Quantifying Operability of Working Machines

IN WORKING MACHINES the human operator is essential for the performance of the total system. Productivity and energy efficiency are both dependent not only on inherent machine properties and working place conditions, but also on how the operator manoeuvres the machine. In order to operate energy-efficient the operator has to experience the machine as harmonic. This is important to consider during the development of such working machines. It is necessary to quantify operability and to include this interaction between the human operator and the machine in both the later stages of a development project (where physical prototypes are evaluated by professional test operators) as well as in the earlier stages like concept design (where only virtual prototypes are available). The influence of the human operator is an aspect that is traditionally neglected in dynamic simulations conducted in concept design, because the modelling needs to be extended beyond the technical system. In the research presented in this thesis we show two approaches to rule-based simulation models of a wheel loader operator. Both operator models interact with the machine model just as a human operator does with the actual machine. It is demonstrated that both operator models are able to adapt to basic variations in workplace setup and machine capability. A “human element” can thus be introduced into dynamic simulations of working machines, providing more relevant answers with respect to operator-influenced complete-machine properties such as productivity and energy efficiency. While the influence of the human operator is traditionally ignored when evaluating machine properties in the early stages of the product development process, later stages are very reliant on professional test operators using physical prototypes. The presented research demonstrates how the traditional subjective evaluation of a machine’s operability can be complemented by a calculated measure for the operator’s control effort, derived from the recorded control commands of the machine operator. This control effort measure can also be calculated from the control commands of an operator model in a simulation, such as those presented in this thesis. It thus also allows for an assessment of operability already in the concept design phase. In addition, the results of a study of quantifying operator workload by means of measuring psychophysiological data such as heart rate variability and respiration rate are presented as the first step towards realising workload-adaptive operator assistance functions. Once fully developed, the method itself can also be used as another complement to the traditional subjective evaluations of operability. This approach can then be applied not only in testing of physical prototypes, but also earlier in the product development process in studies on human-in-the-loop simulators. Sammanfattning ”Harmoniska arbetsmaskiner” I ARBETSMASKINER spelar föraren en avgörande roll för maskinens prestanda. Såväl produktivitet som energieffektivitet beror inte enbart av maskinens egenskaper och arbetsomgivningen, utan beror också av sättet på vilket föraren manövrerar maskinen. För att främja ett bränslesnålt körsätt ska maskinerna upplevas som harmoniska och det är viktigt att beakta detta vid utvecklingen. Det är nödvändigt att kvantifiera maskinharmonin och att ta hänsyn till interaktionen mellan föraren och maskinen i alla steg av ett utvecklingsprojekt. Detta gäller såväl sena faser, när fysiska prototyper redan har tagits fram och utvärderas av professionella provförare, såväl som tidiga faser som konceptutveckling, när endast virtuella prototyper finns tillgängliga. Förarens inflytande beaktas traditionellt inte i prestandasimuleringar i konceptfasen, eftersom detta innebär att mer än enbart det tekniska systemet måste modelleras. I den forskningen som presenteras här visas två olika regelbaserade modeller av hjullastarförare. Båda förarmodellerna använder maskinmodellen på samma sätt som en verklig förare använder en verklig maskin. Det visas att båda förarmodellerna kan anpassa sig till förändringar både i arbetsomgivningen och i maskinens egenskaper. I och med detta kan man utöka dynamiska simuleringar av arbetsmaskiner med ”ett mänskligt element”. Detta ger bättre resultat vad gäller produktivitet, energieffektivitet och liknande egenskaper som föraren påverkar i kompletta maskiner. Medan man i tidiga faser av produktutvecklingsprocessen traditionellt bortser från förarens inflytande, så är man i senare faser mycket beroende av att professionella provförare testar fysiska prototyper. Den här presenterade forskningen visar hur den traditionella subjektiva förarbedömningen av en maskins körbarhet kan kompletteras med ett mått på förarens ”spakarbete”, som beräknas utifrån en mätning på hur föraren använder sina kontroller för att styra maskinen. Detta mått på ”spakarbete” kan också beräknas utifrån de spaksignaler som genereras av förarmodellerna i en simulering. I och med detta kan en maskins körbarhet undersökas redan under konceptutvecklingen. I avhandlingen redovisas också resultaten från en studie som gjorts i syfte att kvantifiera förarens arbetsbelastning genom att mäta psykofysiologiska mått som variationer i hjärtfrekvens och andningsfrekvens. Studien är ett första steg mot att förverkliga en vision av stödfunktioner i arbetsmaskiner vilka anpassar sig efter förarens momentana arbetsbelastning. En sådan metod att mäta förarens arbetsbelastning kan också användas som ett komplement till den traditionella subjektiva förarbedömningen av en maskins körbarhet. Metoden kan inte bara användas vid provning av fysiska prototyper utan också tidigare i produktutvecklingsprocessen vid studier i avancerade körsimulatorer.