REALIZACE A VALIDACE VIRTUÁLNÍCH NÁVODEK SVOČ FST Bc. Štěpán Anděl, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň, Česká republika

Transkript

1 REALIZACE A VALIDACE VIRTUÁLNÍCH NÁVODEK SVOČ FST 2018 Bc. Štěpán Anděl, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň, Česká republika ABSTRAKT Práce se zabývá využíváním virtuální a rozšířené reality k montážním pracím v průmyslových podnicích. Autor se v průběhu práce seznámil s problematikou a využitím virtuálních montážních návodek v podnicích. Získané informace z různých řešení pak byly použity k vytvoření vlastní návodky s použitím virtuální reality k ukázkám animací a rozšířené reality použité k osvětlování pozic dílů. Bylo připraveno montážní pracoviště, na kterém se provádělo testovací měření kompletace dílů. Cílem práce je naměřit časové údaje montáže dřezového sifonu podle vytvořené virtuální návodky a získané údaje pak porovnat s již naměřenými hodnotami montáže stejné součástky podle papírové návodky a virtuální návodky bez osvětlení pozic. Z těchto variant bude vybrána jedna, která bude dosahovat nejlepších časů kompletace. KLÍČOVÁ SLOVA Montážní návodka, virtuální realita, rozšířená realita ÚVOD Vezmeme-li v úvahu požadavky dnešních trhů i požadavky samotného zákazníka, je trendem většiny firem v dnešním světě vyrábět výrobky nejen kvalitně, ale především tak, aby ekologicky nezatěžovaly přírodu a jejich výroba byla ekonomicky výhodná, flexibilní a časově nenáročná. Často se v dnešní době používá a myslím, že v budoucnu to bude ještě častěji, k dosažení těchto cílů, virtuální a rozšířená realita. Tyto technologie se používají převážně ve firmách s širokým spektrem výroby, nebo produkty s vyšší technickou a konstrukční náročností na výrobu. Všechny moderní a prosperující společnosti využívají nové technologie, kterými se snaží dosáhnout nejlepších výsledků a co nejvíce zjednodušit zaměstnancům práci. Mezi tyto technologie virtuální a rozšířená realita rozhodně patří. Díky nové technologii nemusí být odbornost a kvalifikovanost lidí na vysoké technické úrovni. Dělník pracující ve výrobě zvládne odezíráním z monitoru sledovat výrobní postup a současně výrobek bezproblémově vyrobit. Montáž, či výroba podle virtuální a rozšířené reality není pouhé předtočené video, ale živý přenos informací pro jednotlivého zaměstnance, který je přímo řízen jeho úkony. Jedním z druhů využití virtuální a rozšířené reality je například interaktivní montážní návodka. Virtuální montážní návodka s prvky rozšířené reality je schopna výrazně snížit zmetkovitost výrobků, protože dokáže lépe upozornit na časté chyby, které se při dané výrobě vyskytují. Technologie je postavena na zrakovém a sluchovém vnímání člověka, proto je pro pracovníka naprosto přirozenou a jednoduchou cestou k osvojování si informací a pracovních postupů. Užití rozšířené reality v pracovní návodce, například osvětlováním pozic potřebných dílů, může výrazně ještě více zkrátit dobu potřebnou pro montáž výrobku. Studentka Lucie Fejfarová svou předešlou prací porovnávala montáž podle klasické papírové návodky a podle virtuální návodky. Návodka byla vytvořena pro montáž dřezového sifonu A441P od firmy Alca plast, s. r. o. V práci je poukázáno na fakt, že pracovníci často nemohli najít potřebné díly, či je hledání dílů pod různými číselnými označeními časově brzdilo. Proto cílem této práce bylo vytvořit novou montážní návodku pro dřezový sifon A441P, která by tyto nedostatky odstraňovala a ještě více urychlovala montáž daného výrobku. Byla proto vytvořena nová virtuální montážní návodka, která kromě vylepšení ve formě obrázků potřebných dílů a lepších animací, obsahuje navíc i barevné osvětlování pozic pro potřebné díly. Při tvorbě návodky muselo být zároveň upraveno montážní pracoviště, které se nachází na půdě Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Nad pracoviště byl přimontován projektor, který osvětluje pozice krabic s díly pod ním. Z důvodu, aby nedocházelo k rušení osvětlení od zapojené zářivky, byla zářivka otočena, čím pracovníkovi zůstalo částečné osvětlení pro práci a zároveň snížilo rušení osvětlení projektoru.

2 Hotová montážní návodka prošla testováním na skupině studentů, při které byly zaznamenávány časy montáže. Získaná data byla vyhodnocena mezi sebou a porovnána s daty Fejfarové. Závěrem bylo stanoveno, zda došlo k zlepšení a snížení časů montáže a zda je rozšířená realita vhodná pro užití v montážních návodkách. Obrázek 1: Dřezový sifon A441P Obrázek 2: Upravené montážní pracoviště pro testovací účely TVORBA VIRTUÁLNÍ NÁVODKY Virtuální návodka pro montáž dřezového sifonu A441P byla tvořena v softwaru Unity 3D a v něm vytvořeném prostředí pro tvorbu montážních návodek. Prostředí umožňuje jednoduché vytváření animací, řazených v postupných krocích podle časové návaznosti. Návodka byla rozdělena do jedenácti kroků, které uživatele navádějí, co má při montáži dělat. Každý krok obsahuje: animaci montáže, jež se opakuje stále dokola, dokud se uživatel nepřesune na další krok; obrázky potřebných dílů s jejich označením umístěných ve virtuální návodce; osvětlení pozic krabiček s potřebnými díly a případné další textové sdělení ve spodní části virtuální návodky. Návodka byla v softwaru Unity 3D řešena pomocí dvou hracích scén. Jedna hrací scéna, po zapnutí aplikace, zobrazovala na monitoru vedle pracoviště animace a další potřebné informace a druhá scéna osvětlovala pozice dílů projektorem. Návodka byla původně ovládána systémem tlačítek umístěných trvale na hlavní scéně virtuální návodky. Ovládacím tlačítkům byly přiřazeny ve společnosti běžně používané symboly, jejichž funkce lidé znají z jiných aplikací či přístrojů. Byla zde tlačítka pro spuštění a ukončení aplikace, pro zrychlení, zpomalení a zastavení aplikace a pro spuštění dalšího či předešlého kroku. Tlačítka se ovládala přesunutím kurzoru myši na tlačítko a kliknutím. Při testování montáže studentů se ukázal tento způsob ovládání jako zpomalující, proto byl vytvořen dvoutlačítkový ovladač, který je možné připojit k počítači přes USB kabel. Ovladač v počítači zastává funkce tlačítek pro krok vpřed a krok vzad. Dělník při montáži již nemusí hledat kurzor myši, aby si mohl přehrát další krok, ale pouze zmáčkne tlačítko a montážní návodka mu ukáže další animaci s požadovaným osvětlením. Pro nový způsob ovládání návodky byla provedena také časová měření, která byla porovnána s již naměřenými údaji.

3 Obrázek 3: Animační část montážní návodky Obrázek 4: Osvětlení potřebných dílů pro montáž Obrázek 5: Ovladač k montážní návodce TESTOVÁNÍ Před zahájením měření montáže dřezového sifonu studenty, byla nejprve virtuální návodka otestována pracovníkem katedry Ing. Jiřím Polcarem. Došlo tak k ověření, že podle návodky lze bezproblémově sestavit dřezový sifon a všechny osvětlované pozice jsou v daném kroku správně umístěny. Díky tomuto prvotnímu testu virtuální návodky se mohlo přejít k samotnému měření montáže sifonu studenty. Vytvořená návodka pro montáž dřezového sifonu A441P byla testována na skupině patnácti osob, aby výsledky mohly být považovány za dostatečně relevantní. Skupinou testovaných osob byli studenti, ve věkovém rozmezí 20 až 25 let ze strojní a ekonomické fakulty Západočeské univerzity v Plzni. Přesněji se jednalo o studenty, kteří mají zapsaný předmět Průmyslové inženýrství. V rámci jeho náplně se zúčastnili testování virtuální návodky. Testování probíhalo v Laboratoři ergonomie a rozšířené reality označené fakultou jako UK 310. Zde uživatelé skládali na připraveném pracovišti daný sifon podle montážní návodky zobrazované na monitoru u pracoviště a podle rozsvěcení pozic potřebných dílů od projektoru. Před započetím montáže studenti vyplnili jednoduchý formulář, jenž obsahoval informace o jejich věku, pohlaví, fakultě, výšce a manuální zručnosti. Po vyplnění svých informací byli studenti poučeni o obsluze návodky a to: jak se spouští, přepíná i vrací daný krok, a jak se návodka vypíná po jejím dokončení. Studenti byli také informováni o předem definovaných stejných podmínkách, při kterých měli dřezový sifon sestavovat. Montáž u všech studentů probíhala ve stoje, za umělého osvětlení od zářivky nad pracovištěm. Z důvodu zjištění náběhového cyklu (uživatel již ví, kam sáhnout a co s danými součástkami má dělat, že není závislý na návodce), byla montáž opakována ve více pokusech. Jako optimální množství pokusů bylo před zahájením testování stanoveno číslo šest. Toto číslo se zdá být dostačující pro ustálení časů potřebných k montáži dřezového sifonu.

4 NAMĚŘENÉ HODNOTY Časové měření probíhalo ve dvou dnech v měsíci dubnu. Byly při něm získány časy montáže od patnácti studentů, kterým byly postupně měřeny časové úseky kompletace v jednotlivých krocích. V Tabulce 1 jsou vidět naměřené hodnoty jednoho z patnácti dobrovolníků. Na Grafu 1 jen znázorněn průběh montáže, ze kterého je patrné, že se dobrovolník při každém dalším postupu stále zlepšoval. Zlepšování je připisováno učení se pracovníka správné montáži z návodky a pamatováním si pozic potřebných dílů. 1. pokus 2. pokus 3. pokus 4. pokus 5. pokus 6. pokus naskenování kódu návodky + 3s 00:03 00:03 00:03 00:03 00:03 00:03 1_zašroubovaní S354 k S353 00:18 00:16 00:13 00:13 00:11 00:11 2_vložení těsnění a víka ke S353 00:28 00:18 00:16 00:14 00:20 00:16 3_složení pilety S305 00:37 00:18 00:26 00:13 00:13 00:11 4_dotažení pilety šroubem 00:15 00:13 00:15 00:12 00:11 00:08 5_vložení klapky P050 00:33 00:15 00:12 00:10 00:09 00:07 6_kompletace přípojky S048 00:35 00:35 00:12 00:11 00:08 00:10 7_přišroubování přípojky k S363 00:23 00:16 00:18 00:11 00:07 00:08 8_přimontování pilety S305 01:20 00:16 00:15 00:10 00:16 00:11 9_vložení zátky a těsnění 00:39 00:18 00:20 00:18 00:16 00:14 10_ přišroubování S353 00:25 00:16 00:13 00:11 00:12 00:09 11_hotový výrobek 00:05 00:01 00:01 00:01 00:01 00:01 Součet 05:41 03:05 02:44 02:07 02:07 01:49 Tabulka 1: Ukázka naměřených hodnot u jednoho z dobrovolníků Graf 1: Průběh montáže v jednotlivých krocích Ne u všech dobrovolníků ale došlo každým pokusem k zlepšení času. Vlivem špatně vloženého dílu, nervozity, upadnutím součásti nebo zapomenutím na potřebný díl se některým studentům měřené časy zhoršily. Všechny montážní časy testovaných studentů byly přehledně zaneseny do tabulky a k jednotlivým pokusům byly vypočítány průměrné časy montáže (viz Tabulka 2). S rostoucím množstvím pokusů dochází k postupnému snižování měřeného času montáže. Po pátém pokusu už je patrné malé snížení průměrného času o pouhé 4 sekundy. Lze tedy tvrdit, že pátým pokusem nastává ustálení času potřebného pro montáž. 1. pokus 2. pokus 3. pokus 4. pokus 5. pokus 6. pokus Průměrné časy montáže 05:16 03:45 03:05 02:51 02:31 02:27 Tabulka 2: Průměrné časy montáže sifonu v jednotlivých pokus Z naměřených hodnot je patrné, že vliv na montáž dřezového sifonu mělo i to, zda je daný dobrovolník muž nebo žena. Jak si můžete všimnout na Grafu 2, ženy u prvních pokusu měly výrazně vyšší průměrný čas k montáži než je průměrný čas všech patnácti měřených dobrovolníků. Druhý a třetí pokus byly přibližně totožné, s průměrnými časy všech dobrovolníků. Poslední tři pokusy byly zase naopak u žen rychlejší než průměr všech. Ze získaných hodnot lze tedy usuzovat, že ženám nejvíce dělala problém první montáž, při které se s prací seznamovaly a učily se, co k sobě patří. Poté se svými časy vyrovnaly naměřeným časům mužů a při posledních pokusech montáže už věci dělaly zcela automaticky a rychle než muži.

5 Graf 2: Srovnání časů potřebných pro montáž u žen Muži naopak, jak je vidět v Grafu 3, měli při prvním pokusu mnohem rychlejší průměrný čas než ženy. Toto zjištění může být způsobeno například tím, že muži častěji kompletují věci, tudíž už ví: co jak funguje, co k sobě patří a jak se zachází s elektrickým šroubovákem. U dalších pokusů, kdy už muži i ženy věděli, co dělat, došlo k vyrovnání jejich časů. Poslední tři pokusy kompletace sifonu byli muži řádově 10 až 20 sekund pomalejší než ženy. Graf 3: Srovnání časů potřebných pro montáž u mužů Výše popsané rozdílné časy u mužů a žen vedly k sestavení Grafu 4, ve kterém byly porovnány časy montáže nejrychlejšího muže a nejrychlejší ženy. Z grafu je patrné, že u prvního pokusu je největší rozdíl mezi ženou a mužem, který činí 1 minutu a 31 sekund. Poté se již časy mezi mužem a ženou vyrovnaly a jejich rozdíly byly v řádu sekund. Při čtvrtém pokusu oba dobrovolníci dosáhli stejného času a při jejich posledním pokusu byl muž rychlejší pouze o zanedbatelných 5 sekund. Graf 4: Grafické srovnání časů nejrychlejšího muže a ženy

6 SROVNÁNÍ VŠECH NÁVODEK Pro malé a střední podniky, které nemají takové finanční možnosti k zakoupení potřebných softwarů pro tvorbu virtuálních návodek a k pořízení potřebných zařízení pro zobrazení návodky, jsou jistě výhodnější klasické papírové manuály. Jejich tvorba a následné zavedení do montážní výroby jsou z hlediska vložených financí nízké. Nesmyslné je také použití virtuální návodky pro kusovou výrobu. Pro kompletaci součástí a dílů, které se vyrábějí v malém množství a jednou za delší časový úsek, je opět finančně výhodná papírová návodka. Ovšem pro podniky s vysokým kapitálem a sériovou výrobou jsou virtuální návodky příslibem do budoucnosti. Příkladem takových podniků jsou hlavně automobilky. Ty mají dostatek finančních prostředků pro užití nových technologií. Zároveň je tu požadavek snižovat časy výroby všech komponent, aby byl ve výsledku automobil vyroben za co nejkratší dobu. Z tohoto důvodu mnoho světových automobilek začíná od papírových návodek ustupovat a vytvářejí vlastní virtuální návodky. Nejedná se ale o vytváření pouze virtuálních návodek na bázi virtuální reality. Mnoho podniků si dnes hraje s myšlenkou použít ve virtuálních návodkách rozšířenou realitu. Proto podniky ve svém výzkumu vytvářejí chytré brýle, na podobném principu jako Google glass a HoloLens. Virtuální návodka s osvětlením pozic pro potřebné díly dosáhla skutečně nejrychlejších montážních časů, viz Tabulka 3. Zajímavým zjištěním bylo, že prvotní montáž podle této návodky byla přibližně dvakrát rychlejší než montáže podle papírové návodky. S narůstajícími pokusy se již rozdíl mezi těmito dvěma návodka snižoval, až ve čtvrtém pokusu činil pouze 53 sekund. Osvětlením pozic potřebných dílů ve virtuální návodce skutečně došlo ke snížení prvotních pokusů montáže a to přibližně o 1 minutu a 30 sekund. Poté se začaly časy vyrovnávat. Pracovník si již z předchozích pokusů pamatoval, kde potřebný díl leží. Příjemným zjištěním byla i montáž pomocí video návodu, který by mohl být výrazně levnější variantou oproti virtuální návodce. Časy se lišily přibližně o 30 sekund, což je malý rozdíl z hlediska tvorby obou návodek a finančním nákladům na vytvoření. 1. pokus 2. pokus 3. pokus 4. pokus 5. pokus 6. pokus Papírová návodka 11:18 05:39 04:43 03: Virtuální návodka bez osvětlení 06:44 04:31 03:39 02: Video návodka 05:46 03:54 03:17 02:57 02:52 02:44 Virtuální návodka s osvětlením pozic 05:16 03:45 03:05 02:51 02:31 02:27 Tabulka 3: Srovnání průměrných časů montáže podle různých druhů návodek ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Rozhodnutí, zda se zavedení virtuální návodky do výroby vyplatí či nikoliv, je na každém podniku. Firma musí zvážit, zda počáteční investice do vybavení pracovišť, potřebného softwaru a zaškolení programátora ji ve výsledku přinese takové zlepšení, které by se jí vyplatilo. Pak je tu ještě možnost zavedení video návodu, který potřebuje k vytvoření pouze kameru, kterou podniky v dnešní době disponují. Z dosažených výsledků je patrné, že virtuální návodka a video návodka přispívají k výraznému zrychlení montáže především v prvotní fázi. Jejich výhodami je zajisté i to, že montáž z nich pochopí i cizinec a méně chápavý pracovník. V současné době, kdy je nízká nezaměstnanost a firmy přijímají do výroby i cizince, se užití virtuálních návodek jeví jako výhodné řešení pro rychlé zaškolení pracovníka. Věřím, že v brzké době řada středních a velkých podniků půjde právě touto cestou moderních digitálních manuálů oproti zastaralým papírovým.