Diseño y desarrollo de una estación smart de trabajo que mejore la ergonomía física y cognitiva del operario y la productividad de un proceso de manufactura dentro de caso de estudio seleccionado

Abstract

ILos sistemas Ciber-físicos centrados en el humano, son un conjunto de productos, máquinas y tecnologías que se incorporan en los procesos industriales, estableciendo un balance entre la automatización de un puesto de trabajo y la participación del operador humano. La interacción entre la máquina y el operador ha representado un constante desafío dentro del desarrollo de los procesos de manufactura, convirtiendo el diseño e implementación de estaciones smart de trabajo en un tema de interés para las organizaciones, buscando integrar elementos tecnológicos que permitan la mejora de procesos productivos. La presente investigación propone la elaboración de una prueba de concepto de una estación smart de trabajo, que mediante la aplicación de un programa de visión artificial y/o reconocimiento de imágenes por computadora, contribuya al monitoreo de la ergonomía física y/o cognitiva de un operador en tiempo real y permita mejorar un proceso productivo determinado. Para el desarrollo de este trabajo, fue seleccionado como caso de estudio el CP Factory de la Pontificia Universidad Javeriana, dentro del cual se escoge la estación “Pick by Light” donde se realiza una tarea: ensamblaje de un celular. Para esta operación el módulo contará con un diseño final: operario bípedo con trípode completo y superficie fija. La creación de este módulo se realizó mediante la metodología Agile en la que la primera etapa se definen los factores ergonómicos físicos y/o cognitivos para la realización del trabajo por parte del operario bajo la calificación de los esfuerzos físicos, a través del método ergonómico Rapid Entire Body Assessment (REBA). La segunda etapa compete al diseño, donde se propusieron cuatro opciones de diseño de la estación de trabajo Pick by Light del CP Factory y, posteriormente a través de la metodología Analytic Hierarchy Process (AHP)  se efectuó la elección del diseño a implementar teniendo en cuenta los siguientes criterios: valoración REBA, viabilidad del diseño e integración Human in the Loop.Para la realización del diseño experimental se plantea un diseño unifactorial de dos niveles, planteando dos etapas del experimento que representan estos dos niveles: 1. La realización del ensamble bajo instrucciones iniciales, sin sugerencias ergonómicas al operario en tiempo real en cuanto a la rotación de su muñeca. 2. La realización del ensamble bajo instrucciones iniciales, con sugerencias ergonómicas al operario en tiempo real en cuanto a la rotación de su muñeca, según indicaciones del programa de reconocimiento de imágenes previamente diseñado. De esta forma se busca validar el posible efecto dentro del caso de estudio de la simulación de ensamblaje de celulares con la implementación en el aplicativo desarrollado que presenta el monitoreo ergonómico en tiempo real para el operario de sus actividades.Para la implementación de la estación Smart de trabajo se realizó un diagrama bimanual de la operación del trabajador que permitió determinar el procedimiento a seguir y el tiempo que toma la ejecución de cada etapa y por lo tanto cada ensamble, a través del cual se concluyó que son necesarios aproximadamente 15 segundos para la ejecución de cada ensamble del producto. También, se realiza la integración de diferentes herramientas a través del lenguaje de programación python, donde por medio de librerías como Opencv y Mediapipe es posible implementar el uso de visión artificial y reconocimiento de imágenes, lo que permitió detectar y realizar un seguimiento de las manos del operario en las dos etapas. En cuanto a ergonomía física se hace una puntuación a través del método Job Strain Index (JSI) para así identificar los movimientos por medio de los 20 puntos distribuidos en la mano gracias a las librerías anteriormente mencionadas.Para verificar resultados en el presente estudio se establecieron los siguientes indicadores que midieron la productividad y la ergonomía física y cognitiva del operario: puntaje JSI, throughput, tiempo de ciclo y tasa de rechazo o error; en los que se concluye para el JSI un decremento significativo en la etapa 2 de aproximadamente el 60%, lo que implica que en conjunto con la comprobación de un efecto significativo en el experimento, el aplicativo y su visualización de monitoreo en tiempo real sobre los movimientos del operario son propicios. El throughput demuestra en su gran mayoría un aumento productivo, ya que en tan solo aproximadamente el 20% de las 30 réplicas, se encuentra que en la etapa 1 se completaron más unidades que en la etapa 2 con una diferencia máxima de 2 unidades, donde de igual forma se evidencia el agotamiento físico sobre el operario para la segunda etapa. Para el tiempo de ciclo promedio, se encuentra que para más del 83% de los operarios de prueba se disminuye su tiempo requerido para completar un ensamble en promedio en 0.08 segundos, logrando mejoras en la tasa productiva. Finalmente, para la tasa de rechazo o de error existe una disminución del promedio de errores del 19% entre la primera etapa del experimento contra la segunda etapa, representando que a nivel productivo, la retroalimentación en tiempo real para los operarios sí tiene un efecto significativo positivo sobre la eficiencia de su trabajo.