A collaborative work-cell to improve worker ergonomics and productivity

Abstract

Presently, the occurrence of Work-related Musculoskeletal Disorders in modern manufacturing industries constitutes a major occupational health problem, resulting in absenteeism and decreased productivity. Collaborative manufacturing with human-robot interaction has been hypothesised to tackle these issues. This dissertation aims to determine how such collaborative manufacturing can, in fact, reduce these ergonomic concerns whilst improving productivity through the design, development, and implementation of a collaborative work-cell. In this context, a collaborative work-cell is defined as a bounded connected space where the human and a collaborative robot interact in a joint task. Contrary to traditional robotic applications, in a collaborative environment robots are not enclosed in safeguard cages, and as such there is not a clear temporospatial separation of the operator and machine domains. To test the hypothesis that collaborative assembly leads to a reduction of occupational health problems, different work-cell designs were investigated and simulated in a virtual environment. Once a design was selected, it was firstly simulated in more detail to allow for a prediction of its impact in terms of productivity and ergonomics. Secondly, a physical prototype was built in laboratory environment, which enabled the confirmation of the work-cell’s effects. Lastly, the prototype was deployed in factory floor making it possible to validate its significance. The complete machine was then certified, and was the first collaborative workcell with a collaborative robot installed at XYZ Industry PT. The results show a noteworthy reduction in the global risk score associated to the postures and actions of the workers and a substantial increase in production rates, compared to the previous traditional process. These results suggest that collaborative work-cells are capable of effectively reducing the physical demands of manufacturing tasks, while improving productivity. On this basis, the concept of collaborative work-cells should be taken into account when designing manufacturing workstations in factory floors.

Atualmente, a ocorrência de distúrbios musculoesqueléticos relacionados com o trabalho realizado em industrias de manufatura modernas constitui um dos principais problemas de saúde ocupacional, resultando no absentismo e decréscimo de produtividade. A manufatura colaborativa com interação humano-robô tem vindo a ser teorizada como uma forma de resolver este problema. O objetivo desta dissertação é determinar de que forma estas células de trabalho colaborativas conseguem reduzir estas preocupações ergonómicas e ao mesmo tempo aumentar a produtividade através do desenho, desenvolvimento, e implementação de uma célula de trabalho colaborativa. Contrariamente ás aplicações tradicionais de robótica, num ambiente colaborativo os robôs não estão contidos em jaulas, não existindo uma separação temporo-espacial clara dos domínios do operador e da máquina. Para testar a hipótese que a montagem colaborativa conduz a uma redução dos problemas de saúde ocupacionais, diferentes conceitos de células foram investigados e simulados num ambiente virtual. Uma vez escolhido um conceito, em primeiro lugar foi realizada uma simulação com mais detalhe para prever o seu impacto em termos de produtividade e ergonomia. Em segundo lugar, um prototipo físico foi construído em ambiente laboratorial, que possibilitou a confirmação dos efeitos da célula. Por fim, o protótipo foi implantado em espaço de fábrica sendo então possível a sua validação. A célula de trabalho foi certificada e é a primeira célula colaborativa com um robô colaborativo instalada na empresa XYZ. Os resultados demonstram uma redução notória no risco global das posturas dos trabalhadores e um aumento substancial na produção quando comparado com o processo de montagem tradicional. Estes resultados sugerem que células de trabalho colaborativas são capazes efetivamente de reduzir as exigências das tarefas de manufactura, e simultaneamente aumentar a produtividade. Tendo isto por base, o conceito de células de trabalho colaborativas deve ser considerado aquando da conceção de novas células de manufactura em chão de fábrica.