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KINETIC:运算模组强化穿戴式装置,帮助你避免抬举重物造

2020-06-07


KINETIC:运算模组强化穿戴式装置,帮助你避免抬举重物造

要举起重物,最好藉助双腿的力量。但若能利用别人的腿,那就更好不过了。无论是谁从事相关工作,抬举动作导致的背部伤害,已使美国企业在 2013 年损失了惊人的 700 亿美元 注 1 。 KINETIC 是纽约的一家新创公司,专营智慧型穿戴式装置;他们运用 Intel® Edison 运算模组研发一项装置,可望大幅减少这类代价昂贵的职业伤害。

具体而言, KINETIC 的感应器安装于腰挂式装置内,并搭配先进的演算法,可侦测员工搬运重物的姿势是否安全无虞。选配的手环具备振动功能,可针对危险的抬举动作即时示警。为了进一步训练员工注重安全以免遗憾,腰挂式装置将于下班时回收,其所蒐集的资料将上传至云端进行分析。分析后的统计数据将显示于以网页为基础的仪錶板,成为高度实用的资讯。相关资讯可用于训练员工,甚至有助于重新设计工作场所,提升安全保障。

这间成军仅一年半的小型新创公司,究竟如何迅速地设计、编码,并将一件工业用物联网产品推入市场呢?这是个精彩而激励人心的故事.

从头说起

由于担任护士的母亲长年搬负患者而饱受背痛之苦, KINETIC 共同创办人暨执行长 Haytham Elhawary 决心致力于减少职场伤害的发生。正如他所说:「将消费者长久以来享用的技术应用在工作场所,可望减少职业相关的伤害。」

Haytham 认为仓储员工是「工业运动员」,因此从运动用穿戴式装置汲取灵感,例如运动鞋装上 Nike* Plus 感应器即可侦测动作、方位、加速度和高度升降,藉以判定所进行的活动类型。

Haytham 表示:「任何穿戴式装置或物联网产品所配备的硬体组件,都需要製造与工程方面的专精技术,当然还有许多用来蒐集资料的感应器。相关技术不仅必须解读资料,也要滤除冗杂的部分,才会有精确实用的判读结果。接下来是面对顾客的部份,因此必须设计出色的仪錶板使用经验,让分析数据一目了然。」

为了达到此目标,Haytham 与共同创办人暨技术长 Aditya Bansal ─ 一位专精于消费型穿戴装置的电子工程师 ─ 找来了资料科学家、软体工程师和两位机械工程师,其中一位专精于产品製造。Haytham 有生物医学工程的博士学位,Aditya 则是电子与计算机工程博士。

加入 Intel® Edison 运算模组

要能从员工身上蒐集资料,并于行使危险抬举动作时立即给予回馈,意味此装置必须具备即时运算功能。

Haytham 表示:「在仓储或工业设施内,通常先蒐集资料,再上传云端并执行大量处理程序,最后将资讯回馈给员工。」

然而这项假设有个问题。仓储或工业设施未必设有 WiFi 连线。 KINETIC 团队的解决方案必须能在装置本体处理分析负重动作,并且最好在硬体上就能完成。 Haytham 表示:「Intel® Edison 运算模组是个很合理的选择。」「它小巧的套件却能发挥强大的处理效能,可直接透过本机即时回馈员工,无须仰赖 WiFi 连线。」

将双频 WiFi 、 Bluetooth* 4.0 支援、双核心 Atom 处理器、Intel® Quark 微型控制器整合至小巧的低功耗套件之后, Haytham 感到:「这项运算模组提供了优质而灵活的一般用途平台。」提升灵活度的效益何在?「我们目前专注在抬举动作造成的伤害,因为这是最大宗的员工索赔申请类型。我们希望能进一步侦测其他具有导致伤害风险的工作活动和行为类型。」

KINETIC 穿戴式装置藉助 Intel® Edison 运算模组与感应器直接连线并蒐集资料,再储存至本机的快闪记忆体。员工下班后,装置将透过模组 WiFi 将资料上传到云端。若解决方案加入其他随身感应器, Bluetooth 就派上用场。这类感应器将透过 Bluetooth 和运算模组相互传输。

剖析 KINETIC 装置

KINETIC 的工业用穿戴式系统包含两项装置:腰挂式感应器和分析中枢,以及一个选配的手环感应器兼显示器。两项穿戴式装置会共同作业,全面蒐集员工的相关指标。

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图 1:KINETIC 智慧型穿戴装置可藉时侦测潜在危险行为,藉以保护员工的背部。

腰挂式装置内建加速度计,能够以专属的演算法来测量加速度、角度和方位。 Haytham 表示:「我们的测量标的,就是员工搬运物体时,脊椎受力变化的数据。」

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图 2:KINETIC 的独立装置包含感应器和 Intel® Edison 运算模组两部份,可夹在员工的腰带上。
动作建模

Haytham 在生物力学方面扎实的专业背景,在开发演算法时扮演了关键角色,以利有效侦测员工动作,并判定是否安全无虞。

Haytham 表示:「我们必须检视大量文献, 20 年来,人们开发并发表了许多模组,其所描述的数据都是很好的风险指标,我们不断找寻效能最佳的数据。」

Haytham 的团队并非重複无谓的工作,而是将任务自动化。「以往,人体工程学家会亲临现场,在员工作业中途喊停,然后实地测量工人背部及膝盖的弯曲程度、箱子与下背部之间的距离等等。」

虽然这种手动方式十分符合研究目的,但于真实世界的即时状况中,已经不切实际。「这是我们第一次可以自动化上述检测程序,并且在风险过高时立即提出回馈。」

那幺该如何计算举起箱子时,是否与身体距离过远呢? Haytham 解释:「这就是选配手环派上用场的时刻,腰挂式装置可以侦测背部的移动状态,以及是否弯腰等等,单凭这项装置就可以满足许多需求。但如需更精密地侦测,例如箱子与下背部的距离,或者是否举过肩膀高度 ,此时就需要手环的功能。」

行为修正

他们将大量心力投注于示警回馈机制的研发。 Haytham 开着玩笑说:「经理很欣赏电击这个点子,但员工们就没那幺喜欢了。」「说真的,我们实现了类似于手机简讯的震动效果。我们的最终目标在于改变行为模式。」

另一项挑战则源自于生产效能的压力。「员工所受的训练是安全地进行特定工作,但他们往往捨弃所学,而採取最快的做法。」

KINETIC 希望能够提醒员工想起自己所受的训练。 KINETIC 团队去年夏天前往一间航运物流公司的仓库执行先导计画,并习得宝贵的经验。 Haytham 表示:「回馈功能大致上确实有效。为了要强化回馈机制,必须赋予员工参与计画的动机。」

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图 3:KINETIC 装置相当纤薄,可舒适地配戴在腰带上。

较年长的员工注重安全和健康,但年轻工人身强力壮,往往自认不会受伤。为了要鼓励全体员工, KINETIC 仿效了运动员常用的方式 ─ 比赛。「我们持续追蹤每位工人每天做出高风险抬举动作的数量,然后互相比较。最多次安全地做出高风险抬举动作的人会收到小奖品。」

KINETIC 还借用了消费型穿戴装置的另一种策略,使用排行榜来让工人看到自己今天的表现比昨天进步多少。「他们会聚在一起开始讨论彼此的表现。『我不相信你竟然赢得了我。』『我们要打败她。』如此一来,工作不再像是工作,而变得充满乐趣。」

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图 4:查看排行榜。

如此也有助于培养信赖关係。「当我们向工人们展示排行榜时,他们能看到每天的数据。也能理解到不需担心有什幺黑箱作业。」

资料处理

感应器负责蒐集资料,但也会蒐集到多余的杂讯。技术长 Aditya Bansal 告诉我们:「动作感应器会收到杂讯。我们用了许多传统的讯号处理演算法来将讯号清理乾净。Edison 的处理效能对此相当得心应手。」

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图 5:左图中所示的感应器杂讯,导致难以分辨出实际的动作。进行讯号处理之后,资料清晰地显示员工在弯腰之后进入了站姿 。

员工动作代表第二种杂讯。这种类型的杂讯会在员工吃午餐、挥手、或进行任何不是抬箱子的动作时出现。 Aditya 表示:「这就又回到了 Haytham 提过的资料感应器演算法的问题,还有要搞清楚工人实际上到底做出了什幺动作。我们得要消去所有无关搬运物体的其他动作。」

为了达成这个目的, KINETIC 团队用摄影机帮工人录影。 Aditya 表示:「我们把工人的动作资料图表和影片相比较,以便釐清他们实际在作的动作。」

连线到云端

轮班结束后,工人便将装置放到充电座上。同时所有的 KINETIC 装置会开始将资料传送到云端。採用 Amazon* Web ServicesAPI 来直接将资料安全地从装置传输到云端。

Amazon* Elastic MapReduce分析功能会即时处理从上百位工人身上蒐集得来的大量资料,储存到託管在 AWS 上的资料库。 KINETC 的仪表板会从该资料库提取资料,为人力经理建立实用的指标度量。

汲取经验

有如此大量的资料可供检验,无怪乎 KINETIC 可以发现工人的行为有些有趣的模式。 Haytham 表示:「我们会在一天中的特定时段发现清楚的高峰。「在一间设施中,我们发现在午餐前和下班前,不良姿势的出现率会增加。我们认为这是因为他们想在吃午餐或下班前达到一定的工作成效。

想像一下假如你是安全经理,你收到了员工正在作出高风险的抬举动作的数据,就会决定要加入新的训练方案,或是把多一点经费花在人体工学设备上。这样就会发现高风险抬举动作的数量有所变化。如果没有变化的话,你就会知道先前的措施没有效果。如此可让所推出的方案的成效数据化,目前仍有待观察受伤数字是上升还是下滑,才可判定方案是否有效果。」

回馈:聚会

Haytham Elhawary 和 Aditya Bansal 两人均有参加开发人员社群,不断孕育新想法、培植后起之秀、并协助他人将产品推向市场,每个月都在纽约举办聚会。

Haytham 表示:「我们会讨论所学到的经验、探讨如何将产品打入市场、以及品牌建立与製造生产等相关议题。」这项活动每个月都会从 3000 多人的成员名单中吸引 200 多人与会。「我认为这证明了硬体新创公司的成长。」

Aditya 同意道:「我会在纽约举办嵌入式系统的聚会,这种聚会较不着重在商业面向,而侧重讨论韧体和技术社群。许多公司也经常与会,包括 Intel。这说明嵌入式社群在纽约的规模多幺可观。」

总结

显而易见,对 Intel® Edison 技术有兴趣的公司可从 Intel 获得支援协助。 KINETIC 就是这点的案例之一。 Intel 在解答技术问题以及零件採购方面提供协助,有效促使 KINETIC 迅速开发自有品牌的穿戴式装置、云端连线智慧型装置和进入市场。 Intel® Edison 运算模组十分适用于在本机上蒐集和处理资料,并能安全地将资料送到 AWS 云端以供分析。

KINETIC 也积极参与了 Intel® Developer Zone 论坛。「每当我们发现了问题并且找到解决方法后,就会立刻去发布解答。」

KINETIC 的任务是要提升员工的安全性、降低成本、并在过程之中「保护经济的骨干。」在以钢盔、钢头靴、护目镜定义的「安全防护技术」世界中,KINETIC 奠定扎实基础,迈向以 Intel® Edison 运算模组、感应器和 AWS 云端服务构成的 IoT 式解决方案。

资源:

进一步了解 Intel® Edison 技术

注 1. 综合与医疗费用、员工补偿、产能损失、保险费用提高、管理费用、员工士气低迷、旷职增加等方面相关的直接与间接成本。

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