İnsan ve robot işbirliği olan üretim sistemlerinde ergonomi ve optimizasyon yaklaşımları
The optimization and ergonomics approaches for the manufacturing systems with human robot collaboration
Yazar: BÜŞRA NUR YETKİN
Danışman: PROF. DR. BERNA ULUTAŞ
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnsan ve Makine Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering
Dizin: İstatistiksel deney tasarımı = Statistical experimental design

Özet:
İnsan-Robot İşbirliği, insanlar için ergonomik ve güvenli çalışma koşulları sağlayarak üretim iş istasyonlarını güçlendirir. Başarılı bir insan-robot işbirliği tasarlamak için operasyonel ve ergonomi hususları dikkate alınmalıdır. Bu çalışmada, bir üretim ortamında insan-robot işbirliği uygulaması önerilmiştir ve çalışanların performansına ilişkin fiziksel ergonomik riskleri ve üretim verimliliğini etkileyebilecek faktörleri belirlemek için yeni bir metodoloji geliştirilmiştir. Önerilen yaklaşım Dijital İnsan Modellemesi (DİM) ve Faktöriyel Deney Tasarımı araçlarını bütünleştirerek simülasyon tabanlı optimizasyon literatürüne katkı sağlamıştır. Bu çalışmada, JACK yazılımında bir dişli pompa montaj istasyonu, işbirlikçi robotlar (cobot) kullanılarak  tasarlanmış ve bir mesai günü boyunca çalıştırılarak yazılımdaki mevcut çıktılar alınmıştır. DİM ile üretim ortamı oluşturulurken tasarımcı tarafından karar verilen ve kontrol edilebilir aynı zamanda fiziksel ergonomik riskleri etkileyebileceği düşünülen bir dizi tasarım parametresi (girdi faktörleri), cobotların sayısı, görev karmaşıklığı, insanın antropometrik özellikleri (boy ve kilo) ve ürün özellikleri (ağırlık ve boyutlar) olarak tanımlanmıştır. Her faktörün yüksek ve düşük olmak üzere iki düzeyi vardır. İlk aşamada eleme amaçlı sonrasında tüm etkileşimleri yüksek çözünürlükte inceleyebilmek amacıyla kesirli ve tam faktöriyel tasarımlar uygulanmış ve faktör seviyelerinin farklı konfigürasyonları için 64 farklı deney modellenmiştir. Birikimli sıkışma, L4/L5 omur eksenlerinde birikimli bel moment maruziyeti, enerji tüketimi ve çevrim süresi olarak tanımlanan beş farklı performans ölçümü için istenirlik fonksiyonu kullanılarak çok amaçlı optimizasyon uygulanmıştır. Girdi faktörlerinin yanıtlar üzerindeki etkileri tartışılmış ve kâr/maliyet analizleri dahil edilerek analiz edilmiştir. Son olarak en riskli ve öncelikli etkilere odaklanan sadeleştirilmiş bir model önerilmiştir. Birikimli bel momenti ve çevrim süresini en iyileyen faktör seviyeleri; düşük kilo, parça ağırlığının az olduğu ve cobot sayısının ise 2 adet olduğu durumda bulunmuştur. Geliştirilen metodoloji, DİM ve deney tasarımı gibi istatistiksel yaklaşımları birleştirmenin uygulanabilirliğini ve avantajlarını göstermiştir.

Abstract:
Human-Robot Collaboration empower manufacturing workstations by enabling ergonomic and safe working conditions for humans. To design successful human-robot collaboration, operational and ergonomics aspects must be considered. In this study, a new methodology is developed to identify factors that can  impact physical workload of workers' performance in a human-robot collaboration environment. The proposed approach contributes to the simulation-based optimization literature by integrating Digital Human Modeling and Factorial Experiments tools. In this study, a workstation design including cobots is simulated in JACK software. A set of controllable design parameters (input factors) that may influence the physical ergonomic risks are defined as number of cobots, task complexity, human's anthropometric characteristics (height and weight) and product features (weight and dimensions). Each factor has two levels as high and low. Fractional and full factorial designs were applied for elimination purposes and then to examine all interactions at high resolution, and 64 different experiments were modelled for different configurations of factor levels. Multi-objective optimization technique applied for five different performance measures that are characterized as cumulative compression, cumulative low back moment exposure on L4/L5, energy expenditure and cycle time. Main and interaction effects of input factors on performance measures are discussed and profit/cost analysis included. Lastly, a simplified model focusing on the highest impacts and risks is proposed. Factor levels that optimizes the cumulative low back moment and cycle time simultaneously was found when the weight is low, the part weight is low and the number of cobots is two. The proposed methodology shows the applicability and advantages of combining digital human modelling tools, and statistical design approaches.