Come migliorare l’ergonomia cognitiva nei sistemi di assemblaggio collaborativi

Lo sviluppo e la validazione sperimentale di linee guida progettuali per migliorare l’ergonomia cognitiva nei sistemi di assemblaggio collaborativi: è questo, in estrema sintesi, il tema portante di questo articolo.

Il lavoro di ricerca che vi presentiamo ha l’obiettivo di sviluppare e validare delle linee guida progettuali per il miglioramento degli aspetti cognitivi nei sistemi di assemblaggio collaborativi.

Come migliorare l’ergonomia cognitiva nei sistemi di assemblaggio collaborativi

Lo scopo è quello di supportare progettisti e manager (che solitamente hanno competenze in robotica e sistemi di produzione, ma non in fattori umani/ergonomia) nella corretta implementazioni di applicazioni collaborative di tipo antropocentriche, in considerazione dei principali requisiti cognitivi.

Trattandosi di uno studio interdisciplinare che unisce nozioni di robotica, ingegneria industriale e psicologia occupazionale, questo è stato condotto dal team di ricerca del laboratorio “Smart Mini Factory” della Libera Università di Bozen-Bolzano in collaborazione con il gruppo “Human Factors, Risk and Safety Research Unit” dell’Università di Bologna.

La ricerca e lo sviluppo del caso studio

La ricerca descritta di seguito è stata articolata nelle seguenti fasi:

• (i) analisi sistematica dello stato dell’arte e della letteratura scientifica,
• (ii) elaborazione e classificazione delle linee guida sulla base dei risultati dell’analisi,
• (iii) sviluppo della procedura di test e di un caso studio rappresentativo,
• (iv) esecuzione dell’esperimento e acquisizione qualitativa e quantitativa dei dati sperimentali,
• (v) analisi e interpretazione dei risultati preliminari.

In particolare, l’analisi approfondita dello stato dell’arte e della letteratura scientifica internazionale è stata necessaria al fine di identificare i principali risultati ottenuti dai diversi gruppi di ricerca attivi sulla tematica.

In considerazione delle principali variabili cognitive utilizzate nei contesti di interazione uomo-macchina (fiducia, usabilità, frustrazione, soddisfazione, accettazione, stress e carico cognitivo), i risultati identificati in letteratura sono stati elaborati secondo un approccio sistemico tenendo conto del layout e degli elementi della postazione di lavoro, delle caratteristiche e delle prestazioni del sistema robotizzato, delle misure organizzative.

Le linee guida

Le linee guida sono quindi state sviluppate a partire da tali contenuti e classificate in modo da essere il più generico e applicabile possibile. È stata inoltre ideata una specifica procedura di test per poter valutare l’efficacia di tali linee guida da un punto di vista cognitivo.

La validazione si è quindi basata su di un caso studio sperimentale strutturato in tre diversi scenari (detti Scenario 1, 2 e 3). L’ipotesi principale da testare è che fosse possibile migliorare l’esperienza degli operatori manipolando le caratteristiche del sistema collaborativo e le modalità di interazione (definite applicando le linee guida) simulate attraverso i tre scenari.

In totale, 14 partecipanti senza precedenti esperienze in robotica e con almeno una minima esperienza in attività manuali hanno interagito con un robot per l’assemblaggio collaborativo di una versione semplificata di un cilindro pneumatico in un ambiente semi-realistico.

Tale semplificazione è stata necessaria al fine ridurne la complessità, la curva di apprendimento e il tempo di assemblaggio pur mantenendo le caratteristiche tipiche di un prodotto industriale.

La procedura di test e l’analisi dei risutati

In primo luogo, l’operatore è stato istruito in una postazione di formazione dedicata (senza robot) per prevenire e ridurre possibili errori legati alla conoscenza limitata del prodotto e del processo senza anticipare l’esperienza della collaborazione.

Successivamente, è stato chiesto ai partecipanti di spostarsi presso il set-up sperimentale e di interagire con un robot industriale collaborativo di ridotte dimensioni al fine di completare l’assemblaggio del ciclindro pneumatico.

Questo processo è stato ripetuto tre volte, una per ogni scenario.

I tre scenari

I tre scenari sono stati progettati per includere un numero crescente di linee guida, ovvero per aumentare le presunte condizioni favorevoli all’interazione uomo-robot in termini di caratteristiche della stazione collaborativa e del sistema robotizzato, oltre che delle modalità di interazione e controllo.

Ogni partecipante ha iniziato con lo Scenario 1 e ha concluso con lo Scenario 3 in modo non randomizzato.

Il primo scenario è stato sviluppato con l’intenzione di simulare un tipico sistema di assemblaggio collaborativo moderno, ovvero progettato considerando prioritariamente gli aspetti tecnico-economici a discapito di quelli psicosociali.

Di conseguenza, nessuna misura suggerita dalle linee guida è stata implementata in tale scenario. Si è quindi ipotizzato che il primo scenario sarebbe stato il peggiore in termini di risposta cognitiva, mentre gli scenari 2 e 3 avrebbero dovuto essere gradualmente migliori in quanto maggiormente focalizzati sull’operatore.

Acquisizione dei dati

I dati sperimentali sono stati acquisiti per mezzo di approcci qualitativi e quantitativi. In particolare, questi sono stati rilevati per mezzo di:

• –un questionario (composto da scale multiple volte a valutare le risposte cognitive dei partecipanti e ripetuto dopo il completamento di ogni scenario),
• –un’analisi con “eye tracker” (le attività dei partecipanti sono state monitorate per mezzo di un sistema di tracciamento dello sguardo capace di identificare i luoghi di attenzione dell’operatore),
• –un’analisi video (tutti gli esperimenti sono stati video-registrati al fine di valutare il numero di errori, i quasi-errori e le richieste di chiarimento da parte dei partecipanti),
• –osservazioni dirette (durante l’esecuzione dell’esperimento, i ricercatori hanno osservato i comportamenti dei partecipanti al fine di raccogliere quante più informazioni possibili annotando particolari eventi o situazioni),
• –interviste semi-strutturate (al termine dell’esperimento, i ricercatori hanno posto delle domande aperte ai partecipanti con lo scopo di raccogliere ulteriori feedback sulle loro percezioni e preferenze).

Esperienza cognitiva migliorata

I risultati hanno confermato preliminarmente che i partecipanti hanno migliorato la loro esperienza cognitiva al variare dei tre scenari, ovvero applicando gradualmente le linee guida per includere un numero crescente di caratteristiche favorevoli all’interazione.

Secondo l’analisi dei dati quantitativi e qualitativi, il miglioramento più considerevole deriva dalla transizione tra lo Scenario 1 e lo Scenario 2.

Come previsto, i risultati migliori in assoluto sono stati ottenuti nello Scenario 3, ovvero quello con il maggior numero di linee guida implementate (e quindi il più antropocentrico da un punto di vista dell’interazione uomo-robot).

Visti i risultati positivi, i due gruppi di ricerca stanno collaborando attivamente sullo studio della tematica al fine di migliorare ed estendere le linee guida proposte.

Per chi desidera approfondire il tema, qui vi abbiamo parlato dei principi di base dell’ergonomia cognitiva.

(a cura di Luca Gualtieri)