KINETIC:運算模組強化穿戴式裝置,幫助你避免抬舉重物造成的致命傷

KINETIC 的感應器安裝於腰掛式裝置內,並搭配先進的演算法,可偵測員工搬運重物的姿勢是否安全無虞。選配的手環具備振動功能,可針對危險的抬舉動作即時示警。為了進一步訓練員工注重安全以免遺憾,腰掛式裝置將於下班時回收,其所蒐集的資料將上傳至雲端進行分析。分析後的統計數據將顯示於以網頁為基礎的儀錶板,成為高度實用的資訊。相關資訊可用於訓練員工,甚至有助於重新設計工作場所,提升安全保障。
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要舉起重物,最好藉助雙腿的力量。但若能利用別人的腿,那就更好不過了。無論是誰從事相關工作,抬舉動作導致的背部傷害,已使美國企業在 2013 年損失了驚人的 700 億美元 註 1 。 KINETIC 是紐約的一家新創公司,專營智慧型穿戴式裝置;他們運用 Intel® Edison 運算模組研發一項裝置,可望大幅減少這類代價昂貴的職業傷害。

具體而言, KINETIC 的感應器安裝於腰掛式裝置內,並搭配先進的演算法,可偵測員工搬運重物的姿勢是否安全無虞。選配的手環具備振動功能,可針對危險的抬舉動作即時示警。為了進一步訓練員工注重安全以免遺憾,腰掛式裝置將於下班時回收,其所蒐集的資料將上傳至雲端進行分析。分析後的統計數據將顯示於以網頁為基礎的儀錶板,成為高度實用的資訊。相關資訊可用於訓練員工,甚至有助於重新設計工作場所,提升安全保障。

這間成軍僅一年半的小型新創公司,究竟如何迅速地設計、編碼,並將一件工業用物聯網產品推入市場呢?這是個精彩而激勵人心的故事...

從頭說起

由於擔任護士的母親長年搬負患者而飽受背痛之苦, KINETIC 共同創辦人暨執行長 Haytham Elhawary 決心致力於減少職場傷害的發生。正如他所說:「將消費者長久以來享用的技術應用在工作場所,可望減少職業相關的傷害。」

Haytham 認為倉儲員工是「工業運動員」,因此從運動用穿戴式裝置汲取靈感,例如運動鞋裝上 Nike* Plus 感應器即可偵測動作、方位、加速度和高度升降,藉以判定所進行的活動類型。

Haytham 表示:「任何穿戴式裝置或物聯網產品所配備的硬體組件,都需要製造與工程方面的專精技術,當然還有許多用來蒐集資料的感應器。相關技術不僅必須解讀資料,也要濾除冗雜的部分,才會有精確實用的判讀結果。接下來是面對顧客 (customer-facing) 的部份,因此必須設計出色的儀錶板使用經驗,讓分析數據一目瞭然。」

為了達到此目標,Haytham 與共同創辦人暨技術長 Aditya Bansal ─ 一位專精於消費型穿戴裝置的電子工程師 ─ 找來了資料科學家、軟體工程師和兩位機械工程師,其中一位專精於產品製造。Haytham 有生物醫學工程的博士學位,Aditya 則是電子與計算機工程博士。

加入 Intel® Edison 運算模組

要能從員工身上蒐集資料,並於行使危險抬舉動作時立即給予回饋,意味此裝置必須具備即時運算功能。

Haytham 表示:「在倉儲或工業設施內,通常先蒐集資料,再上傳雲端並執行大量處理程序,最後將資訊回饋給員工。」

然而這項假設有個問題。倉儲或工業設施未必設有 WiFi 連線。 KINETIC 團隊的解決方案必須能在裝置本體處理分析負重動作,並且最好在硬體上就能完成。 Haytham 表示:「Intel® Edison 運算模組是個很合理的選擇。」「它小巧的套件卻能發揮強大的處理效能,可直接透過本機即時回饋員工,無須仰賴 WiFi 連線。」

將雙頻 WiFi 、 Bluetooth* 4.0 支援、雙核心 Atom 處理器、Intel® Quark 微型控制器整合至小巧的低功耗套件之後, Haytham 感到:「這項運算模組提供了優質而靈活的一般用途平台。」提升靈活度的效益何在?「我們目前專注在抬舉動作造成的傷害,因為這是最大宗的員工索賠申請類型。我們希望能進一步偵測其他具有導致傷害風險的工作活動和行為類型。」

KINETIC 穿戴式裝置藉助 Intel® Edison 運算模組與感應器直接連線並蒐集資料,再儲存至本機的快閃記憶體。員工下班後,裝置將透過模組 WiFi 將資料上傳到雲端。若解決方案加入其他隨身感應器, Bluetooth 就派上用場。這類感應器將透過 Bluetooth 和運算模組相互傳輸。

剖析 KINETIC 裝置

KINETIC 的工業用穿戴式系統包含兩項裝置:腰掛式感應器和分析中樞,以及一個選配的手環感應器兼顯示器。兩項穿戴式裝置會共同作業,全面蒐集員工的相關指標。

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圖 1:KINETIC 智慧型穿戴裝置可藉時偵測潛在危險行為,藉以保護員工的背部。

腰掛式裝置內建加速度計,能夠以專屬的演算法來測量加速度、角度和方位。 Haytham 表示:「我們的測量標的,就是員工搬運物體時,脊椎受力變化的數據。」

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圖 2:KINETIC 的獨立裝置包含感應器和 Intel® Edison 運算模組兩部份,可夾在員工的腰帶上。

動作建模

Haytham 在生物力學方面紮實的專業背景,在開發演算法時扮演了關鍵角色,以利有效偵測員工動作,並判定是否安全無虞。

Haytham 表示:「我們必須檢視大量文獻, 20 年來,人們開發並發表了許多模組,其所描述的數據都是很好的風險指標,我們不斷找尋效能最佳的數據。」

Haytham 的團隊並非重複無謂的工作,而是將任務自動化。「以往,人體工程學家會親臨現場,在員工作業中途喊停,然後實地測量工人背部及膝蓋的彎曲程度、箱子與下背部之間的距離等等。」

雖然這種手動方式十分符合研究目的,但於真實世界的即時狀況中,已經不切實際。「這是我們第一次可以自動化上述檢測程序,並且在風險過高時立即提出回饋。」

那麼該如何計算舉起箱子時,是否與身體距離過遠呢? Haytham 解釋:「這就是選配手環派上用場的時刻,腰掛式裝置可以偵測背部的移動狀態,以及是否彎腰等等,單憑這項裝置就可以滿足許多需求。但如需更精密地偵測,例如箱子與下背部的距離,或者是否舉過肩膀高度 (公認的危險動作),此時就需要手環的功能。」

行為修正

他們將大量心力投注於示警回饋機制的研發。 Haytham 開著玩笑說:「經理很欣賞電擊這個點子,但員工們就沒那麼喜歡了。」「說真的,我們實現了類似於手機簡訊的震動效果。我們的最終目標在於改變行為模式。」

另一項挑戰則源自於生產效能的壓力。「員工所受的訓練是安全地進行特定工作,但他們往往捨棄所學,而採取最快的做法。」

KINETIC 希望能夠提醒員工想起自己所受的訓練。 KINETIC 團隊去年夏天前往一間航運物流公司的倉庫執行先導計畫,並習得寶貴的經驗。 Haytham 表示:「回饋功能大致上確實有效。為了要強化回饋機制,必須賦予員工參與計畫的動機。」

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圖 3:KINETIC 裝置相當纖薄,可舒適地配戴在腰帶上。

較年長的員工注重安全和健康,但年輕工人身強力壯,往往自認不會受傷。為了要鼓勵全體員工, KINETIC 仿效了運動員常用的方式 ─ 比賽。「我們持續追蹤每位工人每天做出高風險抬舉動作的數量,然後互相比較。最多次安全地做出高風險抬舉動作的人會收到小獎品。」

KINETIC 還借用了消費型穿戴裝置的另一種策略,使用排行榜來讓工人看到自己今天的表現比昨天進步多少。「他們會聚在一起開始討論彼此的表現。『我不相信你竟然贏得了我。』『我們要打敗她。』如此一來,工作不再像是工作,而變得充滿樂趣。」

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圖 4:查看排行榜。

如此也有助於培養信賴關係。「當我們向工人們展示排行榜時,他們能看到每天的數據。也能理解到不需擔心有什麼黑箱作業。」

資料處理

感應器負責蒐集資料,但也會蒐集到多餘的雜訊。技術長 Aditya Bansal 告訴我們:「動作感應器會收到雜訊。我們用了許多傳統的訊號處理演算法來將訊號清理乾淨。Edison 的處理效能對此相當得心應手。」

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圖 5:左圖中所示的感應器雜訊,導致難以分辨出實際的動作。進行訊號處理之後,資料清晰地顯示員工在彎腰 (藍線上升) 之後進入了站姿 (藍線陡降)。

員工動作代表第二種雜訊。這種類型的雜訊會在員工吃午餐、揮手、或進行任何不是抬箱子的動作時出現。 Aditya 表示:「這就又回到了 Haytham 提過的資料感應器演算法的問題,還有要搞清楚工人實際上到底做出了什麼動作。我們得要消去所有無關搬運物體的其他動作。」

為了達成這個目的, KINETIC 團隊用攝影機幫工人錄影。 Aditya 表示:「我們把工人的動作資料圖表和影片相比較,以便釐清他們實際在作的動作。」

連線到雲端

輪班結束後,工人便將裝置放到充電座上。同時所有的 KINETIC 裝置會開始將資料傳送到雲端。採用 Amazon* Web Services (AWS) API 來直接將資料安全地從裝置傳輸到雲端。

Amazon* Elastic MapReduce (EMR) 分析功能會即時處理從上百位工人身上蒐集得來的大量資料,儲存到託管在 AWS 上的資料庫。 KINETC 的儀表板會從該資料庫提取資料,為人力經理建立實用的指標度量。

汲取經驗

有如此大量的資料可供檢驗,無怪乎 KINETIC 可以發現工人的行為有些有趣的模式。 Haytham 表示:「我們會在一天中的特定時段發現清楚的高峰。「在一間設施中,我們發現在午餐前和下班前,不良姿勢的出現率會增加。我們認為這是因為他們想在吃午餐或下班前達到一定的工作成效。

想像一下假如你是安全經理,你收到了員工正在作出高風險的抬舉動作的數據,就會決定要加入新的訓練方案,或是把多一點經費花在人體工學設備上。這樣就會發現高風險抬舉動作的數量有所變化。如果沒有變化的話,你就會知道先前的措施沒有效果。如此可讓所推出的方案的成效數據化,目前仍有待觀察受傷數字是上升還是下滑,才可判定方案是否有效果。」

回饋:聚會

Haytham Elhawary 和 Aditya Bansal 兩人均有參加開發人員社群,不斷孕育新想法、培植後起之秀、並協助他人將產品推向市場,每個月都在紐約舉辦聚會。

Haytham 表示:「我們會討論所學到的經驗、探討如何將產品打入市場、以及品牌建立與製造生產等相關議題。」這項活動每個月都會從 3000 多人的成員名單中吸引 200 多人與會。「我認為這證明了硬體新創公司的成長。」

Aditya 同意道:「我會在紐約舉辦嵌入式系統的聚會,這種聚會較不著重在商業面向,而側重討論韌體和技術社群。許多公司也經常與會,包括 Intel。這說明嵌入式社群在紐約的規模多麼可觀。」

總結

顯而易見,對 Intel® Edison 技術有興趣的公司可從 Intel 獲得支援協助。 KINETIC 就是這點的案例之一。 Intel 在解答技術問題以及零件採購方面提供協助,有效促使 KINETIC 迅速開發自有品牌的穿戴式裝置、雲端連線智慧型裝置和進入市場。 Intel® Edison 運算模組十分適用於在本機上蒐集和處理資料,並能安全地將資料送到 AWS 雲端以供分析。

KINETIC 也積極參與了 Intel® Developer Zone 論壇。「每當我們發現了問題並且找到解決方法後,就會立刻去發佈解答。」

KINETIC 的任務是要提升員工的安全性、降低成本、並在過程之中「保護經濟的骨幹。」在以鋼盔、鋼頭靴、護目鏡定義的「安全防護技術」世界中,KINETIC 奠定紮實基礎,邁向以 Intel® Edison 運算模組、感應器和 AWS 雲端服務構成的 IoT 式解決方案。

資源:

進一步瞭解 Intel® Edison 技術

註 1. 綜合與醫療費用、員工補償、產能損失、保險費用提高、管理費用、員工士氣低迷、曠職增加等方面相關的直接與間接成本。(2014 Liberty Mutual Workplace Safety Index)

 

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