Design and development of a smart workstation that improves the physical and cognitive ergonomics of the operator and the productivity of a manufacturing process within a selected case of study

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.Humans in cyber-physical production systems (H-CPPS) are a conjunction of products, machines, and technologies that incorporate industrial processes, establishing a balance between automation in a job position and the participation of a human operator. The interaction between the machine and the operator have represented a constant challenge within the development of manufacturing processes, transforming the design and implementation of smart workstations on a topic of interest for organizations which are searching to integrate technological elements that improve production processes. This research proposes the design and construction of a proof-of-concept of a smart workstation which, with the use of an artificial vision program and computer image recognition, facilitates the monitoring of physical ergonomics and the cognitive processes of a real-time operators, which will allow for the execution of a specific production process. For the purposes of this project, the CP Factory of the Pontificia Universidad Javeriana was selected as a trial subject and the workstation “Pick by Light” was chosen, where the assembly of cell phones takes place. For this operation, the module will rely on one final design: a biped operator with a steady surface. This module was created through Agile methodology where in the first phase the physical and cognitive ergonomic factors are defined for the completion of the job for an operator who does not meet the necessary physical qualifications, with the help of the Rapid Entire Body Assessment (REBA) ergonomic method. The second phase complements the design, where four options were proposed for the Pick by Light of the CP Factory workstation and, consequently, through the Analytic Hierarchy Process (AHP) methodology the implementation of a design which uses the following criteria: REBA value, feasibility of the design, and the integration of Human in the Loop. For the construction of the Smart Workstation, a bimanual diagram of the operation of the worker was created, which allowed to identify the process sequency and the time that is necessary to execute an assembly of cellphones inside the C.P Factory. Furthermore, the integration of tools through the programming language of Python was applied, where through libraries Opencv and Mediapipe it was possible to implement artificial vision and image recognition, which permitted to detect and implement the tracking of the operator hand movements. These libraries allow to recognize 20 points distributed around the hand, through the tracking of these points a score was assign for the movements using the Job Strain Index (JSI) method. For the statistical validation of the Smart Workstation, an experimental design is developed, through a two-level unifactorial experiment: Level 1. The completion of the assembly with the help of initial instructions without the suggested ergonomics for the operator in real-time with the rotation of their wrist. Level 2. The completion of the assembly with initial instructions, with the ergonomic suggestions for the operator provided in real time and the rotation of their wrist, per indications from the image-recognition program previously designed. This experiment seeks to validate the possible effect observed in the 2 case study of the simulation of cell phone assembly by implementing the developed system which provides real-time monitoring of ergonomics for the operator’s activities. Afterwards, to verify the results in the present study, indicators that measured the productivity and physical and cognitive ergonomics of the operator were established: JSI score, throughput, time cycle, and rate of rejection or error. The JSI score demonstrated that there was a significant decrease in phase 2 of 59.65%, which implies that in conjunction with the proof of one significant event in the experiment, the application, and its visualization of real time monitoring of the operator are promising. The throughput demonstrates an increase in productivity, considering that 80% of the people who participated in the test completed more units in level 2, where the proof-of-concept of the smart workstation was implemented. For the average cycle time, it was found that 83% of the operators in the trials decreased the time required to complete an assembly with an average of 0.08 seconds, showing improvements in the rate of productivity. Finally, for the rate of rejection or error, a decrease in the average amount of errors of 19% between the first phase of the experiment and the second phase was found, representing that at a productive level, the provision of real-time feedback for the operators does have a positive significant effect on the efficiency of their work.Ingeniero (a) IndustrialPregrad