditions de fonctionnement du RTC, des interruptions significatives de l'exploitation continue du complexe seront associées à la maintenance planifiée. Si les niveaux de facteurs des conditions de travail ne rentrent pas dans la plage des conditions de fonctionnement du RTK, alors soit des équipements supplémentaires du complexe seront utilisés, par exemple, sous la forme de housses de protection, soit le RTK est reconnu comme inapplicable dans la configuration actuelle pour ces conditions de travail, et une décision est prise de remplacer ses composants. Si un équipement supplémentaire est inclus dans le RTK, des interruptions de fonctionnement continu peuvent également être dues au remplacement de cet équipement.



Les conditions de travail difficiles affectent les temps de travail réels. Nous utiliserons cette valeur pour évaluer la sévérité des conditions de travail.







Où K _FR - coefficient du travail réel; t _FR - durée totale du travail réel; t _CM - durée du quart de travail.



Le coefficient de la sévérité du travail sera le suivant:







Où K _d - le coefficient de la sévérité du travail; K _{FR P} - coefficient du travail réel du robot; K _{FR CH} - coefficient du travail effectif d'une personne.

Coefficient (mesure) d'entropie d'objet

, , .

Par l'entropie d'un objet, nous entendons la quantité d'informations connues sur cet objet. L'objet est caractérisé par la position (x, y, z), l'orientation (R, P, Y), la masse m, la position du centre de masse (xc, yc, zc), les dimensions (l, w, h), la (les) forme (s). Une personne manipule librement un grand nombre d'objets aux caractéristiques physiques différentes, même si certains d'entre eux lui sont inconnus. Par conséquent, pour cela, l'entropie de tout objet est 0. Supposons que l'entropie de l'objet est 0 si tout est connu sur l'objet, et 1 si rien n'est connu. L'entropie de l'objet sera déterminée par la formule:





où S est l'entropie de l'objet; S _x , S _y , S _z - entropie de la position de l'objet; S _R , S _P, S _Y - entropie de l'orientation de l'objet; S _m est l'entropie de la masse de l'objet; S _xc , S _yc , S _zc - entropie de la position du centre de masse de l'objet; S _l , S _w , S _h - l'entropie des dimensions de l'objet, S _s - l'entropie de la forme de l'objet.



L'estimation de l'entropie de l'objet se réduit à l'établissement de la valeur de l'entropie des paramètres utilisés dans l'expression (1). Considérons un certain nombre de cas particuliers liés à ces paramètres.



Entropie de position et d'orientation d'un objet:

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. Si l'objet est situé sur une surface plane, dont la hauteur n'est pas connue, et que le robot est équipé d'un matériel et d'un logiciel permettant de déterminer la position et l'orientation de l'objet, alors l'entropie sera proportionnelle à l'erreur relative dans le calcul de l'une ou l'autre coordonnée δ. Dans ce cas 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 | / cent.

Entropie de masse d'un objet:

1. Si la masse de l'objet n'est pas connue à l'avance, alors S _m = 1.
2. Si la masse des objets est connue à l'avance et ne change pas entre les objets du même type, alors S _m = 0.
3. Si la masse moyenne m des objets est connue à l'avance, mais passe d'un objet du même type à un autre de la valeur maximale Δ _m , alors S _m = | Δ _m | / 2m.

Entropie de la position du centre de gravité de l'objet:

1. Si l'objet est un corps solide et que la détermination de la position de son centre de masse n'est ni difficile ni connue, alors S _xc = 0, S _yc = 0, S _zc = 0.
2. Si l'objet est un tube creux à paroi mince, partiellement rempli de liquide, on peut supposer que le centre de masse de cet objet est quelque part sur l'axe de symétrie de cet objet. Dans ce cas, S _xc = 1, S _yc = 1, S _zc = 0.
3. Si l'objet est un corps déformable, mais que la position de son centre de gravité n'affecte pas le succès de la tâche de manipulation, alors S _xc = 0, S _yc = 0, S _zc = 0.
4. Si l'objet est un corps déformable et que la position de son centre de gravité affecte considérablement le succès de la tâche de manipulation, alors S _xc = 1, S _yc = 1, S _zc = 1.

Entropie des dimensions de l'objet:

1. , . S_l = 0, S_w = 0, S_h = 0.
2. , , , , S_l = 0, S_w = 0, S_h = 1.
3. Si l'objet est déformable, que sa forme change au cours d'une opération de manipulation et que le robot est équipé d'un matériel et d'un logiciel permettant de déterminer les dimensions de l'objet, alors l'entropie sera proportionnelle à l'erreur relative dans le calcul des dimensions selon l'une ou l'autre coordonnée δ. Dans ce cas S _l = | δ _l | / 100, S _w = | δ _w | / 100, S _h = | δ _h | / cent.

Entropie de la forme de l'objet:

1. Si la forme de l'objet reste inchangée, alors S _s = 0;
2. Si la forme de l'objet change, alors S _s = 1.

Tous ces paramètres sont fixés par inspection visuelle de la zone de travail, un ensemble d'objets à manipuler, en mesurant leur masse, leurs dimensions et en étudiant les caractéristiques techniques des composants du RTK.



L'entropie de l'objet permet d'estimer la complexité du problème à résoudre à l'aide du RTK. Plus l'entropie de l'objet est faible, plus le complexe connaît d'informations sur l'objet et plus la probabilité d'exécution réussie de l'opération de manipulation est élevée. Le coefficient d'entropie Ke de l'objet est déterminé à partir du rapport:

Taux de réjection

Cette métrique vous permet de comparer les estimations quantitatives des cas de mariage pour le RTC et le travail manuel lors de la résolution du problème de manipulation. Les valeurs métriques peuvent aller de 0 à + ∞.

Modèle mathématique de la métrique

Le défaut est le résultat du travail du processus technologique qui n'est pas conforme aux normes et n'est pas du tout applicable à l'avenir ou sans opérations correctives supplémentaires. Pour RTK, un mariage peut être considéré comme une situation ou une série d'opérations atomiques sans succès.

Par exemple:

• plusieurs tentatives pour prendre un objet, ce qui a conduit à l'impossibilité de poursuivre le travail (bouclage);
• plusieurs tentatives infructueuses de capture d'un objet en mouvement, au cours desquelles il quitte la portée;
• capture avec des dommages à l'objet.

Le nombre relatif de rebuts est calculé comme



suit : Où N _d est le nombre d'unités de rebut, N _a est le nombre d'unités de toutes les opérations / produits.



Ensuite, la métrique finale sera exprimée en termes de rapport du nombre de mariages produits par le RTK par rapport à la personne est calculée comme





suit : Où DPU _{h est le} montant relatif du mariage produit par la personne, DPU _{r est le} montant relatif du mariage produit par le RTK.

Taux quotidien moyen de temps d'exécution de l'opération atomique

Cette métrique détermine la durée moyenne d'une opération RTK atomique par rapport à la norme quotidienne moyenne d'une personne effectuant les mêmes opérations.



Une opération atomique est une partie logiquement indivisible du processus technologique d'exécution d'une tâche plus générale. Par exemple: serrez la vis, saisissez le sac.

Modèle mathématique

Appelons le rapport du taux quotidien moyen d'exécution d'une opération atomique le rapport entre le temps pendant lequel une personne effectue un travail et le temps pendant lequel le complexe robotique fonctionne.



Où T _h est le temps moyen pour terminer une opération atomique par une personne, T _r est le temps moyen pour terminer une opération atomique.



Le temps moyen des opérations atomiques est calculé comme





suit : Où t _w- le temps total passé sur une opération spécifique sans tenir compte des temps d'arrêt liés à des raisons indépendantes (par exemple, la fourniture de biens), mais incluant le temps pour éliminer les situations exceptionnelles; N est le nombre estimé de processus technologiques pour le temps de fonctionnement mesuré (le calcul est effectué pour une personne et un robot, respectivement).



Ainsi, le temps d'exécution d'une opération atomique se compose de:





Où ∑t _{o est le} temps total de toutes les opérations atomiques qui composent le processus technologique, y compris les opérations préparatoires et finales; ∑t _{f la} durée totale de tous les temps d'arrêt dus à des raisons internes, par exemple, une exception due à un traitement incorrect.